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生物炭制备及其吸附应用研究进展

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基金项目大学生创新创业项目渊202010142174冤遥*通信作者收稿日期2021-09-13摘要生物炭是生物质在绝氧或限氧条件下热解的固态产物袁通常因具有特殊的孔隙尧官能团结构及稳定的物理化学性质等特点而广泛应用于气态或液态污染物的吸附袁并成为目前生物质能资源化利用研究热点遥本文介绍了生物质热解制取生物炭的工艺尧生物炭生成机理及目前主要应用领域袁重点评述了影响生物炭制备尧结构特性及吸附特性的主要因素袁并提出了生物质热解制备生物炭及其在吸附领域应用的未来研究方向遥关键词生物质曰热解曰生物炭曰吸附曰影响因素中图分类号S216文献标识码A文章编号1007-5739渊2022冤09-0133-08DOI院员园援猿怨远怨/躁援蚤泽泽灶援1007原5739援圆园圆2援09援039开放科学渊资源服务冤标识码渊OSID冤院

AdvancesonBiocharPreparationandItsAdsorptionApplications

SHENGZhu1DENGBingjie2SUNYang1*FANSichen1LIXinyang1YANGTianhua1(1KeyLaboratoryofCleanEnergyofLiaoningProvince,CollegeofEnergyandEnvironment,ShenyangAerospaceUniversity,ShenyangLiaoning110136;2OffshoreEnvironmentalTechnology&Services(Beijing)LimitedCompany,Beijing100125)

AbstractBiocharisasolidproductofbiomasspyrolysisunderanaerobicoroxygen-limitedconditions.Itiswidelyusedintheadsorptionofgaseousorliquidpollutantsduetoitsspecialporeandfunctionalgroupstructure,andstablephysicochemicalproperties.Ithasbecomearesearchhotspotofresourceutilizationofbiomassenergy.Thispaperintroducedthepreparationprocessofbiocharbybiomasspyrolysis,generationmechanismofbiocharandcurrentapplicationfields.Itfocusedonthemaininfluencefactorsofpreparation,structuralcharacteristicsandadsorbedcharacteristicsofbiochar,anditproposedthefutureresearchdirectionsofbiomasspyrolysisproducingbiocharanditsapplicationintheadsorptionfield.Keywordsbiomass;pyrolysis;biochar;adsorption;influencefactor生物炭制备及其吸附应用研究进展

盛竹1邓兵杰2孙洋1*范思辰1李欣陽1杨天华1

渊1沈阳航空航天大学能源与环境学院辽宁省清洁能源重点实验室袁辽宁沈阳110136曰2海油环境科技渊北京冤有限公司袁北京100125冤

能源与环境问题是人类共同关心的重要课题袁

关系到经济的发展和人民幸福指数的提高遥目前袁我

国能源现状仍以应用煤炭为主袁石油尧天然气的应用

比例虽逐年增高袁但相比国际平均水平仍较低袁大量

的煤炭利用带来了环境污染和生态的破坏遥随着煤

炭等化石资源日益枯竭和环境污染的加剧袁生物质

能尧风能尧太阳能和地热能等新能源和可再生能源

得到了较大规模发展袁但受现有开发利用技术和运

行成本的限制袁利用生物质能尧风能尧太阳能等可再生能源占总能量的比例不高遥在可再生能源和新能

源中袁生物质能是唯一可储存尧可运输和含碳源的可

再生能源袁具有S尧N元素含量低袁资源化利用过程SO2尧NOx排放较少袁碳来源于植物的光合作用袁利用

过程碳中性等特点遥因此袁生物质能被各国学者认为

是未来重要的能源资源和化石能源的替代资源遥近

些年袁国内外专家学者将生物质作为原料热解制得

生物炭尧热解气体以及生物油袁以取代煤尧石油原料遥

生物炭作为唯一的碳源袁如果依据此方法对其进行

合理研究并充分提高其利用率袁将会有效解决世界

能源短缺等问题遥现代农业科技圆园22年第9期资源与环境科学

133现代农业科技圆园22年第9期资源与环境科学

表1热解工艺主要技术参数

热解工艺操作温度/益加热速率/渊益窑s-1冤颗粒度/mm固态停留时间/s低温慢速热裂解300~7000.1~1.05.0~50.0600.0~6000.0中温快速热裂解600~100010.0~200.0<1.00.5~5.0高温闪速热裂解800~1000逸1000.0<0.2<0.5目前袁吸附法是治理气态污染物尧水中有机污染

