生物炭吸附性能的影响因素及其在土壤中的应用

张旭 钟舒怡 黄粤林 彭建伟

摘要 生物炭是通过高温热解处理制得的一种固体炭质材料，主要由碳元素组成，具有坚固、稳定和高孔隙度的特点。目前，生物炭可应用于水体中重金属和有机污染物的治理，以及土壤pH调节、土壤改良、碳封存、污染治理和农业生产增效等方面。本文综述了影响生物炭吸附性能的因素，以及生物炭在土壤中的应用，并对其在土壤中更加合理的应用做出展望。影响生物炭吸附性能的主要因素包括原料种类、热解温度、热解时间、pH、使用剂量和改性方法等。生物炭在土壤中的应用主要包括改善土壤理化性质、吸附土壤中重金属和有机物污染物、提供营养元素和促进植株生长等。

关键词 生物炭；吸附；重金属；有机污染物；土壤

中图分类号 X53；TQ424.1   文献标识码 A

文章编号 1007-7731（2024）10-0070-08

Influencing factors of biochar adsorption properties and its application in soil

ZHANG Xu    ZHONG Shuyi    HUANG Yuelin    PENG Jianwei

（College of Resource， Hunan Agricultural University， Changsha 410128， China）

Abstract Biochar is a kind of solid carbon material produced by high temperature pyrolysis， mainly composed of carbon elements. It possesses characteristics of being sturdy， stable， and having high porosity. Currently， biochar can be applied to the treatment of heavy metals and organic pollutants in water bodies， as well as in soil for purposes including pH regulation， soil improvement， carbon sequestration， pollution control， and enhancement of agricultural production. The factors affecting the adsorption performance of biochar and the application of biochar in soil were reviewed， and the more reasonable application of biochar in soil was prospected. The main factors affecting the adsorption properties of biochar include raw material type， pyrolysis temperature， pyrolysis time， pH， dosage and modification methods. The application of biochar in soil mainly includes improving the physical and chemical properties of soil， adsorption of heavy metals and organic pollutants in soil， provide nutrients and promote plant growth， etc.

Keywords biochar; adsorption; heavy metals; organic pollutants; soil

農业耕作过程中土地资源利用、农药化肥施用，以及生活废弃物排放等因素都可能会影响土壤质量[1]。一方面，耕地质量降低可能会导致耕地难以充分利用，进而使农作物减产或绝收；另一方面，一些污染物具有毒副作用，进入人体后可能会影响身体健康。土壤污染的主要类型有重金属污染、农药和化学物质污染、石油和石油产品污染等[2-3]。近年来，污染土壤的修复问题备受关注。目前，土壤修复以物理修复、化学修复、生物修复和综合修复技术为主。其中，化学修复中添加生物炭进行土壤修复的技术在近年来受到了广泛关注。

生物炭是利用废弃生物质，例如作物秸秆、畜禽粪便、生活垃圾或有机物在限氧条件下热裂解生成的一类高度芳香化的富碳固态物质[4-5]，具有独特的多孔结构、稳定的物理化学性质及特殊的电化学性质，并且生物炭表面的官能团和极性与其吸附—降解污染物有着密切的相关性[6-7]。基于以上特点，生物炭常被制作成土壤改良剂，用来吸附土壤中的污染物质或者改善土壤理化结构。生物炭的吸附性能与其原材料、热解温度、热解时间及热解时的空气含氧量等有关，不同的热解条件会使生物炭表面积、比表面积、孔隙结构、官能团和相关的物理化学性质有较大的差异。

有关生物炭的用途及发展前景引起了学者的积极讨论，目前对引起生物炭吸附污染物性能不同的影响因素有待进一步探讨。探究影响生物炭吸附性能的因素有助于提高生物炭在土壤改良中的利用率，使生物炭在土壤改良中的应用更具有针对性。本文结合生物炭相关研究成果，综述了引起生物炭吸附性能差异的因素及生物炭在土壤中的应用，为生物炭在土壤中的应用提供参考。

