生物质炭的特性及其应用的研究进展

孔丝纺，姚兴成，张江勇，姚晓东，曾辉,

1. 北京大学深圳研究生院//深圳市循环经济重点实验室，广东 深圳 518055；2. 北京大学城市与环境学院，北京 100871

生物质炭的特性及其应用的研究进展

孔丝纺1，姚兴成1，张江勇1，姚晓东1，曾辉1,2*

1. 北京大学深圳研究生院//深圳市循环经济重点实验室，广东 深圳 518055；2. 北京大学城市与环境学院，北京 100871

生物质炭是生物质原料在完全绝氧或部分缺氧条件下经高温热裂解产生的一类富碳、高度芳香化和高稳定性的固体产物。作为新型多功能材料，生物质炭以其特殊的物理结构、丰富的表面性能和优良的生态环境效应等特点日益成为众多学科研究的前沿热点。文章介绍了生物质炭的基本性质，概括了生物质炭在农业、环境、能源及生物质炭基功能材料等4个前沿领域的国内外应用研究进展，分析了目前各个应用领域研究存在的问题和不足，并指出了未来生物质炭应用研究的前景和方向。国内外研究表明：生物质炭因其丰富的孔隙结构和表面性能、巨大的比表面积、高含量的植物生长所需营养元素、较高的化学稳定性和较强的阳离子交换能力（CEC，cation exchange capacity），在土壤改良剂、固碳、氮减排、缓释肥料载体、污水治理、烟气净化、土壤修复、固体成型燃料、燃料电池、固体酸催化剂和电极材料等领域具有巨大的应用前景。这些方面的研究都取得了一定的进展，但目前生物质炭应用技术的研究还处于起步阶段，研究工作还有待于深入和加强。

生物质炭；农业；环境；能源；功能材料

生物质炭是指由富含碳的生物质在无氧或缺氧条件下经过高温裂解生成的一种具有高度芳香化、富含碳素的多孔固体颗粒物质。它含有大量的碳和植物营养物质、具有丰富的孔隙结构、较大的比表面积且表面含有较多的含氧活性基团，是一种多功能材料。它不仅可以改良土壤、增加肥力，吸附土壤或污水中的重金属及有机污染物，而且对碳氮具有较好的固定作用，施加于土壤中，可以减少CO2、N2O、CH4等温室气体的排放，减缓全球变暖（Ahmad等，2014；Nelissen等，2014；Tang等，2013）。

全球对生物质炭开展研究起源于对亚马逊盆地中部黑色土壤（Terra Preta）的认识。2007年第一届国际生物质炭会议在澳大利亚举办后，生物质炭成为了全球科技工作者关注的焦点和研究热点。2009年《Nature》连续发表文章指出生物炭在固碳减排、土壤改良和环境污染治理中的潜在应用前景（Kleiner，2009；Woolf等，2010）。国际生物炭联盟（International Biochar Initiative，IBI）的成立使得国际社会关于生物质炭的研究逐渐“升温”并呈现快速发展趋势。目前国内外关于生物质炭的应用研究主要集中在土壤改良、温室气体减排、受污染环境的治理与修复等农业与环境的应用领域，除此之外，生物质炭的利用对生物质能的推广与应用、废弃生物质资源化利用以及功能材料等领域也有着极高的应用价值和重要的现实意义。本文首先简要介绍了生物质炭的性质，然后详细综述了近年来学术界关于生物质炭在农业、环境、能源以及功能材料等领域应用的研究进展及存在的问题，并指出了未来生物质炭技术及应用领域的研究方向。

1 生物质炭的特性

一般而言，应用不同基质在不同条件下得到的生物质炭，其物理化学性质有所不同，但同时也拥有很多共同的特性：生物质炭的组成元素主要为碳、氢、氧、氮等，其中炭的质量分数最高，能达到38%～76%，烷基和芳香结构是生物质炭中最主要的成分；除碳元素含量高之外，生物质炭中的 N、P、K、Ca、Mg的含量也较高（王怀臣等，2012）。

生物质炭一般呈碱性，其pH值一般为5～12，且制备生物质炭的热解温度越高时，生物质炭的pH值越高（王怀臣等，2012）。生物质炭中含有的矿质元素形成的碳酸盐是生物质炭中碱性物质的主要存在形态，而生物质炭表面含有丰富的-COO-（-COOH）和-O-（-OH）等含氧官能团，是生物质炭中碱性物质的另一种存在形态（Yuan等，2011）。生物质炭表面丰富的含氧官能团形成了生物质炭良好的吸附特性、亲水或疏水的特点以及对酸碱的缓冲能力。另外，含氧活性基团使生物质炭表面带有负电荷，因而具有较高的阳离子交换能力（CEC）（王怀臣等，2012）。

生物质炭有着非常复杂的孔隙结构，孔隙大小不一。生物质炭的比表面积通常由其孔隙率决定。在一定温度范围内，比表面积随热解温度的升高而增加。正是因为生物质炭有着丰富的孔隙结构和丰富的表面官能团，才使得它具有一定的持水性；但热解温度越高，生物质炭的持水性越弱，这是由于热解温度越高，导致生物质炭表面的极性官能团越少，表面疏水性增强，因而不易保持土壤间隙水（戴静和刘阳生，2013）。

