生物质碳材料的制备及其应用研究进展

秸秆制作生物炭的研究进展摘要】：我国是农业生产大国，每年因农业生产大量的废弃秸秆，目前还没有大量回收利用的途径。

许多研究已经说明生物炭在当前环境变暖的情况下具有重要的调节作用。

近年来对于秸秆的回收利用有许多的研究，本文综述了近年来秸秆望生物炭方向利用的进展，为以后秸秆的回收利用提供了参考。

【关键词】：生物炭秸秆炭化应用我国每年因农业生产而产生的秸秆至少有7亿吨，不少的研究人员虽然对一些秸秆的深加工和综合使用的环节进行了许多较为细致的研究，但受各方面条件的限制，目前没有一项技术进行了大面积的推广或在一定范围内大量使用。

尤其是还没有成功的模式能利用各种作物秸秆大量或局部替代农村主要燃料煤，在当今电及电器兴旺情况下，即使家里面需要燃料也很少有人把地里的秸秆拿回家去当燃料。

这也就是为什么每年农村田地里的大面积荒烧现象，这种现象不仅造成了每年数以亿吨的生物质资源的白白大量浪费，还造成了大气的严重污染。

有专家称秸秆燃烧是北方地区雾霾严重的原因之一。

在这种情况下，秸秆往生物炭的方向的研究利用被提上日程，并显得日益紧迫起来。

一、秸秆利用现状据估计，每年全球因农业生产而产生的废弃生物质的资源量可以到达1000亿t以上，这只是估计的数值，可想而知具体的数字是无法准确估量的，这是一个巨大的、可再生和取之不尽、可以持续利用的资源。

综合利用废弃的生物质，不但可以解决其随意弃置而产生的环境污染的问题，还可以生产生物炭，也可以获得生物质能源，使废弃有机生物质的附加值、有效利用率和污染问题的管理得到有效的提高，有助于解决弃置、燃烧、随意排放的产生环境污染问题。

所以废弃有机生物质的利用方法和加工技术应该被人们重视起来。

二、秸秆制作生物炭简单来说，生物炭是将木柴、农作物秸秆或其他的有机生物质通过特定的在炭化条件下形成的，经过高温环境下一系列的物理和化学反应，在缺氧或是完全无氧的环境条件下，是一种碳元素含量极其丰富的物质，这种主要由生物有机质通过物理和化学反应形成的，以固定碳元素为目的的炭被科学家们称之为“生物炭〞。

生物质炭技术及应用生物质炭技术及应用是一种将生物质材料通过热解、氧化或还原等过程转化成炭质产物的技术。

生物质炭作为一种新型的高效炭材料，具有多孔性、大比表面积和优异的化学稳定性等特点，广泛应用于环境治理、能源开发和产业制造等领域。

生物质炭技术主要分为两步：预处理和炭化。

预处理阶段包括生物质材料的粉碎、烘干和除杂等处理，以获得适合炭化的原料。

炭化阶段则是通过高温加热生物质材料，使其经历热解、热解和热化等反应而转化成炭质产物。

生物质炭的应用领域非常广泛。

首先，在环境治理方面，生物质炭可以作为土壤调节剂用于提高土壤肥力和改善土壤物理性质。

其多孔结构可以增加土壤的孔隙度，提高土壤的通气性和保水性，并吸附土壤中的重金属和有机物等污染物，起到修复土壤的作用。

此外，生物质炭还可以用于河道和湖泊的修复，通过吸附和分解水体中的有害物质，改善水质。

其次，在能源开发方面，生物质炭可以用作生物质燃料，取代传统的化石燃料。

生物质炭具有高热值、低灰分和低含氮含硫等特点，燃烧时产生的烟尘和有害气体排放较少，具有较好的环保性能。

此外，生物质炭还可以用于制备炭基材料，如炭纤维、炭黑和活性炭等，这些材料在航空航天、电子技术和环境保护等领域有着广泛的应用。

最后，在产业制造方面，生物质炭可以用于制备高性能的炭基材料和化工产品。

生物质炭具有多孔性和大比表面积等特点，可以用于制备电极材料、催化剂和吸附剂等。

例如，生物质炭可以用于制备锂离子电池的负极材料，提高电池的循环稳定性和倍率性能。

此外，生物质炭还可以用于制备高性能催化剂，用于有机合成和环境催化等领域。

综上所述，生物质炭技术及应用在环境治理、能源开发和产业制造等领域具有广泛的应用前景。

通过生物质炭技术的研究和开发，可以实现资源的高效利用和环境的可持续发展。

生物质碳膜及其制备方法和应用你有没有想过，地球上那些我们认为是“废弃物”的东西，实际上可以变成有用的宝贝？比如生物质碳膜，听起来是不是挺高大上的？它就是通过一些特别的方法，把那些自然界里的植物、动物残骸或者农作物的废弃物转化成的“炭化”产物。

看似普通的“废物”，在某些“高科技”手段下，竟然能变身成环保又实用的材料，真是不可思议吧！到底什么是生物质碳膜呢？简单来说，它就是用生物质材料，比如木材、秸秆、果壳等，通过炭化过程生成的一种特殊膜。

这个膜能吸附一些有害物质，比如空气中的有毒气体，或者水中的重金属，简直是个环保“吸尘器”。

而且你知道吗？它不仅能清洁环境，还能作为一些高科技领域的“材料小能手”。

比如说，在电池、超级电容器中，它都能大显身手，提供稳定的电能储存。

要想做出这样的生物质碳膜，首先要有生物质原料。

听起来很简单吧？但实际操作可得小心翼翼，因为生物质的种类、成分不一，处理起来就像做菜一样讲究火候。

通常，我们先把生物质经过预处理，去掉一些杂质，再把它们放到高温下“烤”成炭。

这个过程非常讲究时间和温度，稍微失控，就可能从“美味炭”变成“焦炭”，哈哈，搞砸了就糟糕了。

不过，经过科学家们的不断探索，现在的炭化技术已经越来越成熟了，几乎每个小细节都能控制得特别精准。

可能有些人会疑问了：“这玩意儿有什么用啊，做成膜有什么意义？”别急，这就跟你把一颗小小的种子种进土里，经过阳光雨露滋养，它就能长成参天大树一样，有些东西你得给它时间去证明自己的价值。