1 生物炭吸附性能的影响因素分析

生物炭是由生物质材料在高温条件下热解，最终形成具有复杂孔隙结构的固碳物质。在此过程中，生物炭的原料种类、热解温度和热解时间等都可能会影响生物炭的形成，并且pH、剂量和改性方法也会影响生物炭的吸附性能。深入探究生物炭的热解条件及其他影响因素，以更好地应用生物炭吸附不同污染物和改善土壤结构。

1.1 原料种类

生物质材料的组成包括木质素、纤维素、半纤维素及各类矿物质等，相比于纤维素和半纤维素，木质素更稳定，热解后产物中的芳香族含碳量也较高，完全热解后的产物更稳定[8]。Wijitkosum[9]在对玉米芯、稻壳和木薯根茎3种农业废弃物及雨树和刺桑2种木材废弃物所制成的生物炭的研究中发现，以木材废弃物为原料制备的生物炭，其纤维素和木质素含量高于3种以农业废弃物为原料制备的生物炭，其理化性质与元素组成也存在差异，但5种生物炭的孔隙结构相似，均具有一定稳定性，可以在土壤中保持较长时间。Chaudhary等[10]研究了甘蔗渣、茄子茎和柑橘皮等不同类型城市生物废弃物生产的生物炭对水溶液中重金属离子铅（Pb）、铜（Cu）、铬（Cr）和镉（Cd）的吸附性能，结果表明，甘蔗渣和茄子茎衍生的生物炭对水溶液中Cu（99.94%）、Cr（99.57%）和Cd（99.77%）的去除效率更高，而柑橘皮生物炭对水溶液中Pb（99.59%）和Cu（99.90%）的去除效率更高，并且与源自柑橘皮的生物炭相比，源自甘蔗渣和茄子茎的生物炭具有更多的极性官能团和更低的疏水性。Zhang等[11]研究发现，在以稻壳和紫荆秸秆为原料热解生产的生物炭作为吸附剂去除Cd和（或）Pb的单一和竞争溶液中的重金属离子时，紫荆生物炭的吸附能力较强，同稻壳生物炭相比，紫荆生物炭具有更高的阳离子交换量（CEC值），在一定程度上增加了其生物炭表面的交换活性位点，从而促进了其与Cd或Pb的结合；紫荆生物炭比稻壳生物炭具有更多的微孔结构，这可能增加了紫荆生物炭的吸附位点。吴浩然等[12]研究了6种原料制成的生物炭对吡虫啉、噻虫嗪和呋虫胺3种新烟碱类农药的吸附能力，发现在相同温度（700 ℃）热解下，玉米秸秆生物炭、小麦秸秆生物炭和杨树枝生物炭的吸附效果较好，其中玉米秸秆生物炭吸附性能最佳，其原因可能与其自身的疏水性、孔填充和π-π键等相关。由于不同原料的相关组成成分不同，原料在热解过程中具有不同的物理性状和化学性质，具体体现在孔隙大小、孔隙结构、比表面积、官能团和元素含量等指标上，进而导致了不同生物炭对不同污染物的吸附水平存在差异。因此，实际应用中面对不同的污染物需有针对性地选择合适的生物炭进行处理。

1.2 热解温度

生物质热解是一个复杂的化学反应过程，通过加热生物质，将其分解为气态、固态或液态物质，最终形成稳定的碳骨架。整个反应过程包含脱水、脱羧、分解和还原等步骤，生物炭在此过程中具有不同的理化性质[13]。生物炭的性能受多种因素影响，包括热解反应装置、生物质种类、粒径、热解方式和熱解温度等。其中，热解温度会明显改变生物炭的性质，从而改变生物炭的吸附能力。研究表明，生物炭与重金属离子之间的阳离子交换和络合作用是生物炭吸附Pb、Cu等重金属离子的主要吸附机理，而升高热解温度会增加生物炭的阳离子交换量和无机矿物灰分，增强其对重金属离子的交换和络合能力，从而提高生物炭对重金属离子的吸附效果[14-15]。Zhang等[16]探究了以牛粪为原料在不同烧制温度下产生的生物炭去除水中四环素的应用效果，发现生物炭的H/C、O/C和O+N/C比值随着热解温度的升高而降低，即生物炭的芳香性、疏水性增强，极性降低，并且随着热解温度的升高，生物炭的比表面积增大、孔隙分布变好；含氧官能团和脂肪族官能团的含量随着热解温度的升高而降低，形成了相对稳定的芳香结构，这些因素都可能提高了其吸附性能。然而，热解温度过高也可能导致生物炭的热值下降或孔隙结构塌陷，从而影响生物炭的质量和应用效果。Li等[17]研究发现，当热解温度提高到600 ℃时，磁性生物炭的比表面积和孔隙体积最大，对苯甲醚和苯酚的吸附能力最大；当热解温度从600 ℃升高到800 ℃时，磁性生物炭部分孔隙可能被堵塞，吸附能力变弱。大部分生物质经高温热解后所形成的生物炭的表面积、比表面积、孔隙数量和孔隙大小等都会增加，但是在某些特定情况下，例如烧制工艺和原材料的差异，可能会产生不同的结果。因此，在生物炭的生产过程中，需要根据具体原料和生产要求来确定适当的热解温度，以保证生物炭的热解质量和性能。

