楊晨 濟(jì)南市生態(tài)環(huán)境保護(hù)綜合行政執(zhí)法支隊槐蔭大隊

在環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域，生物炭的應(yīng)用日益增多，對這些工作得到的結(jié)論進(jìn)行歸納總結(jié)可以幫助研究者系統(tǒng)地認(rèn)識這個領(lǐng)域。此外，生物炭的負(fù)面影響如對實際環(huán)境的影響尚不清楚，多次使用后碳結(jié)構(gòu)的崩塌、流失可能導(dǎo)致表面吸附的多環(huán)芳烴污染物和金屬離子重新向環(huán)境釋放。此外，穩(wěn)定性好、表面積大、吸附性能優(yōu)異的生物炭尚未能實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。上述問題需要在應(yīng)用過程中進(jìn)一步研究。目前的研究多集中在生物炭材料的制備或改性方面，對其在環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域的應(yīng)用以及具體的作用機(jī)理缺少深入的歸納。

本文在綜述生物炭環(huán)境應(yīng)用的基礎(chǔ)上，對其在土壤修復(fù)與改良、固碳、水污染處理和有機(jī)物催化降解等方面的應(yīng)用進(jìn)行了系統(tǒng)的總結(jié)和分析，并在次基礎(chǔ)上對未來的研究重點(diǎn)提出了建議，推進(jìn)生物炭在環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域的工業(yè)化應(yīng)用。

1 生物炭的介紹

1.1 生物炭的定義和特點(diǎn)

在有無氧或缺氧條件下，有機(jī)生物原料經(jīng)過特定的熱解過程產(chǎn)生的富碳物質(zhì)即生物炭，如花生殼和植物桔梗等農(nóng)業(yè)廢物均可用作生產(chǎn)生物炭的原料。生物炭具有大比表面積、較強(qiáng)的陽離子交換能力、吸附能力和穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。為進(jìn)一步增大比表面積，可以采用酸或堿腐蝕的方法進(jìn)行改性。酸和堿處理不僅能提高比表面積，同時還會改善生物炭表面的官能團(tuán)結(jié)構(gòu)，有利于陽離子和一些有機(jī)物分子的表面吸附。綜上所述，生物炭可以在多個環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域中發(fā)揮功效，包括但不限于土壤修復(fù)與改良、固碳、水污染處理和有機(jī)物催化降解。

1.2 與傳統(tǒng)活性炭對比

在多個領(lǐng)域中，活性炭通常是生物炭的同功能產(chǎn)品。盡管兩者的主體同為碳結(jié)構(gòu)，但在元素組成、表面官能團(tuán)、孔隙結(jié)構(gòu)等理化性質(zhì)方面存在顯著的差異，因此對于個別具體的領(lǐng)域可能展現(xiàn)出截然不同的性能。在廢水處理過程中，生物炭在初始濃度較高的化學(xué)需氧量條件下表現(xiàn)出比活性炭更高的吸附能力。在厭氧消化過程中，生物炭可以促進(jìn)有機(jī)廢物的降解并產(chǎn)生大量的甲烷氣體，根據(jù)可靠報道其產(chǎn)率較活性炭可提升86.6%。在催化降解過程中，生物炭表面的官能團(tuán)可以促進(jìn)過硫酸鹽活化，產(chǎn)生出豐富的硫酸根自由基或羥基自由基，催化三氯沙等常見有機(jī)污染物的完全降解，而使用活性炭的對照組則不能實現(xiàn)該功能。

2 生物炭的應(yīng)用

2.1 土壤的修復(fù)及改良

生物炭是土壤修復(fù)技術(shù)常用的材料之一，可以有效去除有機(jī)污染物和重金屬的污染。生物炭發(fā)揮該功能的主要機(jī)理是表面吸附，具體的吸附機(jī)理包括與污染物發(fā)生物理吸附，通過氫鍵、配位鍵、π-π 鍵堆疊、氧化還原和酸堿相互作用等化學(xué)吸附。

生物炭的吸附能力與其幾何結(jié)構(gòu)（孔結(jié)構(gòu)和比表面積）和表面官能團(tuán)等理化性質(zhì)直接相關(guān)，而其理化性質(zhì)在一定程度上取決于其制備條件。一般來說，生物炭制備條件的選擇應(yīng)該綜合考慮結(jié)構(gòu)和產(chǎn)量。影響最大的制備條件是熱解溫度，一方面高溫?zé)峤庥欣谟袡C(jī)物揮發(fā)，從而造成多孔、表面積大的生物炭結(jié)構(gòu)；但另一方面過高的溫度可能導(dǎo)致有機(jī)物過度揮發(fā)而降低生物炭的產(chǎn)量。

