1.生物炭的应用领域
(1)生物炭的环境效应
随着低碳经济和可持续发展理念的提出和实施,气候变化问题不
容小觑,而COZ等气体的排放所造成的温室效应也成为全世界的环境
难题。制备生物炭的生物质来源广泛,易集中处理,低污染,可再生,
应用潜力巨大。Lehmann曾指出,植物光合作用吸收的CO2会转变为
碳水化合物来储存,经过热解处理后得到的生物炭再重新施与土壤中
会起到固碳的作用,这种循环可以称为一个净的“负碳”过程,可以
有效缓解全球气候变暖问题[34]
除此以外,生物炭因其自身的特殊性能还常常被用于水质净化,
污水处理,废气处理等环境领域。如生物炭常被用于脱硝脱硫工艺中,
通过吸附作用有效去除二氧化硫及氮氧化物等污染物。
(2>生物炭的农业效应
己有研究发现,农林业废弃物通过热解炭化制备成生物炭并以
土壤改良剂的形式重新施与土壤,可以起到改善土壤环境,增加土壤
肥效,提高农作物产量,并修复土壤的效果,若能运用于实际中,能
极大的促进土壤的可持续利用和农业的绿色发展。
生物炭含有丰富的矿质元素,施加到土壤中可提高土壤中P,K,
N,Mg,Ca,N等元素的含量,尤其是畜禽粪便生物炭对贫瘩土壤的
养分补充效果非常明显。生物炭的石灰当量值较大,因此施与土壤中
能与石灰有同样的作用,通过提高土壤碱基饱和来降低可交换铝水平,
而酸性土壤的pH值也可以通过生物炭对土壤质子的消耗作用来完成
[35-37],进而改良酸性土壤养分的有效性。生物炭自身的高碳含量,
不但可以增加土壤中的有机碳,还可以一定程度的提高土壤中有机质
的含量,外加它本身就具有一定的吸水能力,因此,能大幅度的提升
和改善土壤整体的养分吸持容量和持水能力。在土壤保肥方面,生物
炭因其自身的特殊性质具有较高的吸附能力,阳离子交换量(CEC)和
化学反应性,因此,常起到肥料缓释载体的作用,通过延迟和缓冲土
壤中肥料的释放来提高其利用率[[38,39]。同时,生物炭的水肥吸附
作用及孔隙结构能有效的改善土壤微生物环境,
为有益微生物的生存提供良好的栖息环境,促进其种群的繁硝和
活性的保持[40-42]
(3)生物炭的能源效应
化石能源作为人类文明进步和社会发展所依赖的主要能源
结构,因为不可持续性和人类的巨大消耗使其逐渐走向枯竭。能源危
机也因此成为全球高速发展的限制性因素,如何探索和发现新型替代
能源己是燃眉之急[43]。生物炭作为一种可再生碳源,燃烧性能好,
热值高,清洁,无污染,因而具有极大的开发潜力。我国每年秸秆产
量有七亿吨,制成生物炭具有的热值高达亿吨,价值折合Ig00亿元
人民币,可填补我国燃煤缺口的一半以上,可应用于农村分散供热,
供暖以及城市集中供暖,发电等,有效调整我国能源结构,为绿色可
持续发展提供新型起步点和着眼点。除此以外,生物炭制备过程中获
得的混合气和生物油以蒸汽催化的方式进行重新整合收集后可得氢
气副产品,作为一种新原料和能源被用于合成氨等其它方面与领域
[44]。而生物油也可升级加工为工业化学品,和化学还可进一步精炼
得到生物柴油燃料。因此,生物炭制备过程中所产生的生物能源品可
在一定程度上缓解化石能源的压力,并从总量上减小了化石原料的碳
排放量。
(1)在污水处理中的应用
生物炭的多孔结构及高比表面积使其与活性炭类似,可以用于环
境中的污染物的吸附剂(BeesleyL,etal.,2010;BeesleyL,
etal.,2011;ChenX,etal.,2011;IppolitoJA,etal.,
2012a)。目前,己有很多研究使用废弃物制成的生物炭来去除水中的
污染物,并且对多种污染物都有显着的吸附效果(CaoXD,et
al.,2009;ChenX,etal.,2011;DongX,etal.,2011;Ippolito
JA,etal.,2012a;QiuY,etal.,2008;UchimiyaM,et
al.,2010)。生物炭在污水处理方面的应用主要包含两个方面,即