比如这生物质碳膜，它不仅能清洁空气和水，还能在材料领域大展拳脚。

你看，现在越来越多的电池和超级电容器，都需要用到这种膜来提升性能。

因为它具有超强的导电性和良好的稳定性，简直是新型能源存储领域的“神兵利器”。

不得不提的是，这种碳膜的环保性也是它一大亮点。

现在大家越来越关注环保，减少污染已经成为全球的共识。

生物质碳膜的制备过程中，基本上不需要使用有毒的化学试剂，也不排放对环境有害的物质。

一步低温热解制备生物炭及其在染料废水处理中的应用
一步低温热解制备生物炭是一种将生物质在低温条件下进行热解，形成具有高孔隙度和大比表面积的碳材料的方法。

以下是关于这种制备方法及其在染料废水处理中的应用的一些相关进展：
1. 低温热解制备方法：低温热解方法通常采用热解设备，如干燥器、固态反应器或微波炉等。

在低温条件下，生物质经过干燥、热解和炭化等步骤，生成生物炭。

这种制备方法具有操作简便、能耗低和生产成本较低的优势。

2. 生物炭特性：一步低温热解制备的生物炭具有多孔结构、高比表面积和高吸附性能。

其孔隙结构可以提供大量吸附位置，有利于处理染料废水中的有机污染物。

此外，生物炭还具有化学稳定性和热稳定性，可以更长时间地保持吸附性能。

3. 染料废水处理应用：生物炭在染料废水处理中被广泛应用。

由于其高吸附性能，生物炭可以有效地吸附并去除染料废水中的有机染料。

吸附过程通常受到诸多因素的影响，如生物炭的孔隙结构、比表面积、表面电荷等。

研究人员通过调控制备条件和生物炭的物化性质，来优化其吸附性能，提高染料废水处理效果。

4. 循环利用：除了吸附有机染料，生物炭还具有其他应用潜力。

例如，生物炭可以作为土壤改良剂，改善土壤结构和保持水分；还可以作为肥料添加剂，提供植物所需的养分。

这种循环利用的方式对环境的可持续发展具有重要意义。

需要指出的是，虽然一步低温热解制备生物炭在染料废水处理中显示出潜力，但其中的具体应用和技术细节仍然需要深入研究和优化。

未来的研究将继续关注生物炭的制备方法改进、吸附性能优化、循环利用等方面，以实现其在染料废水处理中的有效应用。

生物质制备炭素材料在能源领域中的应用前景炭素材料是一类关键材料，广泛应用于能源、电子、环保等多个领域。

目前，优化传统石墨化过程和发展新型生物质炭素合成技术已经得到了广泛的关注。

生物质炭素因其资源丰富、其制备过程对环境无污染等特点而备受瞩目。

相信如果能有效地利用生物质技术去制备足够多的生物质制备炭素材料，则将有助于加强炭素材料的实现规模化、产业化，从而开拓炭素材料在能源领域中的应用前景。

技术路线由于未能在较高温度下高效的制备出纯炭材料，众多研究人员纷纷转向生物质炭材料的制备。

在炭化过程中，能源产生和废气的排放成为限制生物质资源利用的两大约束因素。

相比之下，从结果上来看，用生物质制造炭素材料在环境理解上比采用传统的石墨化过程低能耗、无污染优越许多。

通过加热木质素与蛋白质等生物质材料，可以从中制得不同形状的生物炭，在商业上作为各类高级产品的材料使用。

尤其是目前生物质炭材料在新能源领域的广泛应用及制备方法上的研究越来越受到欢迎。

尤其是目前生物质炭材料在新能源领域的广泛应用及制备方法上的研究越来越受到欢迎。

生物质为炭材料提供了源源不断的商业投资机会，这种资金投入使研究人员能够更全面更全面的探索新型生物炭材料的性质，从而促进生物质技术的应用和生物质经济的发展。

生物质制备炭材料的作用在各个能量领域中，炭材料都有着天然的优势。

生物质材料的炭材料开发作用方兴未艾，具有其独特的能量储存、传输性能和再利用的特性。

生物质炭材料的制备、测试及其应用的技术已经取得了密集的研究进展，广泛应用于核电站、电池、超电容器、储氢罐、晶体管以及电力热电站压力容器等领域。

其中，烷基炼油工业、煤化工、汽车零部件、空调等功能应用购领域对生物质炭材料需要最多。

现有研究表明，相对于传统方法制备的炭材料，生物质制备的炭材料具有无污染、资源丰富、成本低、制备过程简单的诸多优势。

生物质生产的废弃物能够成为raw material，使生物炭材料的制备更加利于产业化，并且过程对环境的影响也会降低。

生物质炭的特性及其应用研究一、引言随着环境污染的日益加剧，众多的科学研究机构和工业企业开始关注新型环保材料和技术的开发和推广。

生物质炭是近年来备受关注的一种新型环保材料，其具有许多优良的特性，可以有效地处理和减缓环境污染，同时也可以为农业、林业等领域提供相应的资源。

本文旨在介绍生物质炭的特性及其应用研究，以期进一步提升其在环保和资源开发领域中的应用。

二、生物质炭的特性1.化学性质生物质炭主要由C、H、O、N等元素组成，其中C元素的含量最高，约占50%-90%。

生物质炭的主要化学成分包括有机质、灰分、水分、挥发分和固定碳等。

其中，有机质是生物质炭的主要组成部分，起主导作用；灰分则来源于炭化过程中未炭化的无机物，其含量受原料的种类和处理方式的影响最大。

2.物理性质生物质炭的物理性质也是其重要的特性之一。

生物质炭的密度一般在0.4-1.2g/cm3之间，属于轻质多孔的材料。

它的孔径尺寸一般在10-1000nm之间，具有比较大的比表面积，有利于吸附和催化作用的展现。

生物质炭的热稳定性较好，在空气中的热稳定温度可达500℃以上。

3.环境适应性生物质炭的适应性很强，具有气体吸附性、水分持久性和保水性等特点。

在有机化学中，生物质炭可以作为吸附、催化和反应媒介等方面的新型材料。

同时，生物质炭的自然深色，不易受光线照射而变化，可以同时起到遮光和保湿的作用，对于植物生长和肥料增效有很好的帮助。

三、生物质炭的应用研究生物质炭在环保和资源开发领域中具有多种应用，以下将重点介绍。

1.土壤改良生物质炭的孔隙结构和化学性质决定了它在土壤改良中的广泛应用。

研究表明，生物质炭可作为有效的土壤改良剂，可以增强土壤保水性、提高肥力、抑制微生物繁殖和降解农药等有害物质，提高农产品的质量和产量。

同时，生物质炭还可以清除土壤中的重金属和有机污染物，从而达到减轻土壤污染的目的。

2.水处理生物质炭也可以作为水处理领域的重要材料。

由于其独特的孔隙结构和表面活性，生物质炭可以有效地吸附和去除水中的有机污染物和重金属离子，能够被应用于污水处理、自来水净化以及饮用水的加工和净化等领域。

生物质热解制备高品质炭材料及其功能化应用生物质热解是利用高温条件下无氧加热产生的化学反应，将生物质转化为炭材料的一种方法。

与传统的化石燃料相比，生物质热解制备的炭材料具有更低的碳排放和环境影响，因此被广泛地应用于环境保护、能源储存等领域。

本文将介绍生物质热解制备高品质炭材料的方法及其功能化应用。

一、生物质热解制备高品质炭材料的方法生物质热解制备炭材料的关键在于选择适当的生物质原料和热解条件。

常用的生物质原料包括木材、秸秆、稻壳等，这些材料中含有丰富的碳水化合物和纤维素，是制备炭材料的理想原料。

热解条件通常是在高温下进行，一般在450℃至1000℃之间，热解时间也很重要，一般需要几小时至几十小时不等。

在热解过程中，生物质会分解为气态、液态和固态产物。

气态产物主要是水蒸气、CO2和少量的其他气体，液态产物包括生物油和酚类化合物，而固态产物就是炭材料。

为了获得高品质的炭材料，需要优化热解参数，如热解温度、热解时间、升降温速率等。

二、高品质炭材料的功能化应用高品质的炭材料具有很多优异的性能，如高比表面积、低密度、优异的机械强度和耐化学腐蚀性等，这些性质使其广泛应用于环境治理和能源储存领域。