生物炭對土壤中重金屬離子的去除效果，如Cr、Cu、Cd、Zn 和Pb 等離子，受到水體pH 值、生物炭表面官能團(tuán)、表面電荷和孔結(jié)構(gòu)等幾個因素的影響。目標(biāo)重金屬離子的種類和理化性質(zhì)也會在一定程度上影響吸附效果，例如Pb 在上述列舉的多種重金屬離子中最容易被吸附；吸附的離子達(dá)到飽和時容易通過離子交換的方式重新釋放到水體中。

生物炭在表面改性后還具備中和土壤酸性，增加陽離子交換能力和土壤肥力的功效。對土壤肥力的改善可以歸結(jié)為：①提高了土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性；②有利于土壤維持疏松，孔隙度增加，有利于儲存大量的水分，即提高了土壤的持水保濕能力；③為微生物提供適宜的棲息地，可以催化有機(jī)物轉(zhuǎn)化為肥料。

因此，盡管生物炭的加入導(dǎo)致堆積密度降低，合適的生物炭用量可以促進(jìn)作物生長并提高產(chǎn)量。然而，不同物種作物適合的生物炭添加量可能存在較大的差異，也受到土壤種類的影響，需要進(jìn)行更充實的研究。

2.2 固碳

土壤是一種重要的碳匯，其在全球碳循環(huán)中發(fā)揮著重要作用，直接和間接影響氣候變化。固碳指的是減少土壤中二氧化碳排放的方法。生物炭的框架與木炭、煤炭類似，通常難以被微生物消化降解，上述特點(diǎn)為生物炭在土壤固碳中的應(yīng)用提供了可能。

生物炭對土壤固碳的影響已經(jīng)進(jìn)行了大量的研究。然而，不同機(jī)構(gòu)觀測到二氧化碳排放量存在較大的差異，未能取得一致的結(jié)果?？梢钥隙ǖ氖牵锾繉ν寥拦烫季哂写龠M(jìn)作用，但其固碳的機(jī)理是由于生物炭衍生的碳，而不是來自土壤有機(jī)質(zhì)的碳。

根據(jù)溶解性的難易程度，可以將生物炭中的碳簡單分類為易溶碳和難溶碳兩種結(jié)構(gòu)。在土壤中添加生物炭時，土壤微生物促進(jìn)土壤有機(jī)質(zhì)碳的轉(zhuǎn)化，導(dǎo)致土壤初始碳礦化增加。然而，生物炭中的絕大多數(shù)碳為難溶碳，可以在土壤中存在很長時間。因此，添加生物炭所產(chǎn)生的碳輸入量要高于易溶碳礦化產(chǎn)生的碳輸出量。這就解釋了生物炭的添加對碳礦化的促進(jìn)作用，即對土壤固碳的促進(jìn)作用。

生物炭的固碳機(jī)理尚不明確，具體機(jī)理可能與生物炭制備時采用的原料類型和熱解條件密切相關(guān)。其中，熱解條件對生物炭的理化特性有重要影響，因此有必要從原料和制備工藝的角度研究生物炭的固碳機(jī)理。此外，在研究生物炭的固碳作用時，需要綜合考慮土壤成分、微生物種群、濕度、pH 等環(huán)境條件對具體作用過程的影響。

2.3 水污染治理

研究表明，生物炭對有機(jī)污染物和重金屬離子污染物的去除功能不僅可以在土壤中進(jìn)行，也可以在水和廢水中進(jìn)行。后者的吸附量/去除率既取決于目標(biāo)污染物的理化性質(zhì)，也取決于生物炭的自身結(jié)構(gòu)。

類似于在土壤中去除重金屬離子，生物炭通過吸附作用去除水生環(huán)境中重金屬離子，其吸附作用與生物炭結(jié)構(gòu)、重金屬離子種類密切相關(guān)。對于羧基、羰基、氨基等強(qiáng)配位官能團(tuán)修飾的生物炭，其吸附量較無官能團(tuán)修飾的生物炭顯著增加。值得一提的是，銨離子也可以通過上述過程去除，但銨離子與重金屬離子之間存在競爭吸附，這是因為上述物質(zhì)的吸附位點(diǎn)高度重合。

