废物资源化制备生物质炭及其环保应用研究进展【字数：7450】
摘要：现如今，环境污染问题十分的严重，并且，农业生产也存在很大的困难，面对这些问题，资源化利用以及新型生物质炭的研究显得十分重要。很多研究表明，资源化制备生物质炭已经越来越受重视。据有关调查和研究发现：秸秆、果壳、蓝藻以及牛粪等人们眼中的废物都是制备生物质炭的原材料。生物质炭化后与木炭相似，具有耐降解，可提高土壤碳库容量，减少温室气体排放的效果。同时生物质炭具有很大的表面积，因此持水性、吸附性均较强。而且生物质炭的制备方法也有很多。生物质炭在很多领域都有着显著的作用，比如水处理、大气污染治理、土壤污染治理以及修复等等；同时，生物质炭在农业上也有很大的存在价值，而且生物质炭也成为一种新型的可再生能源进入工业世界。
关键词：生物质炭；环境治理；资源再利用。
前言
众所周知，活性炭已经在人们日常生活和工业生产中担任了一个不可或缺的能源的角色。近年来，林业部门颁布很多政策，如禁止乱砍滥伐、成材烧炭，目的都是为了保护森林资源，维持生态平衡，但是，这是措施导致了能源市场的供不应求。因此，生物质炭的制备就变得格外的重要。随着工业的不断发展，环境污染也变得越来越严重，尤其是水污染、大气污染和土壤污染。同时，我国是一个农业大国，农业生产与人们的生活息息相关。因此，废物资源化再利用制备生物质炭，并用此来治理环境，促进农业生产已经迫在眉睫。
本文较详细地介绍了生物质炭的性状、制备材料和国内外出现的制备方法，同时，利用蓝藻制备了一定量的生物质炭，并利用所制备得到生物质炭对艳兰有机溶剂进行吸附实验，得出生物质炭的吸附能力是很明显的。同时解读生物质炭在水处理、大气污染治理、土壤治理和修复上的应用。通过阅读文献，也在本文中归纳总结了生物质炭在农业生产的应用以及研究探讨其在环保领域的重大发展前景。
结果表明：果壳等废物都可以资源再利用，制备生物质炭，并且具有很好的吸附效果。而且利用蓝藻制备生物质炭时，适当的磷酸比例可以增加生物质炭的吸附效果，有了这种资源再利用的方式，生物质炭的制备变得更加的环保，而且环境也会变得越来越好。
第一章环境污染现状及其治理技术
1.1目前国内外环境污染现状
粗放式制造业的急剧扩张奠定了中国这样一个人口大国在世界工厂中不可撼动的地位。但是，当我国的人均GDP达到5000美金，相当于发达水平的时候，巨大的环境压力是我国不得不面对的问题[1]。
如果说四万亿年之前的环境污染问题只是个别的局部的现象，那么，现如今这个问题已经成为全国乃至全球性的问题了[2]。
单单就我国而言，距离最近的就是2012年冬天人们所经历的雾霾天气了，这一现象全面具体又直接的向人们展示了中国环境污染的严重性以及我国生态环境所存在的问题的严重性。
当清新的空气、清洁的水源、湛蓝的天空都成为人们的向往之时，我国环境污染问题的严重程度就可想而知了。
我国环境污染主要存在的现状是：污染范围广、污染程度高。其污染主要包括以下几个方面[3]。
水源：基于我国是一个人口大国，我国水资源总量丰富，但我国是一个人口大国，14亿人口使得我国水资源人均占有量少。仅仅只有世界平均水平的四分之一。虽然我国总体水量较多，但是三分之一的水资源是地下水，而且据有关报道显示，我国对多地的地下水环境做了检测，结果发现，只有百分之三的地下水是基本清洁的，剩余百分之九十三的都存在一定程度的污染，其中66%遭到了严重污染。
土壤：就目前而言，已经发现全国10%以上的耕种土壤面积受到了严重的金属污染，共计大约1.5亿亩。同时，还有大约3250万亩的耕种土地受到了污水的污染；由于固体废弃物的堆放和填埋所占用的土地已达到200万亩之多，而且大多数集中在经济发展比较发达的地区。耕种土地的污染所带来的直接损失就是粮食的减产，正所谓名以食为天，因此，土壤污染既损害了人民的利益，也带来了严重的经济损失。仅仅根据上述土地污染，损失就有200亿之多。