物和重金属污染物的主要手段之一袁尤其在水处理

方面取得了长足的发展遥吸附法是采用多孔性的固

体材料渊如活性炭尧硅胶尧分子筛和活性氧化铝等冤作

为污染物吸附剂袁去除气态尧可溶性气态或液态有机

化合物和重金属等物质的方法[1]遥目前袁普遍使用的

多孔人工吸附材料存在吸附量小尧再生困难尧价格昂

贵尧环境不友好等诸多缺点遥因此袁寻找环境友好尧原

料丰富尧价格低廉的吸附材料成为研究热点遥活性炭

材料由于具有稳定的物理结构尧较大的比表面积和

较多的含氧活性基团及其耐酸尧耐碱尧耐热等特点袁

被认为是非常优秀的吸附材料遥活性炭制备的原料

主要是煤炭尧石油焦等袁不但需要消耗大量的不可再

生资源袁而且其制备过程常伴有大量污染物的释放遥

生物质是富含纤维素尧半纤维素和木质素的碳质物

质袁有良好的亲水性和多孔结构袁可作为制备多孔活

性炭的原料遥生物质种类较多尧成分差别较大袁同时

生物质热解炭化技术多样且制备设备相对滞后袁制备的生物炭孔隙结构尧理化性质差异较大袁在吸附领

域应用存在不足遥因此袁开发先进的炭化技术和设备

十分必要遥本文首先简要介绍了生物质热解制取生

物炭工艺尧生物炭生成机理及目前应用领域袁综述了

目前生物炭在能源环境尧农业土壤以及功能材料等

领域应用的研究进展及存在的问题袁重点评述了生

物炭制备及其结构特性尧吸附特性的影响因素袁指出

了生物质制备生物炭技术及其在吸附污染物领域应

用的未来研究热点遥1生物质热解制备生物炭概述

1.1生物质热解制备生物炭工艺

生物质热解是生物质原料在无氧或限氧条件下

通过加热使其有机组分热降解袁最终生成固态生物

炭尧液态生物油和气态可燃气体的过程遥三态产物的

比例取决于热裂解工艺及设备尧反应参数和生物质

原料的理化性质[2]遥热解工艺按照物料停留时间及加

热速度主要分为低温慢速热裂解尧中温快速热裂解

和高温闪速热裂解遥其技术参数如表1[3]所示遥

低温慢速热裂解是在较低的加热速率下经过较

长的反应时间发生的热解反应遥反应初期为低温加

热渊120~200益冤袁生物质组分发生内部重排袁纤维素

转变成活性纤维素[4]遥之后温度逐渐升高袁固体有机

物分解袁生成热解产物袁其中炭继续脱挥发分并生成

富炭残留物[5]遥此条件下生成的固尧液尧气热解产物产

量都较大袁其中以生物炭为主袁其产量约占生物质

原料质量的30%尧占能量的50%袁故慢速裂解也称烧

炭法[4]遥

中温快速热裂解是在中温尧高加热速率和极短

气体停留时间的条件下将生物质直接热解的过程遥

其产物经快速渊通常臆0.5s冤冷却至350益以下袁避

免中间大分子有机物发生二次裂解生成气体袁最大

限度地增加液态产物[6]遥因此袁中温快速热裂解可得

到高产量的生物质液体油遥研究发现袁适宜的反应条

件可获得生物油产率达70%以上袁能量产率达原生物质的80%以上遥该技术生产的生物油能量密度高尧

易储存和运输袁并且产品可异地消费袁但中温快速热

裂解液化技术产油的后续精化工艺复杂袁因而大规

模应用还需一步研究遥

高温闪速热裂解升温速率非常高袁颗粒在几秒

甚至更短的时间就会达到热解终温袁因而对原料的

颗粒尺寸及均匀性要求非常高遥高温闪速热裂解一

般生成40%的生物油和可燃气体袁剩下60%为生物

炭遥高温闪速热裂解需要特殊结构的反应器袁如夹带

流反应器和流化床反应器等[7]袁因而用此方法制取生

物炭较少遥1.2生物炭的概念及其应用

生物炭是指在完全无氧或部分限氧的条件下将

生物质进行高温热解炭化袁生成一类高度芳香化的

难熔固态物质[8]袁其成分如表2[9]所示遥弹筒发热量为30.23MJ/kg袁焦渣特性为1渊粉状冤遥134成分比例成分比例水分3.02全硫0.06灰分8.16氢2.83挥发分9.78固定碳76.15单位院%表2生物炭的工业分析

生物炭种类成分比例碳氢氧氮硫钾磷有机质麦秸生物炭71.363.358.180.640.047.00.559玉米秆生物炭62.592.731.410.720.126.90.660单位院%表32种肥料用生物炭的主要成分生物炭应用广泛袁是一种可燃烧的固体材料袁可