2 生物质炭的应用进展

正因为生物质炭具有丰富的孔隙结构、较大的比表面积、一定的持水性和表面丰富的官能团，使得它在许多领域有着广泛的应用前景。目前它的应用研究主要集中在农业、环境、能源以及功能材料等领域。

2.1 在农业领域的应用

2.1.1 土壤改良剂

生物质炭作为土壤改良剂，对土壤的改良作用主要表现在4个方面：改善土壤的物理化学性质、改善土壤微生态环境、改善土壤微生物环境及降低有毒元素的生物有效性等。

由于生物质炭具有巨大的比表面积和丰富的表面官能团，不仅可以通过改变土壤的物理、化学和微生物学性质来实现改良土壤性能，增加土壤肥力的作用（武玉等，2014），同时也可以增加土壤有机质（SOM）的含量，提高土壤有效性营养元素的含量，改变土壤微生态环境，促进植物生长（杨放等，2012）。Novak等（2009）指出把核桃壳生物炭（pH值为7.3）加入到酸性土壤时，土壤的pH值会从4.8增到6.3。Oguntunde等（2008）研究发现，生物炭的施入能降低 9%的土壤容重，加深土壤色度，并且能使土壤总孔隙率从45.7%增加到了50.6%。有研究表明，在酸性及砂质土壤应用生物炭可以大大增加土壤对K+、Na+、Ca2+、Mg2+和NH4+的吸持能力（Jones等，2011；Yao等，2010）。袁金华和徐仁扣（2010）研究表明：稻壳炭能够显著降低土壤酸度，增加土壤交换性盐基数量和 BSP（Base Saturation Percentage，土壤盐基饱和度），从而可使土壤交换性铝和可溶性铝含量降低。Laird等（2010a）研究发现将生物质炭应用于农业土壤中后能明显增加土壤的持水量和土壤的比表面积，且生物炭施入土壤后CEC提高了20%，且随炭量增加而提高。生物质炭产生的电荷和巨大的比表面积对土壤和植物所需的营养元素（N、P等）有较强的吸附作用，也能减少养分的淋失，提高养分的利用效率和增加土壤肥力（武玉等，2014；杨放等，2012）。Laird等（2010b）发现，随着生物炭施用量的增加，滤液中N、P、Mg和Si等含量显著降低，施用20 g·kg-1生物炭，滤液中总氮和可溶性磷含量分别减少11%和69%。Pietikainen等（2000）研究认为生物炭通过增加pH提高微生物群落的呼吸代谢速率，改善微生物对基质的利用格局，进而改良土壤肥力。

另外许多学者认为（Rhodes等，2008；Topoliantz等，2005；周建斌等，2008），施用生物质炭能降低Al、Cu、Fe等重金属可交换态的含量，增加Ca和Mg等植物必需元素的可利用性，同时起到土壤修复与促进作物生长的双重效果。周建斌等（2008）研究表明，棉秆炭能够通过吸附或共沉淀作用降低土壤镉的生物有效性，其中小白菜可食部分镉质量分数降低了49.43%～68.29%，根部镉质量分数降低64.14%～77.66%。

2.1.2 固碳/氮减排

生物质炭作为一种具有高度稳定性的富碳物质，在其产生和储存的过程中都能起到将生物质中碳素锁定而避免经微生物分解等途径进入大气的功效，从而起到了增汇减排、减少温室气体排放（CO2、N2O和CH4等气体）和影响气候变化的积极作用（Lehmann，2007；Woolf等，2010）。

生物质炭能将植物光合作用所固定的有机碳转化为惰性碳，使其不被微生物迅速矿化，从而实现固碳减排（Laird，2008），因此，生物质炭对缓解全球变暖意义重大。Lehmann（2007）估计，生物质炭每年最多可吸收 109t温室气体，超过2007年排放总量 8.5×109t的 10%（Lehmann，2007）。Woolf等（2010）指出，在不危及粮食安全、生存环境及土壤保护的情况下，应用生物质炭每年减排温室气体可高达1.8 Pg二氧化碳当量，占人类温室气体排放总量的12%。Kim等（2011）研究表明，不加生物质炭的土壤释放 CO2的量显著高于添加生物质炭土壤。除了碳封存，生物质炭直接还田还可大幅度减少农田土壤中氧化氮等温室气体的排放。Wang等（2011）发现生物质炭施入水稻土壤后土壤N2O排放平均值减少了73.1%，同时N2O累计排放抑制率高达51.4%～93.5%。尽管少数研究报道了生物质炭促进土壤N2O排放，一般认为，生物质炭施入土壤后能够抑制或是减少N2O的排放，抑制率可达 90%以上（Wang等，2011）。生物质炭还能在减少土壤 CH4排放方面发挥巨大作用（Liu等，2011；Bossio等，1999；Yoo和Kang，2012）。Liu等（2011）在室内淹水培养条件下分别添加源自竹子和稻草秸秆的生物炭，发现添加竹炭生物炭和水稻秸秆生物炭的水稻土壤 CH4的排放量分别减少了 51.1%和 91.2%。Bossio等（1999）研究发现，将稻秆燃烧后还田，土壤氧化还原电位要比稻秆直接还田高50 mV，而前者 CH4释放量只是后者的 1/5。Yoo和 Kang（2012）研究表明，玉米秸秆生物炭在水稻田小麦季施入，比在水稻季施入，能明显地减少水稻季的CH4排放。