1.环境治理生物质炭材料可以吸附各种有机和无机污染物，如有机染料、重金属离子等。

炭材料具有高比表面积和孔隙结构，可以提高吸附性能。

此外，生物质炭材料还可以作为吸附剂、废水处理剂、气相过滤器等，对环境污染具有良好的治理效果。

2.能源储存生物质炭材料可以作为电容器电极材料，用于储存电能。

炭材料具有优异的导电性和孔隙结构，可以提高电容器的能量密度和功率密度。

此外，生物质炭材料还可以作为锂离子电池的负极材料，用于储存电能。

炭材料具有大量的微孔和介孔，可以提高锂离子电池的循环性能和能量密度。

结论生物质热解制备高品质炭材料是一种绿色、可持续的方法，具有优异的性能和广泛的应用前景。

生物质炭材料可以用于环境治理、能源储存等领域，对减缓能源短缺、改善环境质量发挥重要作用。

生物质热解制备生物碳化性能实验报告一、实验背景随着全球能源需求的不断增长和环境保护意识的日益增强，寻找可持续、可再生的能源资源成为当务之急。

生物质作为一种丰富的可再生资源，其热解转化为生物炭的技术引起了广泛关注。

生物炭具有良好的吸附性能、孔隙结构和稳定性，在土壤改良、碳封存、能源储存等领域具有巨大的应用潜力。

本实验旨在研究生物质热解制备生物炭的性能，为其进一步的应用提供理论依据和技术支持。

二、实验目的1、探究不同生物质原料在热解过程中的转化规律和产物分布。

2、分析热解温度、停留时间等参数对生物炭产率和性能的影响。

3、评估生物炭的物理化学性质，如孔隙结构、元素组成、表面官能团等。

4、研究生物炭对重金属离子的吸附性能和在土壤中的改良效果。

三、实验材料与设备1、实验材料选取了常见的生物质原料，包括玉米秸秆、木屑和稻壳。

化学试剂：盐酸、氢氧化钠、硝酸银等，用于分析生物炭的化学性质。

2、实验设备热解炉：采用固定床式热解炉，能够精确控制温度和加热速率。

电子天平：用于称量生物质原料和生物炭的质量。

扫描电子显微镜（SEM）：用于观察生物炭的微观形貌。

比表面积及孔隙度分析仪：测定生物炭的比表面积和孔隙结构。

元素分析仪：分析生物炭的元素组成。

傅里叶变换红外光谱仪（FTIR）：表征生物炭表面的官能团。

四、实验方法1、生物质预处理将玉米秸秆、木屑和稻壳分别粉碎至一定粒度，然后在 105℃的烘箱中干燥至恒重，备用。

2、热解实验将预处理后的生物质原料分别装入热解炉中，在不同的温度（400℃、500℃、600℃）和停留时间（30min、60min、90min）下进行热解。

热解过程中，产生的气体通过冷凝器冷却收集，固体产物即为生物炭。

3、生物炭性能分析产率计算：生物炭产率＝生物炭质量／生物质原料质量 × 100%。

元素分析：使用元素分析仪测定生物炭中碳（C）、氢（H）、氧（O）、氮（N）等元素的含量。

孔隙结构分析：采用比表面积及孔隙度分析仪，通过氮气吸附法测定生物炭的比表面积、孔容和孔径分布。

利用生物质制备环保型活性炭的研究和应用生物质是一种可再生能源，由于其来源广泛、成本较低以及对环境的友好性，在能源领域中的应用不断拓展。

近年来，生物质制备环保型活性炭的研究引起了人们的关注，这种活性炭具有良好的吸附性能和环保特性，在水处理、空气净化等领域有着广泛的应用前景。

生物质制备环保型活性炭的基础是利用生物质作为原料，采用热解法或物理激活法获得活性炭。

生物质可以是农作物秸秆、木材、植物纤维等，这些废弃物中的有机成分可以被转化为具有吸附能力的碳质材料。

与传统矿物质原料相比，生物质原料在取得、加工和运输等环节中所产生的温室气体排放量更低，因此生物质制备环保型活性炭符合“低碳经济”和“循环经济”等现代环保理念。

热解法是一种将物质加热至高温并在无氧或微氧气氛下分解为固体炭和有机气体的方法。

在生物质进行热解时，废弃物内的碳、氧、氢等元素会发生化学反应，失去一部分氧和水分后，最终形成高比表面积和多孔的活性炭。

热解温度、加热速率和热解过程中气氛的控制是影响热解产物性质的重要因素。

目前，热解法正逐渐成为生物质制备环保型活性炭的主要方法之一。

物理激活法是将生物质碾磨成粉末或颗粒后，在高温下再次加热，在氮气或碳酸气氛中直接激活所得到的碳质材料。

这种方法不需要添加化学剂，因此在制备过程中环境污染较小。

物理激活法所得到的活性炭比较均匀，具有优异的微孔介径和单孔直径，吸附能力强。

生物质制备的环保型活性炭具有许多良好的特性。

其第一个特点是高比表面积和多孔性。

热解法制备的活性炭比表面积可以达到2000平方米/克以上，表面有着大量的微孔和小孔，这使得它的吸附能力非常强。

此外，由于生物质原料的含水率较高，热解时会产生一定量的气体，这些气体在碳化过程中跑出的细小孔道，形成了很多多孔的活性炭，因此生物质制备的环保型活性炭具有较好的多孔结构。