空气：空气是人类生存和发展所不可缺少的因素，就目前而言，听到的最多关于空气污染的话题就是温室效应、酸雨和臭氧层破坏三大话题。其中最主要也是最严重的莫过于PM2.5的严重超标，同时，由于现代生活水平的不断提高，私家车的普及导致汽车尾气在大气污染中也扮演了一个很重要的角色；含硫煤炭的燃烧也导致拍排放到空气中的二氧化硫含量较高，这直接导致我国酸雨现象的频发，主要集中在我国的华中、西南、华东地区[4]。据亚洲开发银行和清华大学最新发布的《中华人民共和国国家环境分析》报告，中国500个大型城市中，只有不到1%达到世界卫生组织空气质量标准[5]。
1.2环境污染治理技术及设备
1.2.1大气污染治理技术
具调查研究发现，目前最主要的空气污染物就是悬浮物颗粒度、二氧化硫、臭氧等。常见的大气污染治理技术吸收法、燃烧法、催化转化法、生物净化法等。现在应用最普遍的是吸收法，所谓吸收法就是将待排出的受污染的废气经过吸收塔，使其与塔顶上流下来的吸收液混合，同时，废气中的有害成分与吸收液的某些组分发生化学反应，减少排出气体中的有毒成分，降低对大气的污染程度[6]，这种方法之所以得到普遍的应用得益于其操作简单、投资成本少。
然而，随着科学技术的不断进步与发展，催化转化技术得到了很大的应用，尤其是在机动车尾气治理方面。随着生活水平的不断提高，机动车的数量也日益剧增，带来的最直接的现象就是汽车尾气污染。汽车尾气中含有大量一氧化碳和氮氧化物，这些都是造成全球变暖和酸雨的主要原因[7]。催化转化技术就是针对汽车尾气的排放，在尾气排放装置过程中添加催化器，使得尾气从气缸中排出后不是直接的排入空气中，而是进入催化反应器中，在催化剂作用下，将一氧化碳和氮氧化物氧化成二氧化碳和水，减少尾气中有毒有害气体对大气的污染[8]。
总体来说，我国在大气污染治理方面取得了一定的成效，但是仍然不可有所松懈，仍应继续开发和研究很多环保的技术方法来治理大气。
1.2.2水污染治理技术
水是生命之源，洁净的水资源对于人类的生存和发展起着很重要的作用，因此，水污染治理问题刻不容缓。目前水污染治理的技术有物理法、化学法和生物法，其中最常用的是生物法[9]。
常见的生物技术有好氧活性污泥法、生物膜法、厌氧处理法。所谓好氧活性污泥法就是利用含有大量好氧微生物的活性污泥，在强力通风条件下使污水净化的生物技术。
生物膜法则是一种以生物膜为净化主体的生物处理技术，该技术相比较活性污泥法而言，具有生物浓度大、动力消耗小等优点，但处理水质不如活性污泥法好，所以常将二者结合使用。厌氧处理法与好氧活性污泥法不同，该方法是在缺氧条件下，利用厌氧性微生物（包括兼性）分解污水中有机质的方法。虽然各项技术的应用原理有所不同，但是都有一个共同的目标就是治理污水，保护水环境[10]。
1.2.3土壤污染治理技术
众所周知，现如今，土壤的污染和破坏已经到了一个非常严峻的地步，如何治理和修复土壤成为当下不得不面对的问题。现有的土壤有机物污染治理技术有：物理治理技术、化学治理技术、微生物治理技术和植物治理技术。物理治理技术又包括挖掘填埋法和通风去污法。挖掘填埋法很常见，操作也很简单，不过费用昂过，而且未能从根本意义上达到清除污染物的目的，它只是将污染物进行了一次转移。通风去污法对有关石油泄漏导致的土壤污染治理十分有效，其去污原理是当污染物泄露后，能够使其在土壤中进行横向和纵向的迁移，考虑到有机污染较强的挥发性，因此该方法的实验选址比较有限，不过受污染的地区是无法迁移的，所以只有在改地区打井引发空气气流流经该区域。