典型农业生物炭理化特性及产品质量评价

霍丽丽，姚宗路，赵立欣，孟海波，丛宏斌，李丽洁，袁艳文，刘广华

典型农业生物炭理化特性及产品质量评价

霍丽丽1，姚宗路2※，赵立欣1，孟海波1，丛宏斌1，李丽洁1，袁艳文1，刘广华3

（1. 农业农村部规划设计研究院，农业农村部农业废弃物能源化利用重点实验室，北京 100125；2. 中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所，北京 100084；3. 承德市本特生态能源技术有限公司，承德 067000）

生物炭能修复土壤、替代化石燃料、吸附水土气中的环境污染物等，应用潜力较大，但目前生物炭存在质量差异大、测试指标及方法不明确等问题，该文以农作物秸秆及农产品加工副产物为原料生产的生物炭为研究对象，系统梳理了生物炭物理、化学、热化学、表面化学等特性及有毒污染物。归纳提出了肥料炭、能源炭、活性炭等不同应用方向的生物炭主要指标、质量要求及测定方法。建议尽快制定生物炭质量评价标准体系，针对肥料炭、能源炭、活性炭等不同应用方向的提出生物炭的质量分级标准，制定和完善各个指标试验方法，为加快推进生物炭产业化应用提供技术支撑。

生物质；生物炭；物理特性；化学特性；产品质量；测定方法

0 引 言

中国是农业大国，农作物秸秆和农业加工剩余物资源量大，据统计，全国农作物秸秆资源量约10亿t，约有2亿t未有效利用，农产品加工副产物约5.8亿t，利用率不到40%，存在资源浪费、露天焚烧、污染环境等问题[1]。将其转化为生物炭，能够有效解决以上问题，对农业环境与粮食安全、能源安全、固碳减排、环境保护等方面，均具有重要的应用价值[2-3]。在农业环境与粮食安全领域，生物炭能提升土壤中可溶性有机碳水平，对酸化土壤、农药及化学品残留、重金属污染、农业温室气体排放等具有改良、修复和缓解作用。在能源安全领域，生物炭可替代化石燃料，具有燃烧效率、热值高、可再生等优点，能够作为清洁能源应用。在环保领域，生物炭是一种性能优良的吸附剂，能够净化污水与废气、吸附重金属、吸附有机污染物多环芳烃等[4-5]。在固碳减排领域，植物经光合作用吸收二氧化碳，植物茎秆经热化学转化为生物炭再还田[6]，全过程零碳排放，可有效缓解温室效应。与此同时，生物炭作为非常稳定的固定载体，能够有效减缓氮氧化物等温室气体的释放。生物炭在多领域的广泛应用，说明生物炭具有较强的吸附力、抗氧化力、抗微生物分解能力，这与生物炭固有特性密切相关。

目前，国际生物炭协会（International Biochar Initiative，IBI）和欧洲生物炭认证基金（European Biochar Certificate，EBC）制定了生物炭产品认证规范，主要用来指导应用于土壤的生物炭产品分级，规定了生物炭特性指标要求和测试方法。中国尚无生物炭生产和产品质量标准，生物炭用途广泛，不同企业生产的生物炭规格、物理特性和化学特性差异大，直接影响了生物炭产品的应用；中国缺乏生物炭的统一标准，现仅针对活性炭、竹炭等发布了部分指标的检测标准，检测指标不够全面，系统性不强。不同企业或没有试验方法，或试验方法不同，生产试验数据缺乏可比性，这也严重制约了中国生物炭产业的发展。因此，亟需建立生物炭检测指标体系和质量评价方法。

本文以农作物秸秆及农产品加工副产物为原料生产的生物炭为研究对象，系统研究了生物炭的表征定义，分类归纳生物炭理化特性各项指标及影响因素，按照生物炭的不同应用方向提出了产品质量评价指标体系，分析比较国内外现有生物炭质量分级要求及主要指标检测方法，为生物炭特性与测试方法的统一，以及为下一步中国生物炭质量分级与评价提供支撑依据。

1 生物炭定义

生物炭是以农业、林业剩余物等生物质为原料，在一定气氛（无氧、限氧、饱和水蒸气等）与压力（常压或高压）条件下，受热分解所生成的固态产物。目前主要的制备方法有慢速热解、快速热解、水热炭化等技术。

生物炭中的碳元素分为有机部分和无机部分。有机碳含量指在水体中溶解性和悬浮性有机物含碳总量。小麦秸秆生物炭、棉花秸秆生物炭中有机碳质量分数分别为53.99%和57.87%[7]，比污泥生物炭和褐煤生物炭有机碳高2～4倍。无机碳包括碳酸钙和碳酸镁等无机碳酸盐混合物，以碳酸盐二氧化碳含量表征。

国际生物炭协会（IBI）中规定有机碳应高于10%，根据有机碳含量不同，分为3个等级，分别为≥60%、30%～60%、10%～30%[8]。欧洲生物炭认证基金（EBC）中规定总C质量分数应高于50%，低于50%的热解产物归为生物碳矿物质（BCM）。目前中国无生物炭的明确要求[9]。

2 生物炭理化特性

2.1 物理特性

2.1.1 粒径分布

粒径分布用来表征不同粒径生物炭所占质量百分数。在不同热解温度条件下制得的生物炭颗粒的大小与比例不同。热解温度越高，生物炭的颗粒越小，随着热解温度的升高，生物炭的小粒径颗粒所占的比例增大。如当热解温度为600 ℃时，稻壳炭粒径小于74m的颗粒占45.29%；热解温度为400 ℃时，粒径小于74m的颗粒仅占34.31%[10]。

2.1.2 堆积密度

堆积密度是指散粒或粉状生物炭在自然堆积状态下单位体积的质量。不同种类生物炭堆积密度有差异，一般为0.1～0.4 g/cm3，不同原料和炭化工艺均影响堆积密度[11]。

2.2 化学特性

2.2.1 元素含量分析

几种典型生物炭元素含量见表1。测得生物炭中C均大于40%，随热解终温、升温速率和保温时间增加，C含量增加，表明炭化程度增强，而H和O含量逐渐降低，由于热解过程以小分子有机物和水的形式析出[12]。随热解终温增加H/C和O/C降低，尤其是当热解终温由300 ℃上升至400 ℃时显著降低，说明300 ℃的生物炭具有较强的亲水性和脂肪性[13]。而400 ℃时，H和O进一步析出，表现出较强的疏水性和芳香性；超过500 ℃后，H/C基本保持不变，表明此温度下的生物炭芳香性较高，稳定性较强[14]。

表1 典型生物炭元素含量

不同炭化温度生物炭中N的含量相近，质量分数为0.5%～1.8%，硝态氮和铵态氮含量极少，不能直接补充土壤可利用的氮，但生物炭具有吸附氮和持留缓释特性，提高土壤固氮能力。不同热解温度对氮元素影响不大，但热解终温对N元素的吸附性能影响较大，升温速率和恒温时间的影响较小[13]。较低的热解终温获得的生物炭有利于NH4+-N的吸附[15]，其吸附性能与生物炭比表面积、碱性官能团和表面金属的氧化物有关。生物炭中硫元素质量分数较低，一般为0.8%以内，因此能源燃烧过程中SO2排放低，可达到环保要求。

2.2.2 pH值

生物炭的pH值呈碱性，一般为7.0～10.3，典型样品的pH值如图1所示，水稻秸秆炭和稻壳炭较高，棉秆炭较低。

图1 典型生物炭的pH值

随温度升高和时间延长，有机酸发生脱水分解，碱性基团含量不断增加，生物炭呈碱性特征，且碱性基团含量随热解温度的升高和热解时间的延长而升高[16]。相关研究发现，热解温度从300 ℃升至700 ℃时，酸性基团数量下降了0.3 mmol/g，碱性基团数量则上升了0.29 mmol/g[17]。玉米秸秆炭热解温度在450～700 ℃范围，pH值从6.75增大到9.80[15]。水稻秸秆炭pH值在热解温度300～500 ℃变化最显著[14]，由8.45增加到10.30。生物炭是酸性土壤很好的改良剂，施加2.0%花生壳炭的红壤和黄棕壤pH值分别提高0.61和0.55，酸性土壤改良效果明显且稳定[18]。

2.2.3 营养元素

营养元素包括P、K、Na、Ca、Mg、Fe等，不同原料的生物炭中营养元素差异较大，典型生物炭各元素含量见表2。相对于一般土壤，生物炭具有较高的有效磷和有效钾。有效磷质量分数为0.08～0.57 g/kg，水稻和玉米秸秆炭的有效磷比花生壳炭、花生秸秆炭、稻壳炭等含量高；有效钾质量分数为6.00～70.00 g/kg，玉米秸秆炭的有效钾质量分数较高，稻壳炭和花生壳炭较低[16-17]。生物炭还含有Ca、Mg、Na、Fe等，可补充土壤养分，为植物生长提供必需的矿质元素。同时，生物炭多孔隙结构吸附效应大于自身养分供给能力，生物炭能够吸附肥料或土壤中的养分，起到缓释作用，改善养分利用效率，因此，常用于炭基肥或土壤修复剂等[16-19]。

2.2.4 重金属元素

重金属元素包括Cu、Mn、Zn、Mo、Ni、Cr、Pb、As、Cd、Hg等。其中，Cu、Mn、Zn、Mo、Ni为微量矿物质元素，Cr、Pb、As、Cd、Hg为有毒重金属元素。典型生物炭样品微量矿物质元素中Cu质量分数4.0～23.2 mg/kg，Mn质量分数48～1078 mg/kg，Zn质量分数3.2～22.5 mg/kg，Mo质量分数0.75～5.79 mg/kg，Ni质量分数0.89～4.46 mg/kg。有毒重金属中，Cr元素1.5～40.1 mg/kg，Pb质量分数0.57～5.67 mg/kg，As质量分数0.77～25.3 mg/kg，Cd质量分数0.02～0.15 mg/kg。Hg未检出[19]，详见表2。

表2 典型生物炭营养元素及重金属元素含量[18-20]

注：-为未检出；※为超标数值。▲为总钾。

Note:-: not checked out; ※: exceed the limit .▲is total K.