其次，环保型活性炭可以有效地去除水中的有害污染物。

在饮用水处理、污水处理和工业废水处理等领域，环保型活性炭可以去除水中的重金属、有机物、氯、氯气等有害物质，使得水质得到充分保护。

㊀│２０１９年第１期基于生物质制备二维炭材料的研究进展０㊀引㊀言生物质二维炭材料，是以木材㊁工业废弃物以及植物纤维等生物质为原料，经前处理后，在惰性气氛中通过高温煅烧得到的具有层状㊁片状或条带状结构的二维材料［１］，其优点可概括为几方面［２⁃４］：（１）生物质二维炭材料具有相互连结的分层多孔结构，提高了电极材料的比电容；（２）具有良好的化学稳定性和离子迁移速率：（３）良好的吸脱附性能；（４）良好的机械性能；（５）循环性能优良㊂１㊀生物质二维炭材料的制备及形成机理生物质二维炭材料具有互连分层㊁微孔利用率高的优点，同时又具有高导电率及良好的离子传输能力㊂目前，制备生物质二维炭材料的主要方法有水热炭化⁃活化法㊁一步炭化⁃活化法㊁生物质直接炭化法以及模板化方法等㊂１．１㊀水热炭化⁃活化法水热炭化⁃活化法是将生物质纤维的水热炭化产物通过活化剂活化，置于惰性气氛中升温至６００ １０００ħ，使生物质发生热解进而炭化，从而得到二维炭材料［５⁃６］㊂生物质水热炭化的过程主要包括：水解㊁脱水㊁脱羧㊁芳香化㊁再凝聚等过程［７］㊂而化学活化在生物质前体炭化过程中对于孔径尺寸的影响也很重要，随着活化剂的加入，抑制了炭化过程中微孔的收缩，这意味着活化剂可以作为生物质炭化过程中微孔形成的模板［８］㊂因此，为了进一步提升炭材料的比表面积及孔隙率，通常对生物炭材料进行活化处理，常用的活化剂有ＺｎＣｌ２［９⁃１０］㊁ＫＯＨ［１１⁃１２］等㊂Ｗａｎｇ［１３］等通过简单的水热炭化与活化相结合的方法制备了大麻纤维碳纳米片（ＣＮＳ），所得碳纳米片厚度仅为１０ ３０ｎｍ，比表面积高达２２８７ｍ２／ｇ，具有高度有序的互连多孔结构（如图１所示）㊂图１㊀ＣＮＳ⁃８００在ＳＥＭ㊁ＴＥＭ下的二维结构［１３］Ｆｉｇ１ＳＥＭａｎｄＴＥＭｍｉｃｒｏｇｒａｐｈｏｆ２ＤｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆＣＮＳ⁃８００［１３］㊀㊀大麻纤维碳纳米片的形成机理可解释为大麻纤维具有由纤维素㊁半纤维素和木质素组成的多层结构，大麻韧皮纤维在１８０ħ下与稀硫酸混合水热，会将大部分半纤维素和部分木质素转化为可溶性有机物，而纤维素则会发生部分炭化，将水热产物烘干后与ＫＯＨ混合研磨，并置于管式气氛２０１９年第１期│㊀㊀炉通入氩气炭化㊂在此炭化过程中，ＫＯＨ熔体会渗透进纤维素层，致使该层作为二维炭材料的前体被分离出来，同时该层被炭化及活化，其厚度减小并产生微孔㊂水热炭化⁃活化法能够制备出具有发达孔隙结构的炭材料，但是其制备程序繁琐，耗时长，且产率极低（通常为前体质量的１／４或更低）［５］；需要腐蚀性活化剂及大量酸来洗涤腐蚀性，因此该法的这些缺点需要正视㊂１．２㊀一步炭化⁃活化法一步炭化⁃活化法是先将生物质进行清洗，然后用活化剂活化，最后将处理过的生物质置于管式炉中进行热解和炭化获得二维生物质炭材料㊂该法获得的二维炭材料通常具有微孔结构，微孔的形成是由于活化剂或气体（主要是蒸汽或二氧化碳）在高温下对炭壁的蚀刻［１４⁃１６］㊂Ｌｉ等［１７］发现柳絮具有中空和薄壁的结构，这种结构有助于ＫＯＨ渗透活化，他们用丙酮和去离子水洗涤柳絮，超声处理后将其与ＫＯＨ溶液混合活化后烘干，在管式炉中４００ħ下热解３ｈ，ＫＯＨ熔体逐渐渗透活化，随后在８５０ħ炭化１ｈ片状二维柳絮炭材料（图２）㊂玉米秸秆具有很多层叠的结构，并且层与层之间存在着大量空隙，基于此，Ｘｕ［１８］等将玉米秸秆与ＺｎＣｌ２加入ＦｅＣｌ３溶液后，由于毛细现象，玉米秸秆会吸收大量的ＺｎＣｌ２活化液，８０ħ下烘干后，将含有大量活化剂的生物质前体在氩气氛管式炉中８００ħ炭化获得二维炭材料㊂在炭化过程中，堆叠的层状结构剥离分散成片，并将秸秆内的纤维素㊁半纤维素和木质素成分转化为多孔炭材料，同时，伴随着蒸汽和ＣＯ２的产生，更加有助于分层多孔结构的形成，制备过程如图３所示㊂图２㊀柳絮炭纳米片的ＳＥＭ图［１７］Ｆｉｇ２ＳＥＭｉｍａｇｅｓｏｆｗｉｌｌｏｗｃａｔｋｉｎｃａｒｂｏｎｎａｎｏｓｈｅｅｔｓ［１７］㊀㊀Ｙｕｎ［１９］等以咖啡渣为原材料，用Ｎ，Ｎ⁃二甲基甲酰胺将其超声处理得到了二维结构生物质前体，然后与一定质量的ＫＯＨ在研钵中研磨，１２００ħ炭化２ｈ后获得具有丰富孔隙结构的层状二维炭材料，该材料具有较大的比表面积㊂他们认为二维炭材料的形成与活性剂密切相关，活化剂与活性碳原子会发生反应６ＫＯＨ＋Ｃ ２Ｋ＋３Ｈ２＋２Ｋ２ＣＯ３㊀㊀然后Ｋ２ＣＯ３分解出ＣＯ２，在生物质炭化过程中蚀刻出纳米级微孔㊂随着温度的升高，金属钾渗透进石墨层，通过插层使石墨晶格膨胀并分离出二维炭材料㊂Ｈｕａｎｇ［２０］等将猪骨在氮气管式炉中４５０ħ预炭化后，将产物与ＫＯＨ以质量比１ʒ１混合研磨，然后升温到８５０ħ保温１ｈ，获得具有相互连结的层状多孔结构炭材料㊂与水热炭化⁃活化法相同，一步炭化⁃活化法，同样具有产率低㊁不环保的缺点㊂㊀│２０１９年第１期１．３㊀生物质直接炭化与其它复杂的制备程序相比，生物质直接炭化法更加简单，不需要繁琐的合成步骤，也不需要其它化学试剂，如以海藻［２１］㊁烟梗［２２］等为原料通过直接炭化获得二维炭材料㊂生物质前体的固有结构对炭化后产物的微观结构和孔隙率具有重要影响［５］，因此可以通过有目的地选择生物质前体来获得生物质二维炭材料㊂如茄子在微观尺度上具有片状结构，Ｌｉ［２３］等将茄子去皮切成小块，然后将其冷冻干燥７２ｈ，形成疏松海绵状的茄子，随后置于氩气氛管式炉中，于７００ １０００ħ热处理３ｈ，将得到的黑色固体残余物用盐酸和大量蒸馏水洗涤，干燥后得到茄子碳纳米片（ＳＰＣ），形貌如图４（ａ） （ｃ）所示㊂图３㊀玉米秸秆炭的制备流程图［１８］Ｆｉｇ３Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｉｌｌｕｓｔｒａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｓｙｎｔｈｅｔｉｃｓｔｒａｔｅｇｙｏｆ２Ｄｈｉｅｒａｒｃｈｉｃａｌｎａｎｏｐｏｒｏｕｓｃａｒｂｏｎｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ［１８］图４㊀ＳＰＣ⁃７００㊁ＳＰＣ⁃９００和ＳＰＣ⁃１０００的ＳＥＭ图［２３］Ｆｉｇ４ＳＥＭｉｍａｇｅｓｏｆＳＰＣ⁃７００，ＳＰＣ⁃９００ａｎｄＳＰＣ⁃１０００［２３］１．４㊀模板化方法氧化石墨烯（ＧＯ）具有柔性二维结构及丰富的亲水性氧官能团，当其与具有P ⁃共轭单元的材料相互作用时，其对生物质二维炭材料的形成过程可起到模板的作用，如基于ＧＯ对Ａｕ薄板导向合成的启发［２４］，Ｋｒｉｓｈｎａｎ［２５］等在较低的水热温度下（＜２００ħ）处理葡萄糖，使葡萄糖分子发生脱水和交联反应，形成炭化的球形胶体颗粒，当向此反应体系中加入不同浓度的氧化石墨烯（ＧＯ）后，产物的形态从碳球完全转变为厚度约４０ｎｍ的碳纳米片㊂ＧＯ可将水热炭化产物的球形形态转变为二维结构，据此推测，ＧＯ可为葡萄糖炭化产物提供生长位点，同时也是成核的关键㊂２㊀生物质二维炭材料在锂离子电池中的应用锂离子电池是采用储锂化合物作为电池的正负极材料构成的电池，当电池进行充放电时，锂离子在活性物质的原子层之间进行嵌入和脱嵌［２６］，典型的正极材料是具有层状结构的金属氧化物，或者是隧道结构的材料，如氧化锰锂（ＬｉＭｎ２Ｏ４）［２７⁃２８］㊂典型的负极材料是石墨化碳，它也是一种层状材料㊂如今随着电池工艺的改进，大多数负极材料倾向于使用石墨化碳材料和无定形碳材料，如天然石墨㊁石墨化碳负极材料［２９⁃３１］，这是因为石墨化碳材料具有更好的电化学性能和更高的比容量㊂生物质二维炭材料作为无定形碳材料的一种，由于其内部结构排列无序㊁存在大量微孔和缺陷逐渐受到人们关注㊂相比其他诸如天然石墨㊁石墨化纤维和活性炭电极材料，生物质二维炭材料不仅拥有质量轻，孔结构发达以及环保价廉等优势，同时还能大大缩短电极材料中离子传输时间㊂如Ｃｈｅｎ［３２］等以小麦秸秆为原料，通过水热和石墨化联合方法将小麦秸秆制备成高度石墨化㊁类石墨层间距和中等孔隙度的少层石墨烯片材（图５（ａ）和（ｂ）），用作锂离子电池负极材料表现出优异的电化学性能，首次充电比容量达到５０２ｍＡｈ／ｇ（图５（ｃ）），由于具有高石墨化程度，该材料具有非常平稳的充放电平台（图５（ｄ））及良好的倍率性能（图５（ｅ）和（ｆ）），而它的类石墨层间距和中等孔隙度，使其可以实现电荷和离子的快速传输㊂生物质二维炭材料因具有高比表面积，使其更有利于电解质的渗透，同时