2.4 有機(jī)物催化降解

由于生物炭可以為細(xì)菌等微生物提供豐富的棲息地，因此除物理/化學(xué)吸附作用外，生物炭還具備去除有機(jī)物的功能。然而，在實際應(yīng)用過程中，水中同時存在多種污染物，如重金屬離子和有機(jī)污染物。當(dāng)兩者共存時生物炭對有機(jī)污染物的催化降解能力往往會被削弱，一方面是重金屬離子對微生物可能具有毒化作用，抑制了微生物的活性；另一方面是重金屬離子與有機(jī)污染物發(fā)生了競爭吸附，限制了生物炭空隙中微生物與有機(jī)物的接觸效率。此外，水的流動和稀釋作用也會影響生物炭對污染物的吸附。

3 未來研究重點(diǎn)

生物炭作為一種潛在經(jīng)濟(jì)效益巨大且對環(huán)境友好的新型碳材料，盡管近年來對其生產(chǎn)和應(yīng)用方面的研究越來越多，但仍存在一些研究空白，因此應(yīng)加強(qiáng)以下方面的研究。

3.1 工業(yè)化進(jìn)程

不同的原料組成、尺寸大小、熱解條件和生物炭的改性對所制得的生物炭的環(huán)境保護(hù)性能有顯著影響。未來的研究應(yīng)該對上述參數(shù)進(jìn)行系統(tǒng)的研究，并開發(fā)生物炭多種復(fù)合改性方法，并提出低成本高產(chǎn)量的工業(yè)化制備方法以生產(chǎn)出適合特定用途的生物炭。

3.2 應(yīng)用領(lǐng)域拓展

利用活性生物炭處理常見污染物已受到廣泛關(guān)注，但對新興污染物卻鮮有研究，未來需要對活性生物炭去除新興污染物進(jìn)行更多的研究，并采取可復(fù)現(xiàn)的、系統(tǒng)的方法分析生物炭的特性，更準(zhǔn)確地闡明活性生物炭在去除新興污染物中功能的深層機(jī)制，這將有助于開發(fā)更有效的生物炭生產(chǎn)方法，并優(yōu)化其在環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域?qū)嶋H應(yīng)用中的功效。

3.3 結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性與吸附質(zhì)溶出

隨著生物炭的廣泛應(yīng)用，我們應(yīng)該注意到它對環(huán)境的負(fù)面影響，穩(wěn)定性、再利用和后處理等問題不可忽視。穩(wěn)定性是生物炭在環(huán)境中應(yīng)用時必須考慮的重要特性之一。生物炭主要由碳結(jié)構(gòu)組成。一般來說，生物炭的穩(wěn)定性是指碳結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，可以借助拉曼光譜對其石墨化程度、無序碳含量等結(jié)構(gòu)指標(biāo)進(jìn)行評估。同時，也可以采用酸或堿溶液浸泡的方式評估其在不同pH 環(huán)境下的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。在重金屬離子吸附與解析過程中，生物炭表面的官能團(tuán)可能逐漸脫落，孔隙可能逐漸堵塞，導(dǎo)致生物炭結(jié)構(gòu)被破壞。因此，生物炭在多次使用后吸附能力可能大幅下降，且結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性可能隨之一同下降。破碎的生物炭密度低體積小，與水混合難以分離，直接關(guān)系到水的質(zhì)量和廢水的處理過程。

3.4 環(huán)境毒性

除了穩(wěn)定性外，生物炭對微生物的潛在毒性也應(yīng)引起注意。低劑量的生物炭可以促進(jìn)土壤微生物的酶活性或?qū)ζ錈o顯著影響，即低劑量的生物炭對微生物的毒性可以忽略不計。相比之下，高劑量生物炭通過誘導(dǎo)活性氧物種的形成并對細(xì)胞產(chǎn)生明顯的細(xì)胞毒性和基因毒性作用，破碎的生物炭還可能通過胞吞胞吐的方式進(jìn)入細(xì)胞引起細(xì)胞功能紊亂，因此有必要對其潛在的環(huán)境毒性進(jìn)行更多的研究。

4 結(jié)語

本文系統(tǒng)地介紹了生物炭在環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域，特別是在土壤修復(fù)與改良、固碳、水污染處理和有機(jī)物催化降解中的應(yīng)用及其主要機(jī)理，并對其未來發(fā)展方向進(jìn)行了展望。并對其在實際應(yīng)用環(huán)境中的穩(wěn)定性和功效進(jìn)行了評估，深入了解其對實際環(huán)境的潛在影響，認(rèn)為生物炭的工業(yè)化制備條件還需要根據(jù)具體環(huán)境和功能需求針對性地設(shè)計和改性。