生物炭技术减污降碳耦合机制研究

郑庆福，翁 悦，蔡天宇，王洪波，梁吉兰

（内蒙古民族大学，内蒙古 通辽 028000）

1 生物炭技术概述

1.1 生物炭

生物炭（Biochar）是一种由生物质（如木材、农作物残蓏、动植物废弃物等）通过高温裂解（热解、气化）等过程制得的炭化物[1]。生物炭呈炭黑色，多孔结构[2]，表面积大[3]，具有质地轻、化学稳定性好[4]等特点。作为一种新型环保材料，拥有可再生、低排放、多功能等优点[5]，广泛应用于土壤改良剂[6]、环境修复和能源开发等应用领域，特别是在减缓气候变化方面，生物炭制备过程中，将生物质中的碳转化为稳定的炭黑结构，降低了CO2的释放，有助于减缓气候变化。同时，生物炭制品可以替代部分化石燃料，降低温室气体排放，是一种具有广泛应用前景的多功能材料，对环境保护、资源利用、农林产业等领域的减污降碳具有重要价值。

1.2 生物炭技术在环保中的应用

生物炭技术是将生物质资源（如农作物秸秆、林业废弃物、动植物废弃物等）通过热解等过程转化为生物炭的技术[7]，具有良好的环境应用前景[8]。在减污降碳领域可锁定较大量的碳，减少温室气体排放，减轻全球变暖效应[9]；可将有机废弃物资源化利用，减少生物质废弃物的堆积，降低火灾风险和病虫害发生概率[10]；可作为良好的吸附剂，吸附有害物质以及重金属，降低环境污染风险[11]。同时因其具有较高的热值，可用于生物质能源领域，如生物质发电、炭储能材料[12。总之，生物炭技术有助于实现生物质废弃物资源化利用，推动区域经济发展，发挥生态循环经济的引领作用，促进环保产业的发展，有利于节能减排[13]、改善环境质量、推进循环经济发展[14]。随着科技的进步，生物炭技术在环保领域将发挥越来越大的作用[15]。

1.3 生物炭技术在减少碳排放方面的重要性

生物炭技术对于减少碳排放具有重要意义[19]。

（1）具有碳汇功能。生物炭的制备过程中，能够将大量的生物质碳转化为稳定的碳结构，并能在土壤中长时间存储，从而实现碳的长期封存[20]。这种碳汇功能有助于减缓温室气体对全球气候变化的影响[21]。

（2）减少化石燃料消耗。生物炭作为一种可再生能源，可以替代一部分化石燃料，降低化石燃料消耗，从而减少化石燃料在燃烧过程中释放的温室气体。

（3）可与化肥混合使用[22]，间接减少化肥施用量和生产过程中产生的温室气体排放[23]。

（4）制备生物炭的过程中，会产生一定数量的可燃气体和油液。这些可燃物质可用作生物质能源。根据联合国气候变化框架公约相关报道，生物质能源在温室气体减排的作用占比已达9%～12%。

（5）生物炭技术可促进废弃物处理。现代社会产生了大量的农林废弃物、生活垃圾、畜禽粪便等生物质废弃物，生物炭技术可以将这些废弃物有效转化为高附加值的吸附材料[24]，从而降低处理废弃物过程中产生的温室气体排放。

综上可知，生物炭技术在减少碳排放中具有重要的作用。通过生物炭技术的发展和推广，实现碳循环和温室气体排放的减量化，并进一步提高生物质能源的利用率，从而达到可持续发展的目标。

2 生物炭的制备和应用

2.1 生物炭的制备方法及其影响因素

生物炭是一种由生物质炭化而成的固体材料，制备方法主要有水热法制备和热解法制备两种方法。

2.1.1 水热法制备生物炭

水热法制备生物炭是利用高温、高压水溶液将生物质分解为炭材料的过程[25]。制备流程包括生物质负载、反应、降温、离子交换、干燥等步骤。生物质粉末需要预处理，在一定温度下与金属催化剂（如氯化钠、氯化铜等）和稳定剂（如甘油、酒精等）混合后，通过反应釜进行水热处理。水热法制备生物炭的优点是操作简单、反应条件容易控制、炭材料具有高比表面积和特殊结构；不足是生产周期长、生产成本高、制备过程中存在溶液腐蚀等问题。

2.1.2 热解法制备生物炭

热解法制备生物炭是利用生物质在高温无氧或气体环境下热解转化为炭材料的过程[26]。加热过程中生物质会分解产生固体和气态产物[27]，固体产物催化乙烯生成烃和碳微球，生成的固体材料即为生物炭。热解法制备生物炭操作简单、反应速度快、成本低，但是制备过程中需要掌握合理的热解温度和时间，控制反应环境和生物质粒度等因素。