，也为锂离子的快速嵌入和脱嵌提供了有效的途径㊂Ｊｉａｎｇ等［３３］将洗净的玉米用沸水煮３０ｍｉｎ后取玉米芯，洗涤㊁干燥后将玉米芯的最里部分充分研磨，在空气中于２８０ħ下预热１ｈ后置于管式炉中，通入氩气７００ħ炭化３ｈ，产物用盐酸洗涤，烘干后便得到了玉米芯碳纳米片㊂将纳米片作为阳极材料组装电池后，该纳米片表现出良好的倍率性能和循环性能（图６（ａ）㊁（ｂ）），其首次放电比容量为７６２ｍＡｈ／ｇ，在１００ｍＡ／ｇ电流密度下，循环１８０次后，可逆容量仍为６６０ｍＡｈ／ｇ㊂若要提高生物质二维炭电极材料的电化学性能，还可通过掺杂改性的方法实现㊂掺杂改性包括金属元素掺杂和非金属元素掺杂，可引入Ｆｅ㊁Ｎ㊁Ｓ㊁Ｐ等元素［３４⁃３７］，这些元素可作为电子的供体，达到增大电容㊁改变材料的嵌锂行为，还可改善生物质炭负极材料的浸润性㊂Ｇｕｏ等［３８］以豆浆为前驱体㊁ＮａＣｌ为模板，制备出了氮掺杂生物基超薄炭纳米片（Ｎ⁃ＣＮＳ），作为阳极材料组装成纽扣电池，展现出了良好的循环性能，在５０ｍＡ／ｇ的电流密度下，１００次循环的可逆容量达到１０８４ｍＡｈ／ｇ㊂此外，由于Ｎ掺杂和由超薄纳米片形成的互连结构，使Ｎ⁃ＣＮＳ成为理想的碳材料并可应用于其他电化学储能器件㊂Ｎ⁃ＣＮＳ的合成方法及其在５０ｍＡ／ｇ的电流密度下的循环性能如图７所示㊂２０１９年第１期│㊀ ㊀㊀│２０１９年第１期图５㊀少层石墨烯的ＳＥＭ图㊁充放电曲线（０．１Ｃ）㊁循环性能（０．１Ｃ）㊁倍率性能及其不同速率下的充放电曲线［３２］Ｆｉｇ５ＳＥＭｉｍａｇｅｓ，ｄｉｓｃｈａｒｇｅ／ｃｈａｒｇｅｃｕｒｖｅｓａｔ０．１Ｃ，ｃｙｃｌｉｎｇｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｓ，ｒａｔｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅａｔｄｉｆｆｅｒｅｎｔｒａｔｅｓａｎｄｄｉｓｃｈａｒｇｅ／ｃｈａｒｇｅｃｕｒｖｅｓａｔｄｉｆｆｅｒｅｎｔｒａｔｅｓｏｆｆｅｗ⁃ｌａｙｅｒｇｒａｐｈｅｎｅ［３２］图６㊀玉米芯碳纳米片电极的倍率性能㊁循环性能和库仑效率曲线［３３］Ｆｉｇ６Ｒａｔｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ，ｃｙｃｌｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅａｎｄｃｏｕｌｏｍｂｉｃｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｃｕｒｖｅｓｏｆｃｏｒｎｃｏｂｃａｒｂｏｎｎａｎｏｓｈｅｅｔｓｅｌｅｃ⁃ｔｒｏｄｅ［３３］图７㊀Ｎ⁃ＣＮＳ的合成示意图及其在５０ｍＡ／ｇ下的循环性能［３８］Ｆｉｇ７Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｉｌｌｕｓｔｒａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｓｙｎｔｈｅｓｉｓａｎｄｃｙｃｌｉｃｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅａｔｔｈｅｃｕｒｒｅｎｔｄｅｎｓｉｔｙｏｆ５０ｍＡ／ｇｏｆＮ⁃ＣＮＳ［３８］２０１９年第１期│㊀㊀㊀㊀Ｚｈｅｎｇ［３９］等通过冷冻干燥和高温炭化的组合工艺，使用壳聚糖为前驱体，成功制备出氮掺杂碳纳米片㊂制备过程为：将壳聚糖分散在去离子水中，加入盐酸继续搅拌，冷冻干燥后置于氮气氛管式炉中８００ħ炭化，将所得产物命名为Ｇ⁃ＣＳ⁃８，壳聚糖直接炭化的产物命名为Ｐ⁃ＣＳ⁃８㊂通过对比发现，经过前处理的Ｇ⁃ＣＳ⁃８具有层状的结构（图８（ａ），（ｂ））及优秀的倍率性能和良好的循环稳定性（图８（ｃ），（ｄ））㊂Ｐ⁃ＣＳ⁃８和Ｇ⁃ＣＳ⁃８的首次放电比容量分别为８２０，１１４８ｍＡｈ／ｇ，在０．１Ａ／ｇ的电流密度下㊁１００次循环后Ｐ⁃ＣＳ⁃８和Ｇ⁃ＣＳ⁃８的库伦效率分别为９９．