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生物炭制备及其性能研究进展
时间:2020-10-29 09:10:14来源:汉斯出版社
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提要:生物炭因超强的吸附性和稳定性在土壤营养状况改善与污染修复等领域得到广泛应用。

生物炭利用工农业有机废弃物、污水处理产生的污泥等在一定的温度、氧气条件下,通过合适的工艺方法将有机物干燥裂解成稳定、难溶、富碳的超强吸附性物质。生物炭原材料尺寸的大小会影响到生物炭产率,主要表现为尺寸增大生物炭产量随之增加。不同的制备材料与工艺条件影响生物炭的性能,且生物炭的产率、吸附性等特性影响其在土壤环境质量改良、农业温室气体减排以及土壤污染联合修复中作用效能。

生物炭作为一种再生可利用材料,在农业、工业以及环境修复领域具有广泛的应用前景,研究生物炭的制备、改性及适用性具有重要意义。因此,在汉斯出版社《化学工程与技术》期刊中,有论文总结了生物炭的制备及改性方法,分析制备材料、制备温度等因素对生物炭性能影响,对并生物炭制备及应用研究进行了展望。

根据生物炭制备过程中热裂解技术的不同,生物炭制备方法主要有炭化法、水热炭化法、气化法和微波热解法等。不同方法制备生物炭的过程中主要受炭化温度、炭化速率、炭化压力、停留时间、催化剂、气象滞留期、生物质种类等因素影响。其中,炭化法制备生物炭的产率为10%~35%,与加热温度、速率反应停留时间整体呈反比。炭化裂解温度在400~1300之间,且温度越高裂解成炭时间越短。微波热解法是在波长1mm~100cm、限氧、400~500条件下,通过微波加热使原材料升温并裂解,相对可控性好、准备成本低。

近年来,随着纳米技术的迅速发展,研究者通过生物炭基纳米复合材料,引入纳米材料的优势,以对生物炭进行改性,优化比表面积、孔隙体积与表面活性位带点等。研究表明,磁性生物炭大大增加了生物炭在环境修复领域广泛饮用的可能性。如磁性水葫芦生物炭可基本去除水中As,而相同条件下未改性的生物炭的去除率仅为8.9%。此外,利用金属氧化物、石墨烯、多壁碳纳米管等功能性纳米粒子,通过慢速裂解制备杨木、松木、花生壳以及甘蔗渣等为原料的生物炭,可明显改善生物炭材料,大幅提高生物炭吸附性能。

原材料性质、制备方法、裂解温度、加热速率、停留时间件差异影响,生物炭的碳组分和灰分、比表面积、pH、元素组成和表面官能团等理化性质及孔隙结构方面特性不同,进而影响其最终在环境应用中的效应。生物炭的全碳及灰分含量分别在16.5%~83.6%和3.2%~76.2%之间,且木质类生物炭的碳组分在60%~85%,整体较秸秆类和壳核类生物炭的碳组分含量(40%~80%)高。此外,生物炭制备过程中的裂解温度与其碳组分和灰分呈显著正相关,相关系数分别为0.17和0.28,且施用在土壤中可显著增加土壤碳含量,提高碳氮比。

生物炭性能与环境修复效应由其制备方法、工艺及优化改性决定,众多研究关注生物炭的制备原材料性质、类型对生物炭产率、性能、应用条件等影响,以及添加其他试剂材料对生物炭进行改性优化,但多处于实验室研究阶段。良好性能生物炭的产业化生产、工程化应用以及标准化管控还有待进一步总结研究。

文章来源:https://doi.org/10.12677/HJCET.2020.105049

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