有机污染治理和无机污染治理。有机污染物主要包括染料、酚醛树脂、
农药、芳烃以及抗生素等,无机污染物主要包括阳离子和阴离子。Chen
等(ChenX,etal.,2011)报道了由硬木和玉米秸秆制备的生物炭
对Cu和Zn有很强的吸附性,分别高达和mg/goKlasson等使用杏
仁壳生物炭吸附水中的二嗅氯,其比表面积可达到344m2/g,最大
吸附量为102mg/g(KlassonKT,etal.,2013)oCao等(CaoX
D,etal.,2009)研究表明在2000C条件下由牛粪制得的生物炭
优于市售活性炭,可以有效地去除水中的铅和萎去津,对铅的吸附可
达680mmolPbkg-1,在铅和萎去津共存的情况下,竞争吸附很小,
Pb在富含磷酸盐和碳酸盐的环境下形成了矿物沉淀因而降低Pb在溶
液中的有效性。Uchimiya等将Cd,Cu,Ni,Pb的固定归因于阳离子
交换和二电子基团(C=C)(UchimiyaM,etal.,2010)o
氧化还原反应也可能在吸附过程中发生,如使用甜菜根生物炭去除
Cr}OL)的实验中,Cr(OI)会被还原成Cr(III),并与生物炭发生鳌合
(DongX,etal.,2011)。
(2>在土壤改良中的运用
生物炭具有化学和热稳定性,可以持久保存在土壤中不被矿化。
在土壤中施加生物炭后可以改良土壤的酸碱度,并能提高土壤的持水
能力、养分含量和阳离子的交换能力,农作物的产量也得到了提高。
首先,生物炭可以提高土壤的pH值、改善土壤的质地并增加盐基交
换量,使得土壤的CEC增加(HossainMK,etal.,2010;LairdD,
etal.}2010;VanZwietenL,etal.}2010)。同时,生物
炭含有大量的可以增添离子交换点位的经基、梭基和芳环结构等基团,
从而可以对植物吸取营养元素产生影响(WoodsWI,etal.}2009)。
此外,生物炭还可以有效地对土壤中的营养元素循环起到调节作用,
借此提高土壤的持水能力和供水能力(ChenY,etal.}2010;
LairdDA,2008),通过减少水溶性离子的迁移性而防止营养元素
的流失,使其在土壤中可以缓慢而持续地释放,从而对肥力进行保持
(WoodsWI,etal.}2009),若再与其它肥料搭配施用,会使得作
物具有更好的增产效果(GlarB,etal.}2002)。生物炭拥有
多孔性结构和较大的比表面积,这可以增强微生物的存活能力,调控
土壤微环境以改善土壤。最后,生物炭可以转变有毒元素的存在形态
来减小其危害,有助于植株正常发育。研究表明(CoxD,etal.}
2001;TopoliantzS}etal.}2005;VanZwietenL,et
al.}2010),生物炭的施加能增大土壤pH值,并且可以降低重金
属的交换态含量,提高植物营养元素的利用性,导致植株生长的促进。
C3)在碳库中增汇减排
温室气体排放增多、自然气候变化异常等环境形势日趋严峻,温
室气体减排己成为各国面对的挑战之一。研究表明,大气中的碳素含
量持续升高的原因主要为土地的大量利用导致土壤碳汇损失(LalR,
2004)。作为稳定富碳的物质,生物炭的制备和保存均可以对碳素成
分进行固定避免进入大气中,这便十分有效地发挥了土壤碳汇的作用,
其减排机理主要有可以稳定固定碳素、与土壤中矿物形成团聚体以降
低分解(陈小红,等,2007;潘根兴,等,2007),降低土壤中有机碳
的矿化水平(潘根兴,等,2000,2007)以及对土壤中释放的其它温室
气体如NOX,CH4等进行调节(RobertsKG,etal.,2010;Yanai
Y,etal.,2007)。这可以对气候变化以及全球热辐射的平衡起
到一定的积极作用(KuhlbuschTA,1998;LehmannJ,etal.,
2006)。
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