４％及１００％（图８（ｄ）），这种性能上的差异是因为Ｇ⁃ＣＳ⁃８具有更加丰富的孔隙结构和较短的离子传输路径，这种特殊结构，促进了锂离子的嵌入和脱嵌㊂图８㊀Ｐ⁃ＣＳ⁃８和Ｇ⁃ＣＳ⁃８的ＳＥＭ图及其倍率性能［３９］Ｆｉｇ８ＳＥＭａｎｄｒａｔｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅａｔｄｉｆｆｅｒｅｎｔｒａｔｅｓａｎｄｓｃａｎｒａｔｅｆｏｒＰ⁃ＣＳ⁃８ａｎｄＧ⁃ＣＳ⁃８［３９］３㊀生物质二维炭材料在超级电容器中的应用相比锂离子电池，电容器具有更高的功率和更长的循环寿命㊂它利用物质在电极和电解质两相界面上的双电层或在电极界面上发生快速㊁可逆的氧化还原反应来储存能量［４０］㊂图９为不同化学处理前驱体及对应活性炭材料的ＳＥＭ图以及不同前处理所得炭材料的电化学性能测试㊂目前在超级电容器领域，相关电极材料有碳电极材料㊁金属氧化物电极材料和导电聚合物电极材料［４１］㊂超级电容器多采用碳材料作为电极材料，为了进一步提高能量和功率密度，近年来许多具有更高比表面积㊁更快离子传输途径㊁电解质界面处具有稳定孔结构的生物质二维炭材料被研究报道，与传统多孔碳相比，具有互连分级多孔结构的生物质二维炭材料成为超级电容器电极材料的理想选择㊂如Ｌｕ等［４２］用化学法剥离莲花，制备了莲花多孔类石墨烯超级电容器电极材料，并探讨了不同预处理剂（Ｈ２Ｏ㊁Ｈ２Ｏ２㊁ＨＡｃ㊁Ｈ２Ｏ２⁃ＨＡｃ）对其电化学性能的影响㊂结果表明，通过Ｈ２Ｏ２⁃ＨＡｃ预处㊀│２０１９年第１期理㊁高温炭化后可获得具有发达孔隙结构㊁良好导电性和高比表面积的类石墨烯活性炭材料，该石墨烯状炭表现出非常高的比电容，在电流密度为０．５Ａ／ｇ下达到３４０Ｆ／ｇ，具有２３．３３ １６．６７Ｗｈ／Ｋｇ的高比能量密度及优异的倍率性能和较长的循环稳定性，在１００００次循环后仍保持９８％㊂Ｌｏｎｇ等［４３］将干燥后的黑木耳分别与ＫＯＨ和蒸馏水混合加入反应釜中水热处理，将所得产物烘干后炭化，得到黑色固体用盐酸和蒸馏水彻底洗涤后烘干，样品标记为不含ＫＯＨ黑木耳炭（ＨＴＣ）和含有ＫＯＨ的黑木耳炭（ＰＧＣ）㊂结果表明，ＰＧＣ具有更加开放的孔隙结构和层状结构（图１０（ａ）㊁（ｂ）），且石墨化程度更高，不同扫描速率下的ＰＧＣ循环伏安特性曲线（ＣＶ）均呈现类似矩形的形状（图１０（ｃ）），意味着其具有良好的倍率性能以及快速的电荷传递能力，恒流充放电显示其具有高度线性和对称性的特点（图１０（ｄ）），这表明二维结构的ＰＧＣ具有优异的电化学可逆性和库伦效率㊂图９㊀不同化学处理前驱体及对应活性炭材料的ＳＥＭ图以及不同前处理所得炭材料的电化学性能测试［４２］Ｆｉｇ９ＳＥＭｄｉａｇｒａｍｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｃｈｅｍｉｃａｌｔｒｅａｔｍｅｎｔｐｒｅｃｕｒｓｏｒａｎｄｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇａｃｔｉｖａｔｅｄｃａｒｂｏｎｍａｔｅｒｉａｌｓａｎｄｔｈｅｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｔｅｓｔｏｆｃａｒｂｏｎｍａｔｅｒｉａｌｓｏｂｔａｉｎｅｄｆｒｏｍｄｉｆｆｅｒｅｎｔｐｒｅｔｒｅａｔｍｅｎｔ［４２］图１０㊀ＨＴＣ和ＰＧＣ的ＳＥＭ图；三电极体系下扫描速率为５，１０，２０，５０和１００ｍＶ／ｓ的ＰＧＣ的ＣＶ曲线和不同电流密度下的ＰＧＣ的恒流充放电曲线［４３］Ｆｉｇ１０ＳＥＭｉｍａｇｅｓｏｆＨＴＣａｎｄＰＧＣ，ＣＶｃｕｒｖｅｓｏｆＰＧＣｗｉｔｈｓｃａｎｒａｔｅｓｏｆ５，１０，２０，５０ａｎｄ１００ｍＶ／ｓｉｎｔｈｅｔｈｒｅｅ⁃ｅｌｅｃｔｒｏｄｅｓｙｓｔｅｍａｎｄｃｏｎｓｔａｎｔｃｕｒｒｅｎｔｃｈａｒｇｅ⁃ｄｉｓｃｈａｒｇｅｃｕｒｖｅｓｏｆＰＧＣａｔｄｉｆｆｅｒｅｎｔｃｕｒｒｅｎｔｄｅｎｓｉ⁃ｔｉｅｓ［４３］４㊀结㊀语生物质在地球上具有丰富的储量，价格低廉，加大对生物质资源的开发及利用，特别是对废物的循环利用有利于环境保护和节能减排㊂事实证明，经过处理得到的生物质二维炭材料具有大的比表面积㊁良好的电化学性能㊁吸附性能和耐腐蚀性能，对其开发利用会成为未来储能㊁吸附㊁催化㊁传感等领域的研究重点㊂然而由于生物质二维炭材料产率过低，目前尚无法实现大规模生产和应用，而且有些合成方法因使用化学活化而造成环境污染，有悖环保理念㊂因此，通过简单㊁环保的方法来制备具有高比表面的生物质二维炭材料，无论是对基础研究还是实际应用都是至关重要的㊂（文章来源：功能材料）２０１９年第１期│㊀ ㊀。