目前，关于生物炭对土壤CO2、N2O、CH4排放影响的研究很多，但由于不同学者所采用的实验材料和研究方法存在较大的差异，所得出的结论也不尽相同。因此今后需加强生物质固碳减排的机理研究。

2.1.3 缓释肥料载体

生物质炭具有高度的孔隙结构，可以增加土壤孔隙度及增强土壤保水能力，降低土壤体积质量（Novak等，2009；宋延静和龚骏，2010），有利于植物根系生长；同时含有大量植物所需的营养元素，促进土壤养分循环和植物生长，延缓肥料养分在土壤中释放和降低淋洗损失（Laird，2008）；还具有较高的生物学稳定性，较强的抵抗微生物分解的能力，可以增强土壤的固碳作用（Goldberg，1985），减少碳向大气的释放。因此可将生物质炭作为缓释肥料载体，制成有机复合肥，实现对水和肥料有长效缓释作用（张齐生等，2009）。将生物炭与肥料复合制备成生物炭基肥料成为生物炭农用的一个新的发展方向。

生物质炭基缓释肥料作为新型肥料，能减缓肥料养分释放速度，提高农作物对肥料利用率，改善土壤生态，减少农业生产对环境的污染（刘玉学等，2009）。Khan等（2008）用木炭在NPK肥料溶液中通过吸附法制备生物炭基复合肥，N、P、K养分均呈缓慢而恒稳释放。卢广远等（2011）采用粘合剂将炭粉与化学肥料复合制备成炭基肥料，对玉米具有较好的增产效应。付嘉英等（2013）利用生物质炭与化肥混合制成的生物质炭基肥料进行田间试验研究发现，与普通复合肥相比，施用的小麦秸秆炭基肥在总养分含量比普通复合肥减少 18%的条件下，小白菜的产量显著地提高了45.03%。陈琳等（2013）利用 5种原料的生物质炭与化肥混合制作炭基复混肥进行试验研究，发现与常规复混化肥比较，炭基肥处理施氮量减少19.94%，但水稻的经济产量提高了 6.70%以上，其中小麦秸秆炭基肥处理增产幅度最高，达39.34%。蒋恩臣等（2014）研究发现与纯颗粒尿素相比，生物质炭基尿素缓释肥的缓释性能有显著提高，随着生物质炭含量增加和肥料颗粒粒径增大，缓释性能显著提高。高海英等（2013）以竹炭、木炭、硝酸铵为原材料，分别制备了竹炭基氮肥和木炭基氮肥，在壤土和砂土上，施用竹炭基氮肥和木炭基氮肥可显著促进小麦、糜子的生长和增产，并能提高氮肥利用率，延长肥料养分在土壤中的存留期，减少养分淋失。

将生物质炭作为肥料载体制备的生物质炭基肥料，不仅可以促进作物生长和增产，还有利于生物质炭农用效益的提升，但目前该研究才刚刚起步，还需要进一步地深入研究。

2.2 在环保领域的应用

生物质炭的低成本、多孔性、环境高稳定性和巨大的比表面积以及富含活性基团，使得生物质炭对环境污染物具有强烈的吸附作用，因此在环境领域有着广泛的应用前景。目前生物质炭在环保领域的应用主要包括污水处理、烟气净化和土壤修复等3个方面。

2.2.1 污水处理

生物质炭在污水净化领域的应用主要是利用生物质炭去除废水中的农药、其他有机溶剂和重金属离子等。陈宝梁等（2008）比较了不同炭化温度下所制生物质炭吸附剂对有机污染物的吸附性能。研究发现生物质炭吸附剂对水中 4-硝基甲苯有较强的吸附能力，低于400 ℃时，随着炭化温度的升高，生物质炭吸附剂的吸附性能逐渐增大。Chen和Chen（2009）发现松树枝生成的生物质炭可以有效去除污染水体中的萘、硝基苯以及间二硝基苯等环境污染物。Arvelakis等（2010）研究发现生物质炭对汞离子的吸附能力优于商业煤基活性炭。Uchimiya等（2011）用不同温度生产的生物炭对水中和土壤中的Cd2+、Cu2+、Ni2+和Pb2+作了研究，发现随着生物炭的pH升高，它对重金属离子的吸附和固定加强。Liu和 Zhang（2009）用松树和米糠生产的生物炭来研究生物炭对水中Pb2+吸附，发现生物炭表面大量的含氧基团对Pb2+有较强的吸附效应。陈再明等（2012）研究发现，在350、500、700 ℃下用水稻秸秆制备的生物炭对Pb2+的最大附量分别为65.3、85.7和76.3 mg·g-1，是原秸秆生物质的5～6倍、活性炭的2～3倍。

2.2.2 烟气净化

生物质炭对一些气体包括 NH3、CO、SO2、H2S等也具有强大的吸附能力，还能对烟气中的一些气态Hg等有较强的吸附作用，用生物质炭吸附有害气体具有操作简单、经济可行、效果良好等优点，因此可以将生物质炭用于气体污染物治理领域，目前国内外在这方面的研究相对较少，还处于起步阶段。Klasson等（2014）采用4种不同的原料（杏仁壳，棉籽壳，木质素，和鸡粪）在4个不同温度（350、500、650和800 ℃）下制备生物质炭，制得的生物质炭分别进行水洗和不水洗后进行烟气脱汞的试验研究。研究结果表明：在 650 ℃和 800 ℃下制得的生物质炭经过水洗后，能对烟气中汞起到最好的脱除效果，汞的脱除率达到了95%以上（Klasson等，2014）。Shang等（2012）发现香樟树枝制成的生物炭可以有效去除恶臭气体中的硫化氢。Azargohar和Dalai（2011）用白木制备的生物炭对H2S恶臭气体的脱除进行了研究，发现这种生物炭对 H2S的脱除效果比普通的纯活性炭好。