以替代木材生产的木炭作为燃料使用遥将农林废弃

物制成木炭可以实现工业自动化袁而且其优点众多袁

如热值高尧燃烧均匀尧无烟无污染尧环保[10]等遥由于具

有较大的比表面积尧发达的孔隙结构以及芳香化的

表面官能团袁生物炭可以经活化生成生物质活性炭遥

生物质活性炭吸附能力较强尧物理化学性质稳定袁常

用作吸附剂或催化剂载体袁也是工农业尧交通尧医药卫生尧能源环保和国防等行业中具有广泛应用价值

的重要材料[11]遥近年来袁生物炭作为土壤改良剂逐渐

被关注遥生物炭可以最大限度地将雨水固定在生物

炭所在土壤表层袁保留土壤中的养分袁促进土壤对营

养的吸收袁弱化土壤酸性袁提高土壤pH值遥此外袁生

物炭还可以吸收空气中的水分袁固碳尧增汇尧减排袁

有利于保护生态环境[12-14]遥生物炭主要组成是碳

渊66.6%耀87.9%冤尧少量的氢渊1.2%耀2.9%冤尧氧渊10.6%耀

26.6%冤和灰分渊包括钾尧钙尧钠尧镁尧硅等冤袁这些成分

提供了农作物生长所需的营养元素遥表3列出2种

不同原料制得的生物炭成分[11]遥以生物炭作肥料的

载体袁有利于保持肥料的稳定性和持久性[15]遥

1.3生物质热解炭化机理

生物质热解炭化技术是在一定温度和升温速率

下利用炭化设备将生物质热解生成固态产物生物炭

的过程遥其本质是将生物质中纤维素尧半纤维素和

木质素的分子结构破碎成小分子尧高热值的固态炭[16]袁

对环境友好袁便于储存运输[17]遥

生物质主要组分为纤维素尧半纤维素和木质素袁

还包含一些可溶于极性或非极性溶剂的提取物遥生

物质热解常常被假设为3种主要组分独立进行热分

解院半纤维素和纤维素主要热解产物包括CO尧CH4尧

H2等可燃气体和以左旋葡聚糖以及醛类尧酮类和有

机酸类等为主的生物油袁木质素热解组分主要生成

生物炭遥因此袁木质素被认为是制备生物炭的研究原

料遥纤维素热分解反应途径竞争模型于1976年首次

提出袁即Broido-Nelson模型渊图1冤[18]曰之后有学者对

上述模型进行改进袁提出了分解反应机理途径模型袁

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生物炭制备及其对土壤理化性质影响的研究进展

生物炭制备及其对土壤理化性质影响的研究进展

中国农业科技导报，２０１５，１７（２）：１２６—１３３　

Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　

生物炭制备及其对土壤理化性质影响的研究进展　

王瑞峰　，　赵立欣　，　沈玉君　，　孟海波　，　杨宏志　

（１．农业部规划设计研究院，农业部农业废弃物能源化利用重点实验室，北京１００１２５；　

２．黑龙江八一农垦大学食品学院，黑龙江大庆１６３３１９）　

摘要：生物炭作为一种新型的土壤改良剂和吸附剂，近年来成为农业、环境、能源等领域的关注热点。生物　

炭是通过有机物质在缺氧的条件下热解形成的，不同的原料及生产条件都会对生物炭的性质产生影响。生　

物炭能够能够改良土壤，改善土壤的容重、总孔隙度和保水性，还可以调节土壤的酸碱度，增强土壤阳离子交　

换量（ＣＥＣ），提高土壤养分。系统总结了生物炭生产方法、理化特性及其对土壤理化性质的影响，为优选生物　

炭、提升生物炭产品附加值、促进土壤改良提供理论支撑。　

关键词：生物炭；生产方法；理化性质；改良土壤　

ｄｏｉ：１０．１３３０４／ｊ．ｎｙ￣ｄｂ．２０１４．６２４　

中图分类号：￥２１６　文献标识码：Ａ　文章编号：１００８－０８６４（２０１５）０２．０１２６．０８　

Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｐｒｏｇｒｅｓｓ　ｏｎ　Ｐｒｅｐａｒｉｎｇ　Ｂｉｏｃｈａｒ　ａｎｄ　ｉｔｓ　