2.1.3 生物炭制备过程中的影响因素

在生物炭制备过程中，影响生物炭质量和性能的因素有很多[28]，主要包括以下方面。

（1）原料种类和性质。生物炭的质量和性能与原料的种类和性质有很大关系。不同种类的生物质在炭化过程中会产生不同的炭质和颜色，因此在选择生物质时应考虑炭化后的应用需求和目的。

（2）热解和水热反应条件。炭化过程中的反应条件对生物炭的质量和性能也有很大影响。热解法制备时，影响因素包括热解温度、热解时间、压力等；水热法制备时，影响因素包括反应温度、反应时间、稳定剂、催化剂等。在设定反应条件时需考虑原料种类、反应过程可能产生的有害气体排放等因素，尽量选择更环保、高效的制备方法。

（3）物料粒度和形状。在炭化过程中，生物质原料的粒度和形状也会对生物炭的品质产生影响。一般地，细粒度生物质更容易达到一定的炭化程度和高比表面积，有利于生产高质量的生物炭。

（4）处理方法和稳定剂。生物炭的质量也受制备过程中采用的处理方法和稳定剂的影响。选择合适的处理方法可提高生物炭的产率和纯度，而选择适当的稳定剂能优化生物炭的特性和减少其对环境的影响。

综上所述，水热法制备和热解法制备生物炭，均有其独特的优点和缺点，制备过程中需要考虑一系列因素，才能制备出高质量的生物炭。生物炭的广泛应用，将为生物质资源的可持续开发和环境保护提供强有力的支持。

2.2 生物炭的不同应用领域及效果

2.2.1 应用领域

2.2.1.1 农业领域

自然语言的动态语义很多。如Kamp, Heim等关于代词的复指解释，主要基于会话表达结构以获得对言语行为所做的修改的初创工作[1]。现存逻辑的“动态修正”中，一阶逻辑是对静态真值条件的尝试，但它也可以做赋值程序的模型，同时会涉及到变元和个体之间的转换关系。对于存在量词所涉及的真值条件：

（1）基于生物炭多孔性，能提供大量的微生物栖息地，从而改善土壤生物活性[29]。

（2）生物炭能增加土壤的营养保持能力和土壤保水、保肥性能，从而促进作物生长。

（3）生物炭可用于畜禽养殖领域，一些研究表明，将生物炭添加到动物饲料[30]中能提高动物的生长效率和健康状况[31]，同时还可以减少动物粪便的氨气排放，从而改善养殖环境和控制气味。

2.2.1.2 环保领域

由于吸附性强，生物炭在环保领域得到广泛应用。生物炭可作为净化剂进行废气和废水处理，吸附重金属和有机污染物等有害物质，有助于水源的保护；同时也能用于固体废弃物处理，实现资源化再利用。

2.2.1.3 能源领域

（1）在能源领域方面，生物炭的制作过程会产生一些副产品，如可燃气体和生物油等副产品可以作为燃料，替代化石燃料，为生物质能源开发提供一种可持续性的选择[32]。

（2）在碳封存方面，生物炭是一种有效的碳封存技术，能够帮助减少大气中的二氧化碳浓度。生物炭的生产过程实际上是将生物质中的碳转化为更稳定的形式，这种形式能够在土壤中存储数百甚至数千年[33]，从而有效减少二氧化碳排放。

在医疗领域方面，生物炭可用于制作药物吸附剂，吸附有毒物质和药物残留，减少药品对人体的副作用。生物炭有很多潜在的应用领域，但它的生产和使用也需要考虑到一些潜在的环境影响，如生物炭的生产可能会对生物多样性产生影响。

2.2.2 应用效果

近些年的研究结果表明，生物炭与化肥结合使用能够显著提高作物产量和品质；作为废气和废水处理剂，生物炭可以去除更多的有机和无机污染物，效果比传统吸附剂更好；作为能源，生物炭的燃烧特性比木材好，能够减少燃烧产生的污染物排放，同时也可有效消纳大量有机废弃物，减少环境的污染[34]。

3 生物炭技术的减污降碳机制

随着人类社会的发展和生产生活方式的改变，产生了大量的污染物，增加了温室气体的排放，给环境和气候带来严重的影响。为了解决环境和全球气候变化问题，各国政府和科学家们日益关注减污降碳的问题。近些年，生物炭技术成了一个备受关注的新兴领域，可以通过减少污染和封存碳来改善环境和对抗气候变化。