2.2.3 土壤修复

由于生物质炭施用于土壤后能提高微生物活性，活性增强的微生物可以促进土壤中有害物的降解及失活，因此可以达到对土壤修复与治理的目的。Jones等（2011）研究表明：典型生物炭的应用能够抑制西玛津的生物降解速率并使其很难随水迁移，因此生物炭可以减少杀虫剂污染环境和通过食物链危害人类的危险。Yu等（2009）研究发现生物炭能明显减少土壤中的杀虫剂数量和洋葱吸收的杀虫剂量，其中850 ℃的生物炭效果最佳。Lou等（2011）发现生物炭的应用降低了浸出液的五氯苯酚质量浓度（从4.53 mg·L-1至0.17 mg·L-1）并明显增加了发芽率和根系长度，因此生物炭可作为一种潜在的有机污染物的原位吸附剂。Chen和Yuan（2011）研究发现生物炭能够加强土壤对多环芳烃的吸附，且应用了低温（100 ℃）生产的生物炭土壤的吸附量与生物炭的应用量呈线性关系，其它温度的生物炭也是呈正相关关系。Beesley和Marmiroli（2011）将400 ℃下制得的生物炭施入土壤后，发现土壤沥出液中Cd和Zn的浓度分别降低了300倍和45倍。丁文川等（2011）将不同温度下热解的松木条生物炭用于修复重金属Pb和Cd污染土壤，结果表明，生物炭加入具有钝化土壤重金属，降低其生物有效性的作用。

2.3 在能源领域的应用

2.3.1 固体生物质炭燃料

将生物质原料转化为生物质炭，再将生物质炭作为燃料使用或转化成生物质炭成型燃料，既能避免生物质燃料收集困难、体积大运输成本高的弊端，还充分利用了生物质资源，并有望借此缓解全球能源危机。

吴琪琳等（2010）以板栗壳为原料，在550～750 ℃范围内制备了固定碳质量分数为83%～ 91%的生物质炭，每千克生物质炭的热值为30～35 MJ，达到了GB/T 17608—2006中一级精煤的标准。Abdullah和Wu（2009）以小桉树木材为原料，在 300～500 ℃范围内制备了生物质炭，其热值（28 MJ·kg-1）与生物质（10 MJ·kg-1）相比提高了1.8倍，可与煤基燃料（26 MJ·kg-1）媲美。许绍良（2008）以木质素或者在以生物质为原料进行产品加工的过程中产生的包含有大量木质素成分的物质作黏合剂、生物质炭粉末和优质煤粉混合加工成为生物质炭半成品，再经过不低于 350 ℃的加热炭化处理后成为成型生物质炭成品。祖元刚等（2009）将农林业植物加工剩余物高温无氧热解后得到的生物焦油、生物质炭粉等产物和 MgO、松节油调拌均匀，压制成型，将其表面均匀涂布防水涂层而成一种固体生物燃料块。未来生物质炭成型燃料研究工作的重点应是选择和开发具有高黏结性、低成本、环保性能好的胶黏剂以及对成型工艺的优化。

2.3.2 燃料电池

生物质炭较高的比表面积、丰富的含氧官能团能促进电池的阳极反应（Li等，2009），而良好的导电性能以及较低的灰度则能降低欧姆极化，延长电池使用寿命，因此生物质炭是直接碳燃料电池理想的阳极材料。Elleuch等（2013）将杏仁壳生物质炭用作直接碳燃料电池中的燃料，发现生物质炭有很好的应用潜力，这种生物质炭燃料在700 ℃时提供了 1.07 V的开路电位。张居兵等（2010）以竹片为原料制备了比表面积为 1264.38m2·g-1，体积电阻率为1568.7 μΩ·m，灰分为7.14%的生物质炭，并研究发现所制备的竹质生物质炭比活性碳纤维与石墨炭材料具有更优的极化性能。Huggins（2014）等认为将木质基生物质炭用作微生物燃料电池电极可以显著降低成本和碳足迹，且生物质炭较低的材料成本使得它的电力输出成本比颗粒活性炭GAC和石墨颗粒GG的输出成本便宜了90%。

2.4 在生物质炭基功能材料领域的应用

2.4.1 固体酸催化剂

生物质炭基固体酸催化剂因具有亲油性好、催化效率高、稳定性好、易回收重复利用、对环境友好、制备成本低廉及可再生等优点越来越受到重视。

Kastner等（2012）将热解花生壳和木屑得到生物质炭通过浓硫酸磺化制得了固体酸催化剂，发现它们对催化棕榈酸和硬脂酸的酯化反应均表现出较高的活性，棕榈酸转化率可接近 100%。Li等（2013）以热解稻壳炭为原料制备的固体酸催化剂表现出较高的催化酯化反应活性，在催化剂用量为5%、甲醇/油酸摩尔比为4、酯化温度和时间分别为110 ℃和2 h的条件下，油酸的酯化率可达98.7%，该催化剂具有较好的稳定性，经7次连续反应后，油酸的酯化率仍可达 96.0%。陈茜茜和郭建忠（2014）以马尾松木屑为原料，通过炭化、磺化法制备生物质炭基固体磺酸催化剂。通过正交试验确定固体酸催化剂的最佳条件为反应时间 2 h、浓硫酸用量100 mL、催化剂用量13%、磺化温度165 ℃、油酸转化率可达91.36%。