1.3 热解时间

热解时间对生物炭的影响主要体现在生物炭的炭化程度和性质上。热解时间较长可能会导致生物炭中挥发性物质进一步挥发，使得生物炭中固定碳的含量增加，热值提高。此外，热解时间的延长也可能使生物炭中的孔隙结构更加完善，扩大了生物炭的比表面积和增强其吸附性能。Zhang等[18]发现通过控制热解时间，在400 ℃下以MgCl2·6H2O和大豆秸秆为原料合成镁改性生物炭，与反应0.5 h相比，1和3 h反应下合成的生物炭对Pb2+/Cd2+的吸附量分别提高了38.65%/213.29%、44.57%/230.36%，对Pb2+/Cd2+的选择性系数分别提高了113.28%/209.49%、213.58%/253.62%。Da Fonseca等[19]研究发现，随着热解时间的增加，甘蔗渣所形成的生物炭的表面积增大，从而增加了生物炭的内部孔隙，提供了更多的吸附点位，增强了其对亚甲基蓝的吸附效果。但是长时间暴露在高温环境中，可能会导致生物炭矿物盐酸盐的流失，减少对Cu+和Pb+的络合，从而降低吸附效果[20]。因此，在生物炭的制备过程中，需要综合考虑热解时间对生物炭性质的影响，以实现对生物炭性能的有效调控和优化。

1.4 pH值

pH值是影响生物炭吸附性能的重要因素之一。生物炭表面带有一定数量的官能团，其中酸碱性官能团可以影响其表面电荷特性，从而影响其吸附性能。在不同的pH值条件下，溶液中的溶质或离子会呈现不同的电荷状态，从而与生物炭表面的官能团发生不同的相互作用。Wei等[21]评估了在不同pH值的土壤中施用生物炭对Cd组分的响应，发现在不同pH值的土壤中，生物炭对Cd的钝化效果存在差异，Cd组分变化在酸性土壤中较为明显。Kim等[22]发现随着pH值的升高，巨芒草生物炭对溶液中磺胺噻唑的吸附量逐渐降低，其原因可能是在酸性条件下，磺胺噻唑表面的氨基质子化，与生物炭表面的官能团形成了π-π键。Fidel等[23]发现随着溶液pH值的升高，生物炭对[NH+4]的吸附增加，对[NO-3]的吸附减少。溶液pH值对生物炭吸附性能的影响是进行生物炭吸附试验和优化应用过程中的重要考虑因素之一。根据具体的应用需求和污染物性质，可以合理调控pH值，以优化生物炭的吸附效果，提高生物炭在水处理、土壤修复等领域的应用效率和效果。

1.5 施用剂量

生物炭的施用剂量是影响其吸附污染物效果的因素之一。一般来说，增加生物炭的施用量可以提高其吸附污染物的能力，因为更多的吸附位点和表面积可提供更多与污染物相互作用的机会，从而提高吸附效率。Mielke等[24]研究了施用不同剂量的甘蔗秸秆生物炭对土壤中赛克嗪的吸附效果，发现增加使用剂量后，生物炭对土壤中赛克嗪的吸附量明显增加。Albert等[25]通过Meta分析法分析相关文献，发现施用较高含量的生物炭，植株茎部和根部重金属含量的降低幅度较大，原因可能是高施用量的生物炭为土壤提供了更多的有机质，重金属离子与溶解有机质的络合作用促进了重金属离子在土壤植物系统中的流动性和有效性，从而减缓了重金属离子对土壤和植株的毒害效应。实践中，生物炭施用剂量的增加可能伴随着一些其他影响：当生物炭吸附位点饱和时，继续增加生物炭使用量可能不会明显提高吸附效果，还可能增加成本，同时对环境造成一定影响，例如生产能源消耗、碳排放等。因此，需要考虑生物炭的生产与应用过程对环境的综合影响。在实际应用中需要进行经济性评估，并权衡吸附效果和使用成本。