3.1 生物炭在减少污染方面的作用

生物炭是通过一系列热解和碳化过程中生产的碳质物质，具有独特的物理和化学性质。生物炭在环境修复和生态系统恢复中发挥了重要的作用，已经被广泛应用于污染物的吸附和降解[35-36]。生物炭具有高孔隙度和高比表面积[37]，可以吸附多种有害物质，如重金属、有机化合物、氮氧化合物[38]等。此外，生物炭还可以充当微生物的氧化剂和还原剂，为微生物生长和代谢提供能量和电子，促进有机物降解和氮氧化物还原。生物炭还可以调节土壤的pH值[39]，提高土壤肥力和抗逆能力。这些作用使得生物炭成为一种有潜力的污染物处理材料。

3.2 生物炭在碳封存方面的机制

生物炭可以通过碳封存来减少碳排放和对抗气候变化。生物炭的碳封存机制主要来源于生物炭独特的物理和化学性质，使其能够保持稳定和长期存在。生物炭比许多其他生物质更难降解，因此可以在土壤中存储数百年甚至千年。其次生物炭还可影响土壤生态系统，通过提高土壤有机质含量和微生物多样性，促进碳的固定。

3.3 关于生物炭减污降碳的理论研究和实证研究

近年来，生物炭技术受到了广泛关注和研究。许多研究表明，生物炭可以减少污染物的排放，同时可以封存碳[42]，进而降低温室气体排放[43-44]，改善环境和对抗气候变化[45-47]。各国政府和科学家们也在开展大量的理论研究和实证研究，以探索生物炭在减污降碳领域的应用和发展。在理论研究方面，主要是通过实验室研究和模拟模型来探究生物炭的作用机制和效果[48]。研究表明，生物炭可以吸附氮氧化物和重金属等污染物，可作为可再生材料替代人造吸附剂。此外，生物炭还可以长期稳定存储碳，并且对土壤结构和生态系统功能有积极的影响，促进土壤碳固定[49]和减少温室气体排放。在实证研究方面，主要是通过实地验证和案例研究来评估生物炭的应用效果和影响。例如，在土壤中添加生物炭可以提高土壤质量[50]、抗逆性和农产品质量，还可以用于废水处理和饲料添加等领域，降低肥料用量[51]。总之，随着环境问题和气候变化日益严重，生物炭技术在减污降碳领域的应用前景广阔。尽管目前仍存在一些技术问题，但随着技术的不断完善和推广，相信生物炭将会在多个领域发挥越来越重要的作用。

4 生物炭技术的优点及不足

4.1 优点

生物炭技术是有机物料的一种资源化利用炭化处理技术。有着广泛的应用前景和环境、经济、社会效益。在环境效益方面，生物炭在农业、环境等领域中的应用相对较为广泛[53]，例如可以用于改良土壤、污水处理、废水处理等环保领域，达到治理土壤酸化、改善土壤质量、提高水质的效果。在经济效益方面，生物炭的生产利用过程，能够将生物质材料等资源充分利用，不仅减少了生物质浪费，还能有效利用有机废弃物，变废为宝，增值利用，开创更多的经济价值。在社会效益方面，生物炭的应用与推广，有助于改善社会环境，减少废物污染[54]，促进社会的可持续发展，提高人们的生活质量，促进城乡可持续循环发展。

4.2 不足

生物炭技术还存在很多挑战和限制[55-57]。

（1）成本高，目前生物炭技术的生产成本还比较高，限制了其产业规模的扩展和产品的大规模应用。

（2）性能不稳定。生物炭的质量和性能受原料、生产工艺等多方面因素影响，具有较大的不确定性，这给其应用和推广带来了一定的压力。

（3）应用场景窄。生物炭的应用场景相对较窄，仅局限于农业、环保等领域，还需要进一步的技术研究和推广。

4.3 解决途径

为解决生物炭技术的挑战和限制问题，需从以下方面入手。

（1）技术研究。在生物炭制备和应用方面，需要加强技术研究，提高产品的质量和性能稳定性，降低生产成本等方面的技术门槛。

（2）市场营销。需要探索更多的生物炭应用场景，推广其在建筑、能源等领域的应用，提高市场占有率和营销力度。

（3）政策支持。鼓励生物炭技术的研究和发展，为其提供更多的政策支持和经济激励，推动其产业化和应用。

（4）行业标准。需要建立生物炭产业的行业标准，促进行业规范化和健康发展，为其推广和应用提供保障。

总之，生物炭技术具有广泛的应用前景和市场需求，但同时也面临着多重挑战和限制。解决这些问题需要多方联动，加强技术研究、市场推广、政策支持和行业规范化等方面的工作，大力促进生物炭技术的发展和应用。