2.4.2 电极材料

随着新型材料的发展，生物质焦炭的导电性越来越受到关注。于英民等（2012）采用稻壳基多孔炭材料包覆聚苯胺制备了复合电极材料，研究结果发现当聚苯胺负载量达到 50%时，对复合材料的电化学性能产生明显影响，最大比电容达308.7 F·g-1。刘树和等（2012）以廉价的生物质废弃物思茅松锯末热解炭制备了多孔炭电磁屏蔽材料，结果表明：在 130～1800 MHZ内，多孔炭的屏蔽效能在38.8～56.2 dB之间，屏蔽效果较好，并优于无孔炭材料。Li等（2010）的研究表明：通过将秸秆中温炭化和后续的化学活化，可以制备具有高比电容的超级活性炭。肖正辉等（2011）以生物质秸秆炭化物为基础炭材料制备超级电容器使用的活性炭，结果表明：酸处理可溶去炭材料中的无机组分，从而形成丰富的孔结构，导致炭材料比电容加大，循环伏安曲线显示出良好的可逆特性；随着处理时间延长，超级炭材料的比电容逐步加大，最高比电容达426.3 F·g-1，比原样炭提高了50%以上，活性炭循环3000次后的比电容仍保持97.2%。

3 结论与展望

生物质炭资源广泛，具有绿色且可持续发展的特点。在全球资源日益匮乏、环境污染问题日趋严重的今天，利用含碳量高的生物质废弃物原料制备生物质炭不仅避免了环境污染并可生成新的能源，也是一种废物资源化的良好途径。目前国内外对生物质炭的研究还处于起步阶段，当前生物炭的研究前景及有待解决的问题主要存在以下几个方面：

（1）农业应用领域。虽然生物质炭的施用对土壤环境功能（改善土壤结构和理化性质、提高土壤利用效率并增加肥效、实现固碳减排）等有多方面的积极作用，但大量、长期施用生物质炭可能存在的环境风险和长期效果、生物质炭的碳汇稳定性和生态效应还不完全清楚；生物质炭对土壤和农业生态系统环境功能影响的机理目前还缺乏系统全面的研究；生物质炭基肥料的效果改善研究还处于起步阶段，且目前的研究还停留在室内模拟与小规模的田间理论研究阶段，后续生物质炭农业应用研究需要在这几个方面予以加强。

（2）环保应用领域。生物质炭作为生物质热解产物，一方面能实现对固体废弃物的处置与资源化利用，减少固废污染；另一方面因其特殊的理化性能，在水体污染治理、烟气净化和污染土壤修复方面有巨大的应用潜力。但目前缺乏生物质炭对不同污染物的吸附效应、吸附机制及生物质炭施用后土壤中污染物的迁移性和有效性影响方面系统深入的研究：多数研究只是利用某一种或某一类生物质炭对单一污染物进行净化或吸附处理，但不同种类生物质炭的形状、特点及吸附性能存在差异，且多数污染是以多种污染物复合污染的形式存在的，复合污染的作用及处理机制也有很大区别，需要专门研究。另外现有的机理研究也多数还处于定性描述阶段，因此阐明生物炭吸附过程中不同作用机制对吸附的贡献率以及生物炭的结构或表面化学基团对吸附贡献的构-效关系研究也应该是未来的一个研究重点。

（3）能源应用领域。生物质炭作为一种新型的能源材料，有利于实现能源多元化，减少对化石燃料的依赖性并降低传统化石能源带来的环境污染。虽然生物质炭成型燃料有着优良的性能和广阔的应用前景，但由于现有的胶黏剂及其成型工艺难以满足成型燃料较高成型能力、较好的机械强度及低生产成本的要求，因此能够作为高附加值商品化的成型生物质炭燃料还较少，未来生物质炭成型燃料研究工作的重点应是选择和开发具有高黏结性、低成本、环保性能好的胶黏剂以及对成型工艺的优化；而对于生物质炭在燃料电池方面的研究还处于起步摸索阶段，需要进一步地深入和加强。

（4）功能材料应用领域。现阶段关于生物质炭在固体酸催化剂和电极材料方面的应用只是涉及生物质炭的催化性、可再生性和导电性，这只是生物质炭在功能材料领域应用的一个开端。今后的研究要开发新的生物质炭基固体酸制备技术，加强生物质炭在工业硅冶炼领域的研究，并开发多功能的生物质炭，例如，改善生物质炭的导电性、赋予生物质炭光敏性或磁场响应性，拓宽其在功能材料领域的应用范围，为生物质废弃物资源化利用提供一个新的途径。

ABDULLAH H, WU H. 2009. Biochar as a Fuel: 1. Properties and Grindability of Biochars Produced from the Pyrolysis of Mallee Wood under Slow-Heating Conditions [J]. Energy & Fuels, 23(8): 4174-4181.

AHMAD M, RAJAPAKSHA A U, LIM J E, et al. 2014. Biochar as a sorbent for contaminant management in soil and water: a review [J]. Chemosphere, 99(6): 19-33.