1.6 改性方法

生物炭的表面功能化改性是通过在生物炭表面引入或修饰功能基团，以改变其化学性质、提高其吸附选择性和效率的过程。常见的生物炭改性方法包括物理改性、化学改性和金属改性等[26]。物理改性是通过改变生物炭的形貌或表面特性来提高其吸附性能。常见的物理改性方法包括通过CO2或水蒸气对生物炭进行改性等，这些方法可以改变生物炭的孔隙结构和表面性质，提高其吸附能力和选择性。化学改性是通过在生物炭表面引入化学官能团或化合物来改变其表面化學性质，从而提高其对污染物的吸附效果[27]。常用的化学改性方法包括氧化、硝化、硫化和硅化等，这些方法增加了生物炭表面的活性位点，提高了生物炭的吸附容量和选择性。金属改性是将金属附着在生物炭的表面，通过物理吸附和化学吸附的协同作用对污染物进行吸附。Tan等[28]研究发现，在热解玉米秸秆后通过Mn改性，可以提高生物炭对Cd2+的吸附能力，并且吸附能力优于未经过修饰的原始生物炭。Kushwaha等[29]探究了花生壳生物炭和改性花生壳生物炭对砷（As）的吸附效果，对比发现经KMnO4改性和KOH改性后，花生壳生物炭中小孔隙重新排列成大孔隙，增加了孔隙体积和比表面积，提供了更多的吸附点位，并且KMnO4和KOH改性成功地引入了含氧活性官能团，改性后的花生壳生物炭对As的吸附能力提高。Liu等[30]使用十六烷基三甲基溴化铵改性的稻壳生物炭处理水中的2，4-二氯苯酚，试验发现改性后的生物炭含有大量亲疏水基团，与未改性生物炭相比，其吸附能力增加。Li等[31]使用KOH溶液对马铃薯茎叶生物炭进行改性，相比未改性生物炭，改性生物炭具有更大的孔隙结构，同时表面含氧官能团减少，表面疏水性增强，对环丙沙星的吸附能力增强。研究发现，添加少量铁元素后，铁元素负载在生物炭上，使生物炭的比表面积和孔体积增大，表面粗糙，增加了生物炭的吸附位点，并且改性后生物炭表面附着有Fe0或Fe氧化物，可与沼液中的氮、磷发生反应，浸渍处理对生物炭中有机官能团的形成和结构影响不大，反而过多的铁元素可能会堵塞孔，降低其对污染物的吸附能力[32]。除了较为热门的化学改性和金属改性，也有在热解时通入高温气体，在生物炭上接种微生物等改性方法[33-34]。通过改性处理，生物炭的性能和应用领域得到了扩展和提升，具有更广泛的应用前景和潜力，继续探索改性生物炭的新应用领域和开发新的改性方法，有助于进一步扩大其应用范围。

2 生物炭在土壤中的应用分析

生物炭作为一种多功能性的土壤修复材料，在农业与环境领域受到越来越多的关注与应用。生物炭源自有机生物质的高温热解过程，具有孔隙结构丰富、含有有机物质和吸附能力强等特点，在土壤中的应用多样且广泛。生物炭可以改善土壤结构，增加土壤孔隙度和通气性，有助于提高土壤保水保肥性能；可以调节土壤的酸碱度，维持适宜的pH值范围，为作物生长创造良好的外界环境；含有丰富的有机物质和微量元素，能够为土壤补充养分，减缓养分流失，提升土壤肥力；含有的养分物质有益于土壤微生物的生长和活动，促进植物根系的生长和养分吸收；具有出色的吸附性能，可吸附土壤中的重金属、残留农药等有害物质，减少对植物的毒害；具有稳定性好且能储存有机碳，有助于减少土壤中的碳排放，降低温室气体排放。生物炭在土壤中的应用主要有以下几个方面。