生物炭作为肥料施于土壤，根据NY/T 3041生物炭基肥料要求，限值分别不高于50、15、5、1、0.5 mg/kg。典型生物炭中，除了水稻秸秆炭的As元素超标外，其他均符合要求。生物炭作为燃料使用，根据ISO17225生物质成型燃料质量要求，非木质燃料中的As、Cd、Cr、Cu、Pb、Hg、Ni、Zn元素分别不高于1、0.5、50、20、10、0.1、10、100 mg/kg。除棉秆炭外，As元素均超标，玉米秸秆炭Cu元素超标，其他元素符合要求。可见，不同应用方向的产品质量标准要求差异较大，因此，应根据生物炭的不同用途，制定生物炭专用标准，分别规定各项指标的限值要求。秸秆或农产品加工剩余物为原料的生物炭重金属含量取决于作物生长土壤环境及生物炭制备条件[21-23]，因此，土壤重金属超标区域需防控有毒重金属。

2.3 热化学特性

2.3.1 工业分析

工业分析包括一般样品水分、灰分、挥发分、固定碳。典型生物炭在500～550 ℃热解条件下的工业分析如图2所示，灰分20%～34%、固定碳40%～61%、挥发分<20%。

图2 典型生物炭的工业分析[27-30]

热解温度直接影响生物炭的工业分析各指标，随着热解温度增加，生物炭产率逐渐降低，挥发分逐渐析出，含氢和氧官能团及含碳物质逐渐分解，灰分逐渐富集，固定碳先增加后降低[24]。生物炭一般样品水分均小于5%，较为干燥，利于产品使用、运输和储存。挥发分和固定碳反映燃料煤变程度大小，生物炭挥发分较小，接近中低挥发分烟煤。灰分取决于原料的灰分含量，秸秆及农产品加工剩余物类的生物炭普遍比木质类生物炭灰分高[25]。在热解过程中有机物减少，随着温度升高，Si、Ca、Mg、Cl等无机离子烧结、融合，形成了无机矿物质，碱金属析出量增加，因此灰分含量增加[26]。

2.3.2 发热量

生物炭的低位发热量一般为20～30 MJ/kg[31]。发热量随热解温度上升先变大后逐渐降低，热解温度400 ℃之前上升速率较大，400 ℃以后变化幅度趋于平缓；550 ℃制备的棉秆炭和花生壳炭发热量较高，分别达到27.23、29.08 MJ/kg[29]，接近于优质无烟煤；超过600 ℃发热量呈逐渐降低趋势。秸秆及农产品加工剩余物类的生物炭燃料发热量普遍比木炭略低一些，由于灰分含量相对较高，可燃物质含量相对减少，一定程度影响发热量，但生物炭的发热量普遍比木质生物质原料高。

2.3.3 结渣性与腐蚀性

秸秆及农产品加工剩余物类的生物炭的碱金属和氯元素含量较高，易结渣和引起腐蚀问题。燃料的结渣性一般用灰熔融点表征。灰熔融点是在高温条件下变形、软化、半球、流动时的温度特性，灰熔融点低易发生团聚和沉积，甚至结渣。小麦秸秆炭、玉米秸秆炭、花生壳炭的软化温度均低于1 200 ℃，棉秆炭和稻壳炭的软化温度在1 200 ℃左右[25]，属易结渣区，典型样品测定数值详见表3。生物炭灰熔融点比煤炭及木炭低，由于Na、K等碱金属元素含量较高，碱金属（Na、K）氧化物和盐类可以与SiO2反应形成低温共熔体。

氯元素是燃烧过程中引起燃烧室腐蚀的主要元素，在气相或者沉积在积灰中碱金属氯化物与金属氧化膜发生反应，生成碱金属氯化物，同时生成的氯气也与金属反应造成腐蚀。GB/T 20475.2-2006《煤中有害元素含量分级第2部分：氯》分级中，特低氯煤≤0.05%、低氯煤0.05%～0.15%、中氯煤0.15%～0.30%、高氯煤>0.30%。EN ISO17225生物质成型燃料质量要求，非木质燃料中Cl元素质量分数不高于0.3%。

2.3.4 着火点

着火点（T）指在空气或氧气中燃烧时的最低温度。生物炭着火点一般低于无烟煤[27]，典型生物炭的着火点340～405 ℃，详见表3。

表3 典型生物炭的热化学特性

注：*为指标未检测。

Note: *: not detected.

2.4 表面化学特性

2.4.1 比表面积

生物炭比表面积数值见表4。粒径越小，比表面积越大。热解温度对比表面积的影响较大，随着温度的升高，微孔结构逐渐增多，孔壁变薄，孔数量和体积增加。根据国际纯粹与应用化学协会(IUPAC)的定义：孔径小于2 nm的称为微孔；孔径大于50 nm的称为大孔；孔径在2～50 nm之间的称为介孔（或中孔）。孔隙结构决定比表面积，小孔和微孔对比表面积的贡献大。随着热解温度的增加，挥发分不断析出，促进炭颗粒孔隙结构发展，而过高的温度使孔结构坍塌及熔融，不利于其微孔结构的形成[14,24]。不同原料种类和制备条件，生物炭比表面积差异较大。水稻秸秆热解温度为600 ℃时，比表面积最大[14]；秸秆类生物炭的比表面积普遍小于500 m2/g[32-33]，比表面积较大的秸秆炭，其孔径大多集中在介孔附近[33-34]。

2.4.2 阳离子交换量

反映生物炭表面的负电荷参数，其大小决定了生物炭对阳离子的持留能力。O/C可表征CEC，O/C越大，表面含氧官能团越多，CEC越大[7]。典型生物炭CEC值小于50 cmol/kg，详见表4，不同原料生物炭阳离子交换能力为：棉花秸秆炭＞花生壳炭＞稻壳炭＞玉米秸秆炭＞水稻秸秆和花生秸秆炭。生物炭的离子吸附交换能力是土壤固定阳离子能力的重要指标，反映土壤的保水保肥能力。相关研究表明水稻秸秆炭和油菜秸秆炭添加比豆科秸秆炭对土壤中的CEC提升效果明显，水稻秸秆炭更优[35-36]。