ARVELAKIS S, CROCKER C, FOLKEDAHL B, et al. 2010. Activated Carbon from Biomass for Mercury Capture: Effect of the Leaching Pretreatment on the Capture Efficiency [J]. Energy & Fuels, 24(8): 4445-4453.

AZARGOHAR R, DALAI A K. 2011. The direct oxidation of hydrogen sulphide over activated carbons prepared from lignite coal and biochar [J]. The Canadian Journal of Chemical Engineering, 89(4): 844-853.

BEESLEY L, MARMIROLI M. 2011. The immobilisation and retention of soluble arsenic, cadmium and zinc by biochar [J]. Environmental Pollution, 159(2): 474-480.

BOSSIO D A, HORWATH W R, MUTTERS R G, et al. 1999. Methane pool and flux dynamics in a rice field following straw incorporation [J]. Soil Biology and Biochemistry, 31(9): 1313-1322.

CHEN B, CHEN Z. 2009. Sorption of naphthalene and 1-naphthol by biochars of orange peels with different pyrolytic temperatures [J]. Chemosphere, 76(1): 127-133.

CHEN B, YUAN M. 2011. Enhanced sorption of polycyclic aromatic hydrocarbons by soil amended with biochar [J]. Journal of Soils and Sediments, 11(1): 62-71.

ELLEUCH A, BOUSSETTA A, YU J, et al. 2013. Experimental investigation of direct carbon fuel cell fueled by almond shell biochar: Part I. Physico-chemical characterization of the biochar fuel and cell performance examination [J]. International Journal of Hydrogen Energy, 38(36): 16590-16604.

GOLDBERG E D. 1985. Black carbon in the environment. Properties and distribution [M]. New York: Wiley, 198.

HUGGINS T, WANG H, KEARNS J, et al. 2014. Biochar as a sustainable electrode material for electricity production in microbial fuel cells [J]. Bioresource Technology, 157(2): 114-119.

JONES D L, EDWARDS-JONES G, MURPHY D V. 2011. Biochar mediated alterations in herbicide breakdown and leaching in soil [J]. Soil Biology & Biochemistry, 43(4): 804-813.

KASTNER J R, MILLER J, GELLER D P, et al. 2012. Catalytic esterification of fatty acids using solid acid catalysts generated from biochar and and activated carbon [J]. Catalysis Today, 190(1): 122-132.

KHAN M, KIM K, WU M Z, et al. 2008. Nutrient-impregnated charcoal: an environmentally friendly slow-release fertilizer [J]. The Environmentalist, 28(3): 231-235.

KIM Y, MAKOTO K, TAKAKAI F, et al. 2011. Greenhouse gas emissions after a prescribed fire in white birch-dwarf bamboo stands in northern Japan, focusing on the role of charcoal [J]. European Journal of Forest Research, 130(6): 1031-1044.

KLASSON K T, BOIHEM J L L, UCHIMIYA M, et al. 2014. Influence of biochar pyrolysis temperature and post-treatment on the uptake of mercury from flue gas [J]. Fuel Processing Technology , 123: 27-33.

KLEINER K. 2009. The bright prospect of biochar [J]. Nature Reports Climate Change, 3: 72-74.

LAIRD D A, FLEMING P, DAVIS D D, et al. 2010a. Impact of biochar amendments on the quality of a typical Midwestern agricultural soil [J]. Geoderma, 158(3-4): 443-449.

LAIRD D A. 2008. The charcoal vision: A win-win-win scenario for simultaneously producing bioenergy, permanently sequestering carbon, while improving soil and water quality [J]. Agronomy Journal, 100(1): 178-181.

LAIRD D, FLEMING P, WANG B, et al. 2010b. Biochar impact on nutrient leaching from a Midwestern agricultural soil [J]. Geoderma, 158(3-4):436-442.

LEHMANN J. 2007. A handful of carbon[J]. Nature, 447(7141): 143-144.

LI M, CHEN D, ZHU X. 2013. Preparation of solid acid catalyst from rice husk char and its catalytic performance in esterification [J]. Chinese Journal of Catalysis, 34(9): 1674-1682.

LI X, HAN C, CHEN X, et al. 2010. Preparation and performance of straw based activated carbon for supercapacitor in non-aqueous electrolytes [J]. Microporous and Mesoporous Materials, 131(1-3): 303-309.

LI X, ZHU Z, CHEN J, et al. 2009. Surface modification of carbon fuels for direct carbon fuel cells [J]. Journal of Power Sources, 186(1): 1-9.

LIU Y, YANG M, WU Y, et al. 2011. Reducing CH4 and CO2emissions from waterlogged paddy soil with biochar [J]. Journal of Soils and Sediments, 11(6): 930-939.

LIU Z, ZHANG F. 2009. Removal of lead from water using biochars prepared from hydrothermal liquefaction of biomass [J]. Journal of Hazardous Materials, 167(1-3): 933-939.

LOU L, WU B, WANG L, et al. 2011. Sorption and ecotoxicity ofpentachlorophenol polluted sediment amended with rice-straw derived biochar [J]. Bioresour Technol, 102(5): 4036-4041.

NELISSEN V, SAHA B K, RUYSSCHAERT G, et al. 2014. Effect of different biochar and fertilizer types on N2O and NO emissions [J]. Soil Biology and Biochemistry, 70: 244-255.