该方法去污效果较高，并且所耗费的成本不到挖掘填埋法的十分之一，治理速度却有5倍之快。化学方法又有化学焚烧和化学清洗法。法学焚烧法虽然能够达到去污的目的，但是在去除污染物的同时却破坏了土壤的物理性质，使得土地没有办法得到更好的利用。化学清洗法是指用一定的化学溶剂清洗污染物，使污染源从土壤中脱落出来，从而达到治理土壤的作用。微生物治理法有着物理治理法和化学治理法无法匹敌的优点，微生物治理法处理费用低，治理效果好而且处理方法操作简单，可以就地处理。总之，土壤污染日益严重，治理技术也在一天天的发展[11]。
1.3本论文研究内容及意义
宇宙之大，人们需要的是一片洁净的土地，一丝清新的空气，一口甘甜的清泉，一个美丽的地球家园。但是，从国内外的环境污染现状来看，地球家园已经遭受了严重的污染和破坏。保护环境人人有责，并且环境污染问题已经不是地方性问题，其已经上升为一个全球性的问题，越来越多的技术都被用于治理环境，可见，治理和保护环境刻不容缓。本论文主要研究生物质炭的制备以及其在环保方面的应用前景，主要包括其在大气污染治理、水污染治理、土壤污染治理以及农业方面的应用。制备生物质炭是一个废物资源化利用的过程，制备成本较低，资源利用率高，有很多的学术家已经开始探讨和研究生物质炭的应用前景，也有很多的制备生物质炭的实验在进行，本研究旨在探讨如何利用废物资源化的制备生物质炭及其吸附作用，进一步研究生物质炭在环保方面的应用，为环境保护作用一点绵薄之力。
第二章生物质炭的基本现状
2.1生物质炭的制备材料
在众多的污染治理材料中，生物质炭可谓是低碳经济下的首选，其制备材料多种，制备成本低，再生利用率高。从理论上来说，主要是含有碳元素的有机质都可以作为制备生物质炭的原材料，但是，从经济学的角度来看，用淀粉等生产制备生物质炭则成本太高，因此利用碳含量较高的固体废弃物例如秸秆、稻
草、林木采伐废枝、果皮、蓝藻、牛粪等作为原料制备生物质炭不仅避免了环境污染的问题，而且可以生产新的能源，是一种废物资源化的良好途径[12]。
植物类废弃物主要有秸秆、稻草、米壳、蓝藻、树枝，这些废弃物大多含有丰富的碳。目前，人们处理植物废弃物的主要方法就是燃烧，这不仅污染了空气，还浪费了资源。因此，可以用这些废弃物生产生物质炭，并对制成的生物质炭进一步利用，用废物资源化来保护环境[13]。
众所周知，2007年，我国太湖发生了蓝藻爆发事件，蓝藻污染导致饮用水出现严重匮乏，由此可见蓝藻污染已经成为人类无法逃避的问题。蓝藻的主要成分是碳水化合物、蛋白质和脂类，微藻类脂类含量较高，适合于生产生物燃料，而大分子藻类脂类含量较低，且繁殖速度非常快，因此可以用来制备生物质炭[14]。
另外，以沥青焦、煤沥焦以及氧化沥青为原料，采用KOH活化也可以制备高比表面积的生物质炭。
综上所述，目前的研究均以富含碳的物质，如秸秆、稻草。树枝、草、蓝藻等植物类废弃物，粪便、剩余污泥等有机质废弃物，在低氧环境下低温裂解后得到生物质炭。利用这些废弃物制备生物质炭，很大程度上避免了能源浪费，在当今能源危机的背景下变得非常有意义[15]。
2.2生物质炭的性状
生物炭是一种碳含量极其丰富的木炭。木材、草、玉米秆或其它农作物废物在低氧环境下，通过高温裂解制备得到生物质炭[16]。科学家们口中的生物炭是由植物形成的，以固定碳元素为目的的木炭。它的理论基础是：生物质，不论是植物还是动物，在没有氧气的情况下燃烧，都可以形成木炭。生物炭是一种经过高温裂解加工过的生物质[17]。裂解过程不仅可以产生用于能源生产的气体，还有碳的一种稳定形式–木炭，木炭被埋入地下，整个过程为碳负性（carbonnegative）。生物炭几乎是纯碳，埋到地下后可以有几百至上千年不会消失，等于把碳封存进了土壤。事实上，大部分肥沃的土壤呈现黑色的原因就是因此该土壤内含有丰富的碳元素，由此可见生物质炭不但可以补充土壤的有机物含量，还可以有效地保存水分和养料，提高土壤肥力。有关研究发现，生物质炭同时还可以提高农作物的产量，减少对碳密集废料的需求量[18]。