2.4.3 吸附特性

生物炭的吸附特性与孔大小相关。碘吸附可表征微孔吸附特性，亚甲基蓝吸附可表征中孔吸附特性。相关研究表明[10,37]，水稻秸秆、玉米秸秆、小麦秸秆、花生秸秆、芦苇秸秆5种生物炭中，小麦秸秆炭和水稻秸秆炭对亚甲基蓝吸附能力最大，理论吸附量为27.82、27.28 mg/g，玉米秸秆炭的吸附能力较差。热解温度影响生物炭吸附性，热解温度400到600 ℃，稻壳炭微孔数量增加，碘吸附值从231.16 mg/g增加到312.40 mg/g，稻壳炭中孔数量下降，亚甲基蓝吸附值从7.09 mg/g下降到5.68 mg/g。

2.4.4 表面官能团

生物炭主要为含氧官能团，包括羧基、酯基、酚羟基等，且其碱性官能团数目均大于酸性官能团数目[7]，表面官能团的种类和数量直接影响对养分、水分以及一些金属离子的吸附能力等。随着热解温度的升高，总官能团先下降后上升的趋势，酚羟基随热解温度升高而明显增加，羧基和酯基随热解温度升高，先下降后升高[13,38]。相关研究表明[13,16-18]，PO43-P、重金属等的吸附性与表面碱性官能团和表面含氧官能团有关。

表4 典型生物炭的表面化学特性

2.5 有毒污染物

有毒污染物包括多环芳烃（PAHs）、多氯联苯（PCBs）、二噁英/呋喃（PCDD/Fs）。PAHs是由2个或2个以上苯环经稠合而成的芳氢化合物，具有亲脂性、高毒性和持久性，对生态环境和人体健康造成严重危害。PAHs可分为稠合多苯结构（如四苯并蒽）、线性结构（如蒽）、角状结构（如菲）和结构更复杂的稠环烃（如苯并芘）。生物炭本身所含PAHs极微量，选取棉秆炭和稻壳炭测定PAHs见表5，污染物总质量分数分别为2.91 mg/kg和1.82 mg/kg。符合德国GS（Geprufte Sicherheit）认证其他产品类<50 mg/kg的要求[39]，符合EBC中<12 mg/kg的要求。

生物炭可吸附土壤或水体中的PAHs污染物，当PAHs污染物的浓度较低时，疏水作用为主导机制，而当PAHs污染物的浓度较高时，疏水作用将明显降低[40]。玉米秸秆和花生壳生物炭对芘的吸附约12 h达到平衡，其对芘吸附量大小顺序为玉米秸秆＞小麦秸秆＞花生壳，且这3种生物炭对溶液中的芘去除率均在90%以上[41]。

表5 生物炭的多环芳烃PAHs测定结果

注：N.D.为未检出。

Note: N.D.no detection

PCBs难降解且具有挥发迁移性，能在生物体内累积，达到一定浓度最终对生物体产生毒害作用。生物炭本身所含的PCBs极微量，选取棉秆炭和稻壳炭测定，分别＜0.01g/kg和＜0.014g/kg，远低于限值要求（GB 13015-2017中≤10 mg/kg，EBC≤0.2 mg/kg），详见表6。生物炭修复PCBs污染土壤倍受关注，生物炭的存在能够降低沉积物中脂溶性化合物（PAHs和PCBs）的生物有效性，从而使它们在生物体内的富集量减少，在有机质含量相同的沉积物中，生物炭含量高时，PCBs的生物沉积物累积系数明显低[42]。

二噁英/呋喃（PCDD/Fs）指具有相似结构和理化特性的一组多氯取代的平面芳烃类化合物，属氯代含氧三环芳烃类化合物。含氯原料不完全燃烧，易生成二噁英，秸秆中含有少量氯元素，热解过程应尽量控制PCDD/Fs等有害气体产生。经测定，棉秆炭和稻壳炭的PCDD/Fs质量分数＜0.12 ng/kg和＜1.52 ng/kg，远低于EBC≤20 ng/kg的限值要求，详见表6。

3 生物炭质量评价指标体系

基于以上生物炭各项指标分析，研究提出肥料炭、能源炭、活性炭等不同应用方向的生物炭质量评价指标体系，总结归纳了指标限值及检测方法。

3.1 肥料炭应用

依据IBI制定的《Standardized Product Definition and Product Testing Guidelines for Biochar That Is Used in Soil》[8]和EBC制定的《Guidelines European Biochar Certificate for a sustainable production of biochar》[9]，结合中国NY 525-2012有机肥料和NY/T 3041-2016生物炭基肥料标准，生物炭质量评价指标体系、数值要求及测定方法，见表7。

表6 生物炭多氯联苯PCBs和二噁英/呋喃PCDD/Fs测定结果

还田、肥料等土壤施用的肥料炭指标包括H/Corg、O/Corg、pH值、比表面积、营养元素（N、P、K、Ca、Mg）和微量矿质元素（Cu、Zn、Mo、Ni）等，以及对环境和健康有害污染物控制的相关指标，如PAHs、PCBs、PCDD/Fs、有害重金属（Cr、Pb、As、Cd、Hg）等21项指标。