NOVAK J M, BUSSCHER W J, LAIRD D L, et al. 2009. Impact of Biochar Amendment on Fertility of a Southeastern Coastal Plain Soil [J]. Soil Science, 174(2): 105-112.

OGUNTUNDE P G, ABIODUN B J, AJAYI A E, et al. 2008. Effects of charcoal production on soil physical properties in Ghana [J]. Journal of Plant Nutrition and Soil Science. 171(4): 591-596.

PIETIKAINEN J, KIIKKILA O, FRITZE H. 2000. Charcoal as a habitat for microbes and its effect on the microbial community of the underlying humus [J]. Oikos, 89(2): 231-242.

RHODES A H, CARLIN A, SEMPLE K T. 2008. Impact of black carbon in the extraction and mineralization of phenanthrene in soil [J]. Environmental Science & Technology, 42(3): 740-745.

SHANG G, SHEN G, WANG T, et al. 2012. Effectiveness and mechanisms of hydrogen sulfide adsorption by camphor-derived biochar [J]. Journal of the Air & Waste Management Association, 62(8): 873-879.

TANG J, ZHU W, KOOKANA R, et al. 2013. Characteristics of biochar and its application in remediation of contaminated soil [J]. J Biosci Bioeng, 116(6): 653-659.

TOPOLIANTZ S, PONGE J F, BALLOF S. 2005. Manioc peel and charcoal: a potential organic amendment for sustainable soil fertility in the tropics [J]. Biology and Fertility of Soils, 41(1): 15-21.

UCHIMIYA M, WARTELLE L H, KLASSON K T, et al. 2011. Influence of pyrolysis temperature on biochar property and function as a heavy metal sorbent in soil [J]. Journal of Agricultural and Food Chemistry, 59(6): 2501-2510.

WANG J, ZHANG M, XIONG Z, et al. 2011. Effects of biochar addition on N2O and CO2 emissions from two paddy soils [J]. Biology and Fertility of Soils, 47(8): 887-896.

WOOLF D, AMONETTE J E, STREET-PERROTT F A, et al. 2010. Sustainable biochar to mitigate global climate change [J]. Nat Commun, 1(5): 1-9.

YAO F X, ARBESTAIN M C, VIRGEL S, et al. 2010. Simulated geochemical weathering of a mineral ash-rich biochar in a modified Soxhlet reactor [J]. Chemosphere, 80(7): 724-732.

YOO G, KANG H. 2012. Effects of biochar addition on greenhouse gas emissions and microbial responses in a short-term laboratory experiment [J]. J Environ Qual, 41(4): 1193-1202.

YU X, YING G, KOOKANA R S. 2009. Reduced plant uptake of pesticides with biochar additions to soil [J]. Chemosphere, 76(5): 665-671.

YUAN J, XU R, ZHANG H. 2011. The forms of alkalis in the biochar produced from crop residues at different temperatures [J]. Bioresource Technology, 102(3): 3488-3497.

陈宝梁, 周丹丹, 朱利中, 等. 2008. 生物碳质吸附剂对水中有机污染物的吸附作用及机理[J]. 中国科学 B辑: 化学, 38(6): 530-537.

陈琳, 乔志刚, 李恋卿, 等. 2013. 施用生物质炭基肥对水稻产量及氮素利用的影响[J]. 生态与农村环境学报, 29(5): 671-675.

陈茜茜, 郭建忠. 2014. 生物质炭基固体磺酸的制备及其酸催化性能研究[J]. 化学研究与应用, 26(2): 316-320.

陈再明, 方远, 徐义亮, 等. 2012. 水稻秸秆生物碳对重金属Pb～(2+)的吸附作用及影响因素[J]. 环境科学学报, 32(4): 769-776.

戴静, 刘阳生. 2013. 生物炭的性质及其在土壤环境中应用的研究进展[J]. 土壤通报, 44(6): 1520-1525.

丁文川, 曾晓岚, 王永芳, 等. 2011. 生物炭载体的表面特征和挂膜性能研究[J]. 中国环境科学, 31(9):1451-1455.

付嘉英, 乔志刚, 郑金伟, 等. 2013. 不同炭基肥料对小白菜硝酸盐含量、产量及品质的影响[J]. 中国农学通报, 29(34): 162-165.

高海英, 陈心想, 张雯, 等. 2013. 生物炭和生物炭基氮肥的理化特征及其作物肥效评价[J]. 西北农林科技大学学报: 自然科学版, 41(4): 69-78.

蒋恩臣, 张伟, 秦丽元, 等. 2014. 粒状生物质炭基尿素肥料制备及其性能研究[J]. 东北农业大学学报, 45(11): 89-94.

刘树和, 赵淑春, 林志伟, 等. 2012. 生物质多孔炭的电磁屏蔽性能研究[J]. 材料导报, 26(8): 13-16.

刘玉学, 刘微, 吴伟祥, 等. 2009. 土壤生物质炭环境行为与环境效应[J].应用生态学报, 20(4): 977-982.

卢广远, 张艳, 王祥福, 等. 2011. 炭基肥料种类对土壤物理性质及玉米产量的影响[J]. 河北农业科学, 15(5): 50-53.

宋延静, 龚骏. 2010. 施用生物质炭对土壤生态系统功能的影响[J]. 鲁东大学学报: 自然科学版, 26(4): 361-365.