生物质经过炭化后与木炭相似，其特点是耐降解，可提高土壤碳库容量，有利于减少温室气体的排放。同时生物质炭具有很大的表面积，有较强的持水性、吸附性。在一定条件下，对土壤施加含炭的肥料可增加土壤阴、阳离子交换量、吸附氮、磷及矿物离子，减少养分损失，在一定施加范围内，普遍能增加作物生物量和产量，因此认为生物质炭还田是提高土壤肥力、增加碳封存时间的有效途径[19]。活性炭绝大多数是非结晶性物质，它的构成是由微细的石墨状结晶以及将其联系起来的的碳氢化合物[20]，固体部分之间的间隙形成孔隙，赋予活性炭特有的吸附功能。一般认为活性炭的孔由大孔、中孔和微孔组成，大孔孔径为50~2000nm，中孔为2~50nm，微孔孔径小于2nm[21]。
2.3生物质炭的制备及表征方法
生物质炭又称为生物炭或者生物质焦，是由植物在完全或部分缺氧的情况下高温炭化的反映下产生的一种高度芳香化难熔性固态物体，属于黑炭的一种类型。常见的生物质炭包括竹炭、秸秆炭、稻壳炭等。而人们日常所说的木炭，是木材或木质原料经过干燥、蒸馏所残留的深褐色或黑色多孔固体燃料，是保持木材原来构造和孔内残留焦油的不纯的无定形炭[22]。木炭的生产原料是真贵的森林资源，加之工艺传统，所以其价格昂贵，主要应用在工业上。而生物质炭的生产工艺相对简单，原材料来源广泛且价格低廉，为其广泛的应用提供了可能。并且，生物质碳与木炭相比，具有以下优点：①代替木材烧制的炭，保护森林资源，维护生态平衡；②以废弃物为原料，变废为宝，化害为利，综合利用，减轻对环境的污染；③原料取之不尽，用之不竭，年复一年生长，廉价甚至无价；④热值高，放热时间长；⑤无毒、无味、无烟。目前制备生物质炭的方法有很多，其中包括：气体活化法、化学活化法和化学物理活化法等。气体活化法的定义就是让经过炭化反应后的生物质炭制备原材料即碳材料和活化气体发生反应以达到形成很小的孔隙颗粒的过程，水蒸气和二氧化碳是最常见的两种活化气体。研究发现，活化反应发生时加入金属催化剂有利于气化反应的提高，可以增加活性炭的产率；尤其是碱金属的碳酸盐作为二氧化碳活化气体的催化剂效果更加明显。
就目前而言，世界上70%以上生产生物质炭的厂家都采用气体活化法。同时，我国主要也是采用气体活化法生产生物质炭滤料，其活化方法对环境污染小，因此其是依靠氧化碳原子形成孔隙结构，所以用这种方法生产生物质炭的收率不高，且活化温度较高，需先进行炭化再活化。
与之不同的是化学活化法，其工艺特点是活化温度低，可以对产品的内部孔隙结构进行调整。其过程是炭化活化一次性完成，有利于较小的碳微小晶体的形成，更易于形成细的孔隙结构，这种方法可以制备出孔隙更好，吸附性能更强的生物质炭，相对于气体活化法，生物质炭的生成率更高。但是，化学活化法也存在一定的弊端，其对化学设备的腐蚀性很大，会对环境造成污染，而且制备得到的生物质炭中很有可能残留化学药品活化剂，在使用方面受到了一定的限制[23]。
化学活化法的定义是将制备原材料按照一定的固液比与化学药品反应，在适应的温度下炭化得到生物质炭的过程，常见的化学药品有氯化锌、磷酸和碱，实验室首选磷酸。
因为磷酸法生产活性炭相比较其他化学药品而言，具有污染小且产量大的特点。磷酸法炉温在400~500℃，工艺温度适中，操作起来更安全。以下是磷酸和氯化锌的一个比较，更加证明了磷酸的益处。