3.2 能源炭应用

生物炭作为燃料使用，参考煤炭GB/T 31862-2015《商品煤质量褐煤》和GB 34170-2017《商品煤质量民用型煤》和ISO 17225-6-2014和ISO 17225-7-2014《Solid biofuels-Fuel specifications and classes》中的非木质颗粒燃料和块状燃料分级标准要求，推荐生物炭质量要求及测定方法，见表8。能源炭应用指标包括全水分、机械耐久性、细颗粒物、灰分、低位发热量、灰熔融点、N、S、Cl元素，以及重金属（Cr、Pb、As、Cd、Hg）等19项指标。

表7 肥料炭指标要求及检测方法

表8 能源炭指标及检测方法

3.3 活性炭应用

活性炭常用于净化水，参考GB/T 13803.2-1999《木质净水用活性炭》，相应指标及要求详见表9。指标包括碘吸附值、亚甲蓝吸附值、强度、表观密度、水分、pH值、灰分等7项指标。

表9 活性炭指标要求及检测方法

3.4 讨 论

系统分析了生物炭的涵盖物理、化学、热化学、表面化学、有毒污染物等40个理化特性指标。生物炭可应用领域广泛。生物炭含有一定量的矿质营养元素，以及吸附缓释营养作用，可作为肥料用于农业生产；生物炭碳元素含量高，热值高、硫含量少，可作为清洁能源替代化石燃料；生物炭含有多孔结构，比表面积大、表面官能团丰富、吸附能力强，可用于制备活性炭等。

不同原料种类、不同的制备条件对秸秆和农产品加工剩余物制备的生物炭的理化特性影响差异极大，从而影响生物炭的应用效果。基于影响生物炭特性的指标因素，梳理归纳出不同应用方向的生物炭产品质量评价指标，分别为肥料炭21项、能源炭19项、活性炭7项检测指标，总结了现有各项指标的相关要求及测试依据。现有的相关标准对生物炭各项指标的限值要求不统一，现有标准所列指标不健全，无法科学表征生物炭质量要求。亟需针对不同应用方向建立完善的生物炭质量评价标准体系，补充完善各个指标的试验方法等；制定针对不同应用方向的生物炭的质量分级要求，指标限值可根据实际情况验证后，进行产品的分级定等，为指导和规范生物炭的生产与应用提供技术支撑。

4 结论与建议

1）为保障生物炭产品质量，系统梳理了生物炭物理、化学、热化学、表面化学特性以及有毒污染物等，与国内外生物炭质量要求比较，研究归纳提出了肥料炭、能源炭、活性炭等不同应用方向的生物炭评价指标体系，为后续规范生物炭质量提供技术支撑。

2）系统分析了生物炭理化特性各项指标。生物炭中C元素质量分数一般高于40%。秸秆类生物炭中含有一定量的营养元素，可作为肥料补充，但需要防范个别区域重金属超标的风险。生物炭发热量20～30 MJ/kg，可作为能源炭应用，但秸秆类生物炭的碱金属和氯元素含量较高，灰熔融点低，需要防范结渣和腐蚀问题。生物炭比表面积较大，表面孔径丰富，具有一定吸附性，可用于活性炭。生物炭本身结构较稳定、利于碳固定，表面孔隙结构丰富、吸附性强，且有毒污染物多环芳烃（PAHs）、多氯联苯（PCBs）、二噁英/呋喃（PCDD/Fs）的含量低，有利于减缓温室气体排放和防治环境污染，未来发展潜力较大。

3）建议尽快建立生物炭质量评价标准体系，针对肥料炭、能源炭、活性炭等不同应用方向制定生物炭的质量评价与分级标准，提出和完善各项指标试验方法，进一步规范生物炭应用的产品质量，促进生物炭多元、高值化利用的产业发展。

[1] 张蓓蓓. 我国生物质原料资源及能源潜力评估[D]. 北京：中国农业大学，2018. Zhang Beibei. Assessment of Raw Material Supply Capability and Energy Potential Of Biomass Resources in China[D]. Beijing: China Agricultural University, 2018. (in Chinese with English abstract)

[2] 霍丽丽，赵立欣，姚宗路，等. 秸秆热解炭化多联产技术应用模式及效益分析[J]. 农业工程学报，2017，33(3)：227－232. Huo Lili, Zhao Lixin, Yao Zonglu, et al. Utilization model and its efficiency analysis of biochar-gas-oil polygeneration by straw pyrolysis [J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(3): 227－232. (in Chinese with English abstract)

[3] Cong Hongbin, Ondřej Mašek, Zhao Lixin, at al. Slow pyrolysis performance and energy balance of corn stover in continuous pyrolysis-based poly-generation systems[J]. Energy Fuels, 2018, 2: 3743－2749.

[4] Tomeszewska M, Mozia S. Removal of organic matter from water by PAC/UF system[J]. Water Res, 2002, 36(16): 4137－4143.

[5] Liang Liu, Chen Ping, Sun Mingxing, et al. Effect of biochar amendment on PAH dissipation and indigenous degradation bacteria in contaminated soil[J]. Journal of Soils and Sediments, 2015, 15:313－322.

[6] Lehmann J, Gaunt J, Rondon M．Biochar sequestration in terrestrial ecosystems: A review[J]. Mitig Adapt Strat Global Change, 2006 (11): 403－427．

[7] 孙涛，朱新萍，李典鹏，等. 不同原料生物炭理化性质的对比分析[J]. 农业资源与环境学报，2017，34（6）: 543－549. Sun Tao, Zhu Xinping, Li Dianpeng, et al. Comparison of biochars characteristics from different raw materials [J]. Journal of Agricultural Resources and Environment, 2017, 34(6): 543－549. (in Chinese with English abstract)

[8] International Biochar Initiative. Standardized Product Definition and Product Testing Guidelines for Biochar That Is Used in Soil Version 2.1[R]. (2015-11-23) [2018-12-12]. http://www.biochar~international.org/characterizationstandard

[9] European Biochar Foundation (EBC), Arbaz, Switzerland. Guidelines European Biochar Certificate for a sustainable production of biochar [R]. (2016-02-04) [2018-12-12]. http://www. europeanbiochar.org /en/download.