Ｅ　ｃｔ　ｏｎ　Ｓｏｉｌ　Ｐｈｙｓｉｏ．Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ　

ＷＡＮＧ　Ｒｕｉ－ｆｅｎｇ　’　，ＺＨＡＯ　Ｌｉ—ｘｉｎ　，ＳＨＥＮ　Ｙｕ－ｊｕｎ　，ＭＥＮＧ　Ｈａｉ－ｂｏ　，ＹＡＮＧ　Ｈｏｎｇ—ｚｈｉ　

（１．Ｋｅｙ　Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ　ｏｆ　Ｅｎｅｒｇｙ　Ｒｅｓｏｕｒｃｅ　Ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ　Ｆｒｏｍ　Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒｅ　Ｗａｓｔｅ，Ｍｉｎｉｓｔｒｙ　ｏｆ　Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒｅ，　

Ｃｈｉｎｅｓｅ　Ａｃａｄｅｍｙ　ｏｆ　Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　１００１２５；　

生物炭、磁性炭的制备与应用研究进展

生物炭、磁性炭的制备与应用研究进展

生物炭、磁性炭的制备与应用研究进展

作者：崔梦 李佳琳 巨龙 张志

来源：《安徽农学通报》2021年第08期

摘 要：生物炭是植物和动物的生物质通过热解/炭化合成的稳定的碳产物，作为一种历史悠久的废物衍生土壤改良剂，其因具有改善土壤肥力及环境的能力而受到广泛关注，能够去除或固定土壤、水和空气中的污染物，减缓气候变化。为了提高生产性能和去除效率，很多学者研究了不同的热解和改性方法。该文主要综述了生物炭、磁性生物炭的制备与应用研究进展，总结了常用的制备方法，为后续生物炭复合材料的研究和应用提供参考。

关键词：生物炭;磁化生物炭;制备;应用

中图分类号 X712 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2021）08-0089-05

Abstract： Biochar is a stable carbon product synthesized by pyrolysis/carbonization of plant and

animal biomass.As a long-standing waste-derived soil amendment， it can improve soil fertility and

improve the environment and has received widespread attention.It can remove or Fix pollutants in

soil， water， and air and slow down climate change.To improve production performance and

removal efficiency， many scholars have studied different pyrolysis and modification methods.This

石墨烯吸附材料的制备与应用研究进展

石墨烯吸附材料的制备与应用研究进展

第40卷第2期 西南民族大学学报·自然科学版

Mar.

2014

Journal of Southwest University for NationalitiesNatural Science Edition ___________________________________________________________________

___________________________

收稿日期：2014-02-18

作者简介：杨胜韬(1985-), 男, 博士, 副教授, 研究方向: 碳纳米材料的制备、应用及安全性研究. Email: yangst@.