2.1 改善土壤理化性质

生物炭在改善土壤理化性质方面有诸多益处。生物炭通过调节土壤的有机质含量、养分含量、理化结构、pH值、水分保持能力和微生物活动等方面，有效地改善土壤的理化性质，提高土壤的肥力和生产力，可作为土壤改良剂改善酸性土壤和盐碱地等。Kuo等[35]进行了为期42 d的土柱试验，发现生物炭的施用提高了土壤pH值和有机碳、[NH+4]-N、[NO-3]-N及可用P浓度，有效地保留了土壤中的水分，并抑制了上述养分和可溶解有机碳的浸出。Yan等[36]向盆栽土壤中分别加入竹子生物炭质炭和水稻秸秆生物质炭，发现盆栽土壤的有机碳、pH值、总磷、[NH+4]、[NO-3]以及速效钾、钙、镁含量均有所增加，并随着生物炭用量的增加而增加。Song等[37]在为期2年的试验中发现，在石灰质土壤中添加玉米秸秆生物碳后，土壤有机碳、总氮、溶解性有机碳、总溶解氮、有效磷和钾的含量明显增加，土壤微生物的生物量碳氮呈先升高后降低的趋势，玉米秸秆生物碳的施入不仅增加了微生物的生物量，而且增强了土壤碳、氮和磷循环酶的活性。Li等[38]研究了玉米秸秆生物炭施用后大豆根际区土壤养分的变化，与初始土壤有机碳含量相比，施用生物炭后土壤的孔隙度增加，使土壤具有更大的孔隙结构，从而增加了土壤潜在含水量。施用生物炭后土壤中有机碳含量明显提高，为土壤提供了充足的碳源，土壤中[NH+4]-N含量明显提高，当生物炭用量为9 kg/m2时，土壤中[NH+4]-N含量最高，[NO-3]-N的变化趋势与[NH+4]-N相似。Zhang等[39]在滨海地区盐碱地使用通过球磨和红磷负载制备的一种新型生物炭，探讨了生物炭对土壤的改良作用，发现这种生物炭有着更大的比表面积、更多的P负载量和含P官能团，通过生物炭与可溶性盐离子之间的磷酸盐沉淀可明显降低土壤电导率和盐度，降低土壤pH值和碱度，并通过提高土壤有机碳含量、阳离子交换能力、土壤养分（如N、P、K）和土壤酶活性来提高土壤质量和肥力。生物炭中的矿物质和微量元素可能会影响土壤中的微生物种类、数量和活性，并且生物炭还可以作为一种新型材料负载微生物应用于农业环境中[34，40]。综上，生物炭具有良好的吸附性能和保水保肥性，可以增加土壤孔隙度，改善土壤结构，提高土壤通气性和水分保持能力，减少土壤侵蚀和水土流失，提高土壤肥力。此外，生物炭还可以促进土壤微生物群落的多样性和活性，有利于土壤生态系统的可持续发展。在农业生产中，应用生物炭可以有效提高土壤肥力，减少化肥施用量，降低环境污染。