[10] 吕娟，王明峰，蒋恩臣，等. 不同热解温度下稻壳炭的理化特性分析[J].可再生能源，2017，10（35）：1448－1453. Lü Juan, Wang Mingfeng, Jiang Enchen. Analysis on the physicochemical properties of the rice husk carbon produced at different pyrolysis temperature[J]. Renewable Energy Resources, 2017, 10(35): 1448－1453. (in Chinese with English abstract)

[11] 林贵英. 热解过程中生物炭形成机制及吸水特性研究[D].武汉：华中科技大学，2017. Lin Guiying. Study on Formation Mechanism and Moisture Absorption Properties of Biochar during Pyrolysis[D]. Wuhan: Huazhong University of Science and Technology, 2017. (in Chinese with English abstract)

[12] Ahmad M, Moon D H, Vithanage M, et al． Production and use of biochar from buffalo-weed (L.) for trichloroethylene removal from water [J]. Journal of Chemical Technology and Biotechnology, 2014, 89(1): 150－157.

[13] 王章鸿，郭海艳，沈飞，等．热解条件对生物炭性质和氮、磷吸附性能的影响[J]. 环境科学学报，2015，35（9）：2805－2812 Wang Zhanghong, Guo Haiyan, Shen Fei, et al．Effects of pyrolysis conditions on the properties of biochar and its adsorption to N and P from aqueous solution[J]. Acta Scientiae Circumstantiate, 2015, 35(9): 2805－2812

[14] 简敏菲，高凯芳，余厚平. 不同裂解温度对水稻秸秆制备生物炭及其特性的影响[J]. 环境科学学报，2016，36（5）：1757－1765. Jian Minfei, Gao Kaifang, Yu Houping. Effects of different pyrolysis temperatures on the preparation and characteristics of bio-char from rice straw[J]. Acta Scientiae Circumstantiate, 2016, 36(5): 1757－1765. (in Chinese with English abstract)

[15] 王瑞峰，赵立欣，沈玉君，等. 生物炭制备及其对土壤理化性质影响的研究进展[J]. 中国农业科技导报，2015，17（2）：126－133. Wang Ruifeng, Zhao Lixin, Shen Yujun, et al. Ｒesearch progress on preparing biochar and its effect on soil physio-chemical properties[J]. Journal of Agricultural Science and Technology, 2015, 17(2): 126－133. (in Chinese with English abstract)

[16] 赵牧秋，金凡莉，孙照炜，等. 制炭条件对生物炭碱性基团含量及酸性土壤改良效果的影响[J]. 水土保持学报，2014，18（4）：299－309. Zhao Muqiu, Jin Fanli, Sun Zhaowei, et al. Effects of pyrolysis condition on basic group of biochar and amelioration of acid soil[J]. Journal of Soil and Water Coneservation, 2014, 18(4): 299－309. (in Chinese with English abstract)

[17] Chung Y, Sheng G Y, Cary T C, et al. Compositions and sorptive properties of crop residue-derived chars [J]. Environmental Science and Technology, 2004, 38: 4649－4655.

[18] 张祥. 花生壳生物炭改良酸性土壤的效应及其对脐橙苗生长的影响[D]. 武汉：华中农业大学，2014． Zhang Xiang. Effects of Peanut Shell Biochar on the Improvement of Acidic Soil and the Seeding Growth of [D]. Wuhan: Huazhong Agricultural University, 2014. (in Chinese with English abstract)

[19] 张璐，贾丽，陆文龙. 不同碳化温度下玉米秸秆生物炭的结构性质及其对氮磷的吸附特性[J]. 吉林大学学报：理学，2015，53(4)：802－808. Zhang Lu, Jia Li, Lu Wenlong, at al. Structural properties of corn straw biochar and characteristics of its adsorption for nitrogen and phosphate at different carbonization temperature[J]. Journal of Jilin University: Science Edition, 2015, 53(4): 802－808. (in Chinese with English abstract)

[20] 黄永东，杜应琼，陈永坚，等. 2018. 农业废弃物生物炭理化性质的差异及对菜心产量的影响[J]. 生态环境学报，2018, 27（2）：356－363. Huang Yongdong, Du Yingqiong, Chen Yongjian, at al. Physicochemical properties of biochars originated from different agricultural wastes and their impact on the yield ofL. [J]. Ecology and Environmental Sciences, 2018, 27(2): 356－363. (in Chinese with English abstract)

[21] 林贵英，陈伟，刘文质，等.热解温度对稻壳生物炭特性的影响[J]. 沈阳农业大学学报，2017，48（4）：456－461. Lin Guiying, Chen Wei, Liu Wenzhi, et al. Influence of pyrolysis temperature on physicochemical properties of biochar from rice husk[J]. Journal of Shenyang Agricultural University, 2017, 48(4): 456－461. (in Chinese with English abstract)

[22] Jin J, Li Y, Zhang J, et al. Influence of pyrolysis temperature on properties and environmental safety of heavy metals in biochars derived from municipal sewage sludge[J]. Journal of Hazardous Materials, 2016, 320: 417－426.