基金项目: 四川省科技支撑计划(No. 2013FZ0060)和国家自然科学基金青年基金项目(No. 21307101) doi: 10.3969/j.issn.1003-4271.2014.02.08 【特约专稿】

石墨烯吸附材料的制备与应用研究进展

杨胜韬, 赵连勤

(西南民族大学化学与环境保护工程学院, 四川 成都 610041)

摘 要: 石墨烯具有独特的结构、优异的性能, 在诸多领域有广泛的应用. 石墨烯层的原子均为表面原子, 其表面积非

常大, 是天然的吸附材料. 其易于制备、成本低廉等优势使得石墨烯吸附材料成为水处理研究中的热点. 石墨烯及其复

合材料已经在重金属、染料、杀虫剂、抗生素、石油等污染物的治理方面得到应用. 综述了石墨烯吸附材料的制备方法

以及其在污水处理方面的应用. 分析了污染物在石墨烯吸附材料上的吸附行为, 并讨论了石墨烯与污染物的相互作用.

着重关注官能团对石墨烯吸附材料性能的影响, 从化学视角提出了设计高效石墨烯吸附剂的思路.

关键词: 石墨烯; 吸附材料; 污水处理; 纳米技术

中图分类号: O613, X703 文献标识码: A 文章编号: 1003-4271(2014)02-0203-16

活性炭吸附技术及其在环境工程中的应用

活性炭吸附技术及其在环境工程中的应用

活性炭吸附技术及其在环境工程中的应用

摘要：在工业的不断发展背景下，环境污染越来越严重，大气污染与水体污染较为严重，这样不仅影响居民生活环境，还对人体造成极大的威胁。活性炭有特别重要的特性就是吸附性，所以它能够通过炭之间的缝隙对周围空气进行吸附，也能对水和废气展开吸附能力。本文通过对活性炭在环境工程中实践应用进行探讨，提出一些意见。

关键词：活性炭；环境工程；实践探讨

引言

人们最早发现的碳物质是一种具有吸附能力的木炭，在日后的实践中，各种各样人工制作的木炭吸附能力也很强，木炭不仅具有很强的稳定性，而且结构十分紧密，主要用于防毒面具，近年来，人们发现比木炭吸附能力更强的是活性炭。文章针对活性炭在环境工程中实践应用进行更深入的研究与分析。

1.活性炭在水中应用

近年来，水源中水的质量逐渐变的浑浊恶化，而采用常规的净水装置远远不能满足净化水质的要求。所以需要增加水的深度净化装置，对水源进行更深层次的处理。在污水处理中，活性炭处理的水不低于二级处理的水，其中净化水不仅有二级处理，还有化学处理、物化处理。活性炭在吸附少量有机物时有较好的性能。所以活性炭的吸附方法用在经过物化或生化处理后的水中比较明显。活性炭可以按照形状进行分类，一种是粉末状活性炭，另外一种颗粒状活性炭。粉末状活性炭以间接接触的方式对水的处理有重要作用。比如溶液的精制褪去颜色和水处理等液相吸附。而颗粒状活性炭也经常在水处理中应用。在液相吸附过程中，颗粒状活性炭主要用在固定床和流动床等各种处理方式，这种方式不仅操作简单，能有效地减少面积，还不污染环境[2]。

1.1净化水的用途

（1）除臭。因为水质带有营养物质，最终导致微生物的不断繁殖，使得湖泊或者是水库中水源的管道常常会产生异味，并且会带来不同污染，使用活性炭不仅能有效地除去臭味，还是净化水中必不可少的步骤。（2）去除着色物质。铁锰化合物被认为是天然水着色的重要原因，在绝大数情况下，着色则是因为植物的分离引起的，而水的着色程度需要进行聚集在一起并且需达到残存的程度，使用活性炭就可以完全将着色物质去除。（3）去除游离氯。在水中加入游离氯是净化水不能少的方法，但供水当做离子交换树脂的原水，为了防止交换过来的树脂被氧化，应该活性炭去除游离氯。（4）去除ABS。新时期，居民无论是洗衣服还是在其他方面，洗涤剂的使用数量不断增加，由ABS造成水源中质量的污染也与日俱增，因为活性炭具有较强的吸附作用，所以活性炭也能将水中的ABS去除。（5）去除水中有机物。颗粒状活性炭能将给水处理系统中原有的有机物去除，活性炭能将水中农药或其他有机物吸附，活性炭还能将不能分解的高锰酸钾等物质去除。