2.2 吸附土壤重金属和有机物污染物

土壤中的重金属、有机物污染物进入生态环境中，尤其进入土壤中可能会造成土壤和地下水资源受到污染，甚至可能会进入食物链，影响人体健康。生物炭及其复合材料作为一种多用途的土壤修复，材料在近些年受到了广泛关注和研究。Cao等[41]研究了石榴皮生产的生物炭对含有Cu2+的土壤的修复作用，与原始土壤（14.99 mg/g）相比，生物炭改性后的土壤的吸附容量（29.85 mg/g）明显提高，表明生物炭改性的土壤具有较好的协同吸附能力。Kayiranga等[42]开展了柚子园土壤施加5%竹子生物炭试验，一年后有效吸附了土壤中的钛（Ti）元素。Gao等[43]将腐殖酸钠用木醋液酸化后负载到生物炭上，成功制备了改性生物炭即生物炭—腐殖酸材料，土壤中的镍［Ni（II）］离子通过物理化学吸附、静电相互作用、离子交换和协同作用被固定在生物炭上，并且木醋液通过引入更多的活性位点促进Ni（II）离子与生物炭更好地结合，从而增加了Ni（II）离子在改性生物炭上的吸附量。Li等[44]对比了小麦秸秆生物炭、牛粪生物炭和几种大分子有机质（纤维素、胶原蛋白、木质素和腐殖酸）对土壤中的类固醇雌激素残留物17β-雌二醇的吸附能力，结果表明，这几种物质对17β-雌二醇的吸附能力由强到弱的顺序为小麦秸秆生物炭>牛粪生物炭>腐殖酸>木质素>胶原蛋白>纤维素，究其原因可能是生物炭和大分子有机质的结构不同，吸附剂的芳香度越高、疏水性越强、极性越低，对17β-雌二醇的吸附容量越大。Wang等[45]使用碳酸氢钾作为致孔剂，通过热解法从生物废料中制备出一种新型多孔生物炭，用于去除污染土壤中的苯并芘，表现出良好的吸附性。生物炭及改性生物炭在吸附污染物中的应用如表1所示。

2.3 提供营养元素，促进植株生长

生物炭施入土壤后，其含有的有机质和微量元素会释放到土壤中被植株吸收利用，对植株的生长发育产生一定积极影响。Sipayung等[46]在茶园中施用生物炭后，增加了茶树茶叶的产量，生物炭的应用使弱生长区和正常生长区的茶叶增产了230%和130%。Calcan等[47]以葡萄藤蔓生物炭作为改良剂施加在强酸性土壤中，施加生物炭的处理组番茄株高、叶片数和植株直径比其他处理组高出50%以上，根系体积高出210%以上。Cong等[48]研究了新施用的生物炭和老化7年的生物炭对玉米生长生理的影响，结果表明，两种生物炭均提高了玉米的株高、生物量和产量，玉米叶片SPAD值、可溶性糖和可溶性蛋白含量也相应升高，而与植株抗逆性相关的丙二醛、脯氨酸、过氧化氢酶、过氧化物酶和超氧化物歧化酶等呈下降趋势。同时，研究表明，一次性过量施用生物炭会抑制玉米的生长，但在一定的时间内，这种抑制趋势会转变为促进趋势。Wang等[49]研究发现，施用过量的生物炭在一定程度上不利于菠菜的生长，并且相较于普通生物炭，酸改性的生物炭在促进菠菜生长上表现出更大的潜力。

3 结论与展望

影响生物炭吸附效果的因素主要包括原料种类、热解温度、热解时间、pH值和改性方法等。由于影响因素较多，调控和优化生物炭的吸附能力是一项复杂的工作。例如，同种原材料在不同温度下热解，热解时间的不同可能会对其吸附效果产生较大的影响；在面对不同的污染物时，同种生物炭的吸附性能可能也存在差异。因此，关于生物炭吸附性能的有待深入探讨，对于生物炭在实际应用中的效率、成本及对环境的影响等有待进一步研究。

在土壤应用方面，生物炭拥有广泛的应用前景。一是生物炭可以改善土壤的理化性質，提高土壤的保水保肥能力，增强土壤的固碳能力，有利于土壤生态系统的健康发展；二是生物炭可以吸附土壤中的重金属、有机物污染物等有害物质，减少其对作物生长的影响，从而提高农作物的产量和质量；三是生物炭可以作为土壤改良剂与肥料一同施用，实现多效结合，提高土壤肥力和作物产量。实践中，生物炭在土壤中的应用也存在一定的风险，对于生物炭的施用剂量、老化生物炭回收、使用成本以及对环境是否会造成不利的影响等需要持续关注、监测和探讨。

综上，本文综述了影响生物炭吸附性能的因素，以及生物炭在土壤改良中的应用。生物炭作为一种较为环保、可持续性的材料，具有优良的吸附性能和土壤改良效果，在环境保护、农业生产等领域都有着广阔的应用前景。未来，随着相关技术的不断发展和完善，生物炭在各个领域的应用将会越来越广泛，并为促进可持续发展做出更大的贡献。

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（責编：何 艳）