5 生物炭技术的未来发展趋势

近年来，随着环境问题和能源危机的日益加剧，生物炭技术备受关注，生物炭成为一种绿色新材料[58]。

5.1 生物炭技术的研究方向

（1）可再生能源的使用和废弃物的资源化利用是未来生物炭技术的重要方向，主要包括林木枝丫、农作物秸秆、草木灰、生活垃圾、畜禽粪便等。

（2）原料预处理技术主要包括废弃物的筛选、清洗、破碎、干燥等处理步骤，以及生物炭的表面处理、化学修饰等工艺，是生物炭技术中关键的一环，合理的原料预处理可以提高生产效率、降低投资成本、提高成品质量。

（3）热解炭化工艺是将原料在高温下分解、脱除挥发物和水分，生成生物炭的过程。目前主要采用的炭化设备是固定床炭化炉和流化床炭化炉，其中流化床炭化炉具有炭化效率高、产品质量稳定等优点。

（4）活化处理[60]是将已经产生的生物炭在适当的条件下进行热处理，增加孔洞和表面化学官能团，提高其吸附性能和反应活性。活化处理主要分为物理活化和化学活化两种方式，其中化学活化具有比物理活化更高的活化效果和稳定性。

5.2 生物炭技术的潜在市场和应用

（1）生物炭在生态修复方面具有良好作用，如水分保持能力和改善肥力的功能，因此可广泛用于生态修复领域，包括土地修复、沙漠化治理、水体净化等方面，发挥了重要的生态保护和控制作用。

（2）在农业用途方面，生物炭可以加强土壤根系的附着力并增加土壤蓄水量，还可以提供有机质和微量营养元素，对于提高农业产量和粮食安全贡献巨大。已有研究证明，添加生物炭的培育基地在作物生长上具有显著的优势。

（3）在能源利用方面，由生物炭加工而成的活性炭等物质，可以作为高效的吸附剂广泛应用于空气和水的净化领域，生物炭还可以作为新型燃料用于生产电力、热水等，以及生产民用煤气等。

（4）在工业应用方面，生物炭可以作为催化剂、载体、填料和添加剂等，广泛应用于化工、环保、建筑、地质勘探等工业领域。

（5）生物炭具有很好的防火性能、隔热性能、耐高温性能等物理性能，可以作为建筑材料、涂料等产品的原料。

5.3 政策对生物炭技术发展的影响

近年来，国家对生物炭技术的研发和推广给予了高度重视，出台了一系列支持政策。

（1）经济和税收政策。政府通过财政资助、税收优惠等措施鼓励生物炭产业的发展，吸引更多的企业投入生产。

（2）科研资助政策。政府加大对生物炭技术在环境、能源、新材料等领域的研究和应用支持力度，致力于提高生物炭技术的研究水平和市场应用。

（3）环境和能源政策。政府倡导绿色能源和循环经济，大力支持生物质能源发展，推动生物炭技术在环境和能源方面的应用。

（4）国际合作和标准化政策。政府积极推动国际合作和标准化制定，加强与有关国家的合作交流，提高国际竞争力。

总之，生物炭技术是一种有着广泛用途和良好发展前景的技术，尤其是在农业生产、生态修复、环境净化等方面具有重要作用。未来，需要加强制度、资金等方面的支持，发挥技术优势，提高生产效率和产品质量，以满足国内市场和世界市场的需求。经过多年的积累和研究，生物炭将成为未来可持续发展的重要材料之一，推动全球生物质能源的可持续利用和保护生态环境。

6 结语

生物炭技术是一项新兴的环境技术。随着环保意识的提高和环境污染的加剧，生物炭技术的重要性和影响日益凸显，在解决有机固废、减少化石燃料的依赖、土壤改良、减轻面源污染、温室气体减排，实现低碳经济和应对气候变化具有重要作用。同时，生物炭技术还可以应用于水污染治理、铺路材料、建筑材料等领域，具有广泛的应用前景。然而生物炭技术的研究和应用也面临诸如运输成本、供应不稳定、价格波动、作用机制不清晰，未知风险和标准化等挑战和限制。未来，需要加强生物炭技术的研究和应用，推动其在环境保护、农业生产、能源利用等领域的发展，为环保做出积极贡献。