分析表1得知，磷酸法虽然有很多优点，但是存在一个缺点就是灰分高，不过这完全不会影响磷酸法产品得率高、成本低、污染小等特点，因此，磷酸法制备生物质炭已经广泛地被越来越多的厂家利用[24]。
2.4生物质炭的制备及表征实验
2.4.1实验仪器与试剂
蓝藻（从无锡太湖流域打捞获得）、坩埚、磷酸、马弗炉、真空干燥箱、研钵、筛、干燥、皿、烧杯
2.4.2实验方法
（1）将新鲜的蓝藻在阳光下自然晒干，再放置在真空干燥箱中加以烘干，然后在研钵中将其粉碎至2mm-5mm，储存于密封袋中备用。
（2）分别取5g研磨后的干燥蓝藻于100ml烧杯中，分别用40%、50%、和60%的磷酸（H3PO4）溶液按照1:4和1:5的固液比浸泡，即六组烧杯。浸渍24h。
（3）将浸渍均匀的试样放在加热器上加热，蒸发部分的溶剂，在放入马弗炉中炭化，按20℃/min的升温速度升温至600℃，活化一定时间制得活性炭。
（4）先用（1+9)的盐酸溶液充分洗涤冷却后的用蓝藻制备得到的生物质炭，促使其中的氧化物和杂质充分溶解，再用80℃左右的去离子水进行反复洗涤至中性，过滤，然后放入电热恒温鼓风干燥箱中在105℃下烘2h，冷却后用研钵充分研磨并过筛，用样品袋装好，放入干燥皿中备用。
2.4.3实验结果与讨论
炭化温度均为600℃，碳化时间为2h。
实验结果表明，5g蓝藻与50%的磷酸溶液以1:5的比例混合后反应，制备得到的生物质炭的量最多。这表明，蓝藻可以通过一定的化学方法制备生物质炭，但是合适的比例更能够制备得更多的生物质炭，废物资源化利用率得到提高，也减少了蓝藻对水体的污染。在试验中，应该避免磷酸溶液挥发到空气中，污染空气。
第三章生物质炭的应用
3.1生物质炭在环保方面的应用
废物资源化利用制备生物质炭对环境的污染很小，最大程度地体现了环保的理念。不仅如此，生物质炭在环保方面也有很大的应用，尤其是水污染处理、大气污染治理、土壤污染治理，并且生物质炭在农业应用上也有很大的贡献。
3.1.1生物质炭在水处理方面的应用
我国水资源匮乏，人均淡水占有量大大低于世界平均水平，并且污染严重，78％的城市河段不适宜作饮用水源，50％的城市地下水受到污染[25]。城市生活饮用水水源受污染程度日益加剧导致原水中有毒有害化学有机污染物的含量正逐年上升。据有关报道显示，我国主要城市饮用水源中，上海检测出有机物700多种，天津200多种，就连水质较好的北京市也检测出50多种有机物[26]，这给饮用水处理带来了极大的困难，饮用水中微污染物的存在正威胁着人们的健康[27]。目前，我国城市自来水厂常用处理过程：混凝、沉淀、过滤、消毒，生产的饮用水在在饮用水的水质保证方面有重要作用，但是它却不能有效地去除水源水中微量可溶性有机污染物，并且其氯化消毒工艺过程中又产生了许多卤代有机物，这些物质中含有很多的致癌物质，危及饮用者的健康。因此传统的氯氧化消毒工艺已远远不能满足处理微污染水体的要求，新型处理工艺应时而生。目前已经开发研究的用于水的深度处理的方法有很多，有活性炭吸附法、臭氧一生物活性炭法、光化学氧化法、膜分离法等[28]。深度处理的主要手段之一生物质炭。处理过程中使用的生物质炭的形状主要呈现粉末状和颗粒状。近阶段，常见的研究领域有：臭氧-活性炭法在饮用水深度处理中的研究与应用；臭氧-生物活性炭法在饮用水深度处理中的研究与应用；粉末活性炭吸附处理短期及突发性水质污染的研究与应用[29]。
不仅饮用水受到的污染值得重视，相比较工业废水而言，饮用水的污染可以算是小巫见大巫了。工业废水包括染料废水、制药废水和含油废水。制药废水的主要特点是制药废水的主要特点是:含有丰富的有机物种类、且有机物的浓度很高，颜色很深，而且废水中可能含有很多
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