[23] Song X D, Xue X Y, Chen D Z, et al. Application of biochar from sewage sludge to plant cultivation: Influence of pyrolysis temperature and biochar-to-soil ratio on yield and heavy metal accumulation[J]. Chemosphere, 2014, 109: 213－220.

[24] 吴诗雪，王欣，陈灿，等. 凤眼莲、稻草和污泥制备生物炭的特性表征与环境影响解析[J].环境科学学报，2015，35（12）：4021－4032. Wu Shixue, Wang Xin, Chen Can, et al． Characterization of biochar derived from water hyacinth，rice straw and sewage sludge and their environmental implications[J]. Acta Scientiae Circumstantiate, 2015, 35(12): 4021－4032. (in Chinese with English abstract)

[25] 李冲. 花生壳生物炭用作高炉喷吹燃料的实验研究[D].武汉：武汉科技大学，2018. Li Chong. Experimental Research of Peanut Shell Biomass Charcoal for Blast Furnace Fuel Injection[D]. Wuhan: Wuhan University of Science and Technology, 2018. (in Chinese with English abstract)

[26] Yuan J H, Xu R K, Zhang H．The forms of alkalis in the biochar produced from crop residues at different temperatures[J]. Bioresource Technology, 2011, 102(3): 3488－3497

[27] 曾耀国. 生物质低温热解炭化及生物质炭燃烧特性研究[D]. 长春：吉林大学，2014. Zeng Yaoguo. Research on Low Temperature Pyrolysis Carbonization of Biomass and Combustion Characteristics of Biomass Char[D].Changchun: Jilin University, 2014. (in Chinese with English abstract)

[28] 刘静，杨芳，牛文娟. 基于工业分析指标的秸秆生物炭热值预测[J]. 中国农业科技导报，2018，20（8）：142－148. Liu Jing, Yang Fang, Niu Wenjuan. Prediction of calorific value of straw biochar based on industrial analysis index[J].Journal of Agricultural Science and Technology, 2018, 20(8): 142－148. (in Chinese with English abstract)

[29] 丛宏斌，赵立欣，孟海波，等. 生物质连续炭化中试系统产物特性及其运行效果评估[J]. 农业工程学报，2018，34(22)：199－205. Cong Hongbin, Zhao Lixin, Meng Haibo, et al. Product characteristics and operation evaluation of biomass continuous pyrolysis pilot-scale plant [J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(22): 199－205. (in Chinese with English abstract)

[30] 丛宏斌，赵立欣，姚宗路，等. 玉米秸秆连续干馏条件下能量平衡分析[J]. 农业工程学报，2017，33(7)：206－212. Cong Hongbin, Zhao Lixin, Yao Zonglu, et al. Energy balance analysis of corn straw continuous distillation [J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(7): 206－212. (in Chinese with English abstract)

[31] 马腾，郝彦辉，姚宗路，等．秸秆水热生物炭燃烧特性评价[J/OL]. [2018-12-2]农业机械学报. http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.1964.S.20181105.1048. 022.html Ma Teng, Hao Yanhui,Yao Zonglu, et al. Evaluation on the combustion characteristics of straw hydrothermal bio-char[J/OL]．[2018-12-12]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery. http://kns.cnki.net/kcms/ detail/11.1964.S.20181105.1048.022.html. (in Chinese with English abstract)

[32] 袁 帅，赵立欣，孟海波，等. 生物炭主要类型、理化性质及其研究进展[J]. 植物营养与肥料学报，2016，22(5): 1402－1417. Yuan Shuai, Zhao Lixin, Meng Haibo, et al. The main types of biochar and their properties and expectative researches[J]. Journal of Plant Nutrition and Fertilizer, 2016, 22(5): 1402－1417. (in Chinese with English abstract)

[33] 王彤彤，王晓琳，任志胜，等.不同原料制备的生物炭形貌结构及表面特性研究[J]. 环境科学与技术，2017，40（1）: 42－48. Wang Tongtong, Wang Xiaolin, Ren Zhisheng, et al. Microscopic morphology and surface features of biochars derived from different raw materials [J]. Environmental Science & Technology, 2017, 40(1):42－48. (in Chinese with English abstract)

[34] 李丽洁. 玉米秸秆热解炭化实验研究[D].武汉：华中农业大学，2015. Li Lijie. Experimental Study on Pyrolysis and Carbonization of Corn Stover[D].Wuhan: Huazhong Agricultural University, 2015. (in Chinese with English abstract)

[35] Yuan J H, Xu R K, Qian W, et al. Comparison of the ameliorating effects on an acidic ultisol between four crop straws and their biochars[J]. Journal of Soils and Sediments, 2011, 11: 741－750.

[36] Dong D, Yang M, Wang C, at al. Responses of methane emissions and rise yield to applications of biochar and straw in a paddy field[J]. Journal of Soils and Sediments, 2003, 13: 1450－1460.