污水处理中生物质炭的应用研究污水处理中生物质炭的应用研究污水处理是解决城市污水排放问题的重要环节。

近年来，生物质炭作为一种新兴材料，被广泛应用于污水处理中。

本文将介绍生物质炭的制备方法及其在污水处理中的应用研究。

1. 生物质炭的制备方法生物质炭是通过将生物质原料进行高温热解、炭化得到的一种碳材料。

目前，常用的生物质炭制备方法主要有碳化、热解和活化等。

其中，碳化是将生物质原料放入密闭容器中，在高温条件下进行热解，产生固体炭。

热解是将生物质原料置于一定温度下进行加热，使其分解生成热解气体，再通过离子交换树脂捕集其中的有害物质，并得到固体产物生物质炭。

活化是在一定温度和气氛下，对已经制备好的碳材料进行处理，增加其孔隙结构和比表面积，提高吸附能力。

2. 生物质炭在污水处理中的应用研究2.1 污水净化生物质炭具有良好的吸附性能，可以吸附并去除污水中的有机物、重金属离子等。

研究表明，生物质炭对污水中的重金属离子具有较高的吸附能力，可以有效净化污水中的有毒物质。

此外，生物质炭还可以调节污水中的pH值，使其处于适宜的范围，提高其他污水处理工艺的效果。

2.2 污泥处理污水处理中产生的污泥是一种具有高含水率和高有机物含量的残余物质，处理难度较大。

研究表明，生物质炭可以作为污泥的添加剂，通过吸附有机物质和减少污泥中的水分含量，提高污泥的干化性能和减量效果。

此外，生物质炭的添加还可以调节污泥的微生物群落结构，促进污泥的降解、转化和资源化利用。

2.3 生态工程生态工程是一种使用生态系统原理和方法进行环境保护和修复的工程技术。

生物质炭作为一种具有吸附性能和调节作用的材料，可以在生态工程中发挥重要作用。

研究表明，生物质炭可以作为植物的生长介质，提供植物生长所需的水分和养分，并调节土壤酸碱度，改善土壤条件。

此外，生物质炭还可以作为土壤改良剂，改善土壤结构和水保持能力，减少土壤侵蚀和水土流失。

3. 生物质炭应用研究的展望目前，生物质炭在污水处理中的应用研究已取得一定进展，但仍存在一些问题亟待解决。

生物质炭在生物能源生产中的应用研究生物质炭是一种由生物质材料经过干燥和热解过程制成的固体炭质产品，具有很高的热值和稳定性，可以应用于生物能源生产中。

随着全球对可再生能源的需求不断增加，生物质炭在生物能源生产中的应用也备受关注。

本文将深入探讨，以期为推动生物质能源产业的发展提供有效的参考和支持。

一、生物质炭的制备方法及特性生物质炭的制备方法多种多样，主要包括干燥热解法、气化法和焙烧法等。

其中，干燥热解法是最常见的一种方法，即将生物质材料在缺氧或无氧环境中进行热解，生成生物质炭。

生物质炭具有高孔隙率、大比表面积和优良的吸附性能，能够有效地吸附和储存气体和液体，在生物能源生产中发挥着重要的作用。

二、生物质炭在生物质能源生产中的应用研究1. 生物质炭在生物质燃烧中的应用生物质炭在生物质燃烧中可以作为燃料添加剂，提高燃烧效率和稳定性，减少燃烧排放产生的有害气体和颗粒物。

研究表明，适量添加生物质炭可以降低燃烧温度，延长燃烧时间，并减少燃料消耗，降低环境污染。

因此，在生物质能源生产中广泛应用生物质炭可以有效提高生物质燃烧的效率和环保性。

2. 生物质炭在生物质气化中的应用生物质气化是将生物质材料转化为合成气或液体燃料的一种重要技术。

生物质炭在生物质气化中可以作为催化剂和吸附剂，促进气化反应的进行，降低气化温度和提高气化效率。

研究表明，添加适量生物质炭可以显著提高气化产气量和气化气体的质量，优化气化过程，降低气化产物的含碳量和灰分，提高合成气的能量利用率。

因此，在生物质气化中加入生物质炭是一种有效的方法，可以提高气化效率和产气质量。

3. 生物质炭在生物质液化中的应用生物质液化是将生物质材料转化为液体燃料或化学品的一种技术。

生物质炭在生物质液化中可以作为催化剂和吸附剂，促进液化反应的进行，提高液化产物的产率和品质。

研究表明，添加生物质炭可以降低液化反应的活化能，加快反应速率，促进碳链裂解和液化产物的形成，提高液化产物的收率和质量。

生物炭的制备及应用技术生物炭，也称为生物质炭或炭化生物质，是一种新型的环境友好型材料。

生物炭的制备及应用技术在近年来得到了广泛的研究与应用，具有重要的经济和环保意义。

一、生物炭的制备技术生物炭的制备技术主要有物理炭化、化学炭化和生物质热解方法。

1. 物理炭化物理炭化是将生物质放入高温炉中，在缺氧或氧气限制条件下加热，使生物质中的有机物分解成炭和气体。

由于缺氧条件，炭化过程中不会把生物质中的灰分和水分焚烧掉，而是会生成炭和水蒸气。

物理炭化所得的生物炭颗粒形状不规则，颗粒大小不一，但是孔隙度大，比表面积高，可大大提高吸附性能。

2. 化学炭化化学炭化是将生物质放入含有强氧化剂和催化剂的反应器中，在一定的温度下加热，使生物质发生氧化反应，生成炭和气体。

化学炭化完全消耗生物质中的灰分和水分，所以所得的生物炭质量纯，但是炭化反应细节多，炭化过程中会产生大量的二氧化碳和其他气体，所以不如物理炭化技术实用。

3. 生物质热解生物质热解是在一定的温度、时间和气体环境下，使生物质在不经气化的条件下裂解变成炭。

生物质热解所得的生物炭质量高，但裂解过程中生物质会分解成气体和液体，易产生环境污染，所以此法不适用于大规模生产。

二、生物炭的应用技术1. 土壤改良生物炭有着优异的吸附能力、渗透性、生物有效性和透气性等优点。

混入土壤后，生物炭可以吸附水分和肥料，提高土壤水分和肥料的保存能力，从而促进植物生长。

此外，生物炭还可以破碎重壤、提高土壤透气性，改善土壤结构，从而提高土壤的肥力和农作物的产量。

2. 水净化生物炭的强吸附性能非常适用于废水净化。

生物炭具有微孔结构和化学结构特性，可吸附水中的有毒有害物质，例如重金属离子、无机盐和污染物等。

将生物炭填充在净水器中，可以大幅度降低废水中有害物质的浓度，从而净化水质。

3. 绿化环境生物炭可作为植物种植介质，在植物根区域形成一种生态保持层，增强土壤生命力、净化土壤环境，同时防止化学农药和化肥的渗入和浸出。