王怀臣, 冯雷雨, 陈银广. 2012. 废物资源化制备生物质炭及其应用的研究进展[J]. 化工进展, 31(4): 907-914.

吴琪琳, 王光学, 韩浩, 等. 2010. 一种疏松多孔结构板栗壳基生物质炭的制备方法: 中国, ZL 201010216651.6[P]. 2010-11-24. http:// publicquery.sipo.gov.cn/index.jsp?language=zh_CN

武玉, 徐刚, 吕迎春, 等. 2014. 生物炭对土壤理化性质影响的研究进展[J]. 地球科学进展, 29(1): 68-79.

肖正辉, 李学良, 邢高瞻. 2011. 酸处理对秸秆基活性炭电化学性能的影响[J]. 硅酸盐学报, 39(4): 596-600.

许绍良. 2008. 一种生产高强度后成型生物质炭的生产方法: 中国, CN 101168677 A[P]. 2008-04-30. http://publicquery.sipo.gov.cn/index.jsp? language=zh_CN

杨放, 李心清, 王兵, 等. 2012. 生物炭在农业增产和污染治理中的应用[J]. 地球与环境, 40(1):100-107.

于英民, 潘健, 邢伟. 2012. 聚苯胺/生物质炭复合材料的制备与电容性能研究[J]. 昆明理工大学学报: 自然科学版, 37(6): 33-37.

袁金华, 徐仁扣. 2010. 稻壳制备的生物质炭对红壤和黄棕壤酸度的改良效果[J]. 生态与农村环境学报, 26(5): 472-476.

张居兵, 仲兆平, 郭厚焜, 等. 2010. 直接碳燃料电池竹质活性炭的制备[J]. 中国电机工程学报, 30(23):108-113.

张齐生, 周建斌, 屈永标. 2009. 农林生物质的高效、无公害、资源化利用[J]. 林产工业, 36(1): 3-8.

周建斌, 邓丛静, 陈金林, 等. 2008. 棉秆炭对镉污染土壤的修复效果[J].生态环境, 17(5):1857-1860.

祖元刚, 杨磊, 孙国勇, 等. 2009. 一种固体生物燃料块的制备方法: 中国, CN 101434881 A[P]. 2009-05-20. http://publicquery.sipo.gov.cn/ index.jsp?language=zh_CN

Review of Characteristics of Biochar and Research Progress of Its Applications

KONG Sifang1, YAO Xingcheng1, ZHANG Jiangyong1, YAO Xiaodong1, ZENG Hui1,2
1. Shenzhen Graduate School of Peking University//Shenzhen Key Laboratory of Circular Economy, Shenzhen 518055, China 2. College of Environmental and Urban Science, Peking University, Beijing 100871, China

Biochar is the solid residue with high carbon content, most aromatic structure and great stability resulting from high-temperature thermal conversion of biomass materials under the completely or partially anoxic condition. As a new multifunctional material, biochar has attracted extensive concern and become research focus at home and abroad because of its special physical structure, rich surface properties, and excellent ecological and environmental effects. In this paper, the basic properties of biochar were firstly introduced. Then the research progress of its application in the fields of agriculture, environment, energy and function material were summarized in detail. The current problems and insufficiency existing in biochar application studies were discussed. In addition, possible hotspots for future study on biochar were analyzed. Due to its abundant pore structure and surface properties，large specific surface area，high contents of essential nutrients for plants, high chemical stability and cation exchange capacity (CEC, cation exchange capacity), biochar has great application prospect and got certain research progress in soil amendment，carbon (nitrogen) sequestering and greenhouses (nitrogen) emission reduction，slow-release fertilizer carrier, wastewater treatment, flue gas purification, soil restoration, solid molding fuel, fuel cell, solid acid catalyst and electrode materials. However, the biochar application technology research is still in its infancy, so there are still many problems in the application areas, which need to be improved. Future research would focus on the following aspects: the environmental risk and influence mechanism of biochar to the function of soil and agricultural ecosystem; the influence law of migration and effectiveness of biochar to pollutants in different media and biochar adsorption mechanism of different pollutants; development of a new adhesive with high bondability, low cost and high environmental performance and an optimized biochar fuel molding process; in-depth fuel cell application research; development and application of multifunctional biochar materials, etc. The study could provide a reference on applications and promotion of biochar technology.

biochar; agriculture; environment; energy; functional materials

10.16258/j.cnki.1674-5906.2015.04.025

X142

A

1674-5906（2015）04-0716-08

孔丝纺，姚兴成，张江勇，姚晓东，曾辉. 生物质炭的特性及其应用的研究进展[J]. 生态环境学报, 2015, 24(4): 716-723.

KONG Sifang, YAO Xingcheng, ZHANG Jiangyong, YAO Xiaodong, ZENG Hui. Review of Characteristics of Biochar and Research Progress of Its Applications [J]. Ecology and Environmental Sciences, 2015, 24(4): 716-723.

国家自然科学青年基金项目（41201532）；国家自然科学基金重大项目（41390240）；广东省自然科学基金项目（2014A030313720）；深圳市战略性新兴产业发展专项资金项目（JCYJ20120614151558529）

孔丝纺（1981年生），女，助理研究员，博士，主要从事生物质能源技术的开发及土壤修复的研究。E-mail: mengsiksf@163.com *通信作者。E-mail: zenghui@pkusz.edu.cn

2015-02-02