[37] 何佳闻，何春霞，郭航言，等. 5种秸秆生物炭吸附亚甲基蓝及其性能对比研究[J]. 南京农业大学学报, 2019，42(2) : 382－388. He Jiawen, He Chunxia, Guo Hangyan, et al. Adsorption of methylene blue by five straw biochars and its performance comparison[J]. Journal of Nanjing Agricultural University, 2019, 42(2): 382－388. (in Chinese with English abstract)

[38] 肖欣. 生物炭的多级结构特征、构效关系及其吸附作用研究[D]. 杭州：浙江大学，2018. Xiao Xin. The Study of Biochar Multi-level Structures Application Relationships and Sorption Behaciors[D]. Hangzhou: Zhejiang University, 2018. (in Chinese with English abstract)

[39] 高剑琴，董栋. 多环芳烃含量限值法规及测试方法比较[J].橡胶科技，2015(7)：43－51. Gao Jianqin, Dong Dong. Regulation and test methods of PAHs[J]. Rubber Science and Technology, 2015(7): 43－51. (in Chinese with English abstract)

[40] 杨巧珍，钟金魁，李柳. 生物炭对多环芳烃的吸附研究进展[J]. 环境科学与管理，2018，43(5)：60－63. Yang Qiaozhen, Zhong Jinkui, Li Liu. Advances in polycyclic aromatic hydrocarbons adsorption on biochar[J]. Environmental Science and Management, 2018, 43(5): 60－63. (in Chinese with English abstract)

[41] 孙璇. 不同作物原料生物质炭对多环芳烃芘的吸附特性及其改性研究 [D]. 南京：南京农业大学，2014. Sun Xuan. Adsorption of Pyrene in Solution by Biochars Produced from Different Crop Feedstock and its Modification[D]. Nanjing: Nanjing Agricultural University, 2014. (in Chinese with English abstract)

[42] 杨基峰，应光国，赵建亮，等．黑碳对污染物环境地球化学过程的影响[J]. 生态环境学报，2008，17(4)：1685－1689． Yang Jifeng, Ying Guangguo, Zhao Jianliang, et al. Advance in research on the influence of black carbon on the environmental geochemistry processes of environmental contaminants[J]. Ecology and Environment, 2008, 17(4): 1685－1689. (in Chinese with English abstract)

Physical and chemical properties and product quality evaluation of biochar from typical agricultural residues

HuoLili1, Yao Zonglu2※, Zhao Lixin1, Meng Haibo1, Cong Hongbin1, Li Lijie1, Yuan Yanwen1, Liu Guanghua3

(1.100125; 2.100084; 3.067000,)

Biochar can repair soil, replace fossil fuels, and adsorb environmental pollutants. Biochar helps to reduce greenhouse gas emissions and prevent environmental pollution. Its application value is very large and its use range is wide. At present, there are problems such as large differences in quality of straw-based biochar products, inconsistencies in characteristics and test methods. This paper systematically studied the quality requirements of biochar at home and abroad. The research put forward the biochar evaluation index system of fertilizer application, energy carbon, activated carbon and other application directions. Focusing on straw biochar, the study analyzed the meanings and influencing factors of physical, chemical, thermochemical, surface chemistry and toxic pollutants. The results showed that the content of C element in straw biochar was generally higher than 40%, and the pH value was alkaline, generally 7.0-10.3. Straw biochar contained a certain amount of nutrients and could be used as a fertilizer supplement, but it was necessary to prevent the risk of heavy metals exceeding the standard. The straw-like biochar had a calorific value of 20-30 MJ/kg, a fixed carbon content of 40%-61%, and a volatile content of <20%, which was close to the medium and low volatile bituminous coal, could be used as an energy carbon application. The straw biochar had high alkali metal and chlorine content, low ash melting point, so it needed to prevent slagging and corrosion problems. The specific surface area of straw biochar was <500 m2/g, the pore size distribution was concentrated near mesopores, and the CEC value was <50 cmol/kg. The most important functional group on the surface of biochar was oxygen-containing functional group, and the number of basic functional groups was average, which was greater than the number of acidic functional groups. Biochar had a large specific surface area, a rich surface pore diameter, and a certain adsorption property, which could be used for activated carbon. The contents of toxic pollutants PAHs, PCBs and PCDD/Fs in biochar were below the limits. Biochar had a stable structure, which was conducive to carbon fixation, and it had rich surface pore structure and strong adsorption, and it can prevent environmental pollution and reduce greenhouse gas emissions. The research put forward the biochar quality evaluation index and index range requirements for fertilizer application, energy carbon, activated carbon and other application directions, and recommended the measurement standards of the corresponding indicators. The number of indicators was: fertilizer carbon included 21 items, energy carbon included 19 items, and activated carbon included 7 items. It was recommended to develop biochar quality evaluation and grading standards as soon as possible to provide technical support for promoting the multi-value and high value utilization of biochar products, and further accelerating the industrial application of biochar.

biomass; biochar; physical properties; chemical properties; product quality; test methods

2018-12-23

2019-06-28

现代农业产业技术体系专项资金资助（CARS-02）

霍丽丽，高级工程师，主要从事生物质资源开发利用研究。Email: huolili666@126.com

姚宗路，研究员，主要从事生物质资源开发利用研究。Email：yaozonglu@163.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.16.028

TK6

A

1002-6819(2019)-16-0249-09

霍丽丽，姚宗路，赵立欣，孟海波，丛宏斌，李丽洁，袁艳文，刘广华. 典型农业生物炭理化特性及产品质量评价[J]. 农业工程学报，2019，35(16)：249－257. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.16.028 http://www.tcsae.org

Huo Lili, Yao Zonglu, Zhao Lixin, Meng Haibo, Cong Hongbin, Li Lijie, Yuan Yanwen, Liu Guanghua. Physical and chemical properties and product quality evaluation of biochar from typical agricultural residues[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(16): 249－257. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.16.028 http://www.tcsae.org