综述：功能化生物炭作为碳汇在水土处理中的结构-功能关系

《Journal of Molecular Structure》：Structure–Function Relationship of Functionalized Biochar as a Carbon Sink for Water and Soil Treatment

农业废弃物通过热解转化为生物炭，在碳封存、土壤改良及水处理中发挥关键作用，其结构-功能关系受原料成分与热解参数影响，但存在标准化不足、机制复杂等挑战。

　　农业废弃物作为生物炭生产原料，为解决环境和气候问题提供了一种可持续的途径。生物炭作为一种功能性碳材料，其在环境应用中的效能主要取决于其物理化学特性，如比表面积、孔隙结构以及表面官能团的种类。随着全球工业化和城市化的快速发展，环境问题日益严峻，包括污染、全球变暖、酸雨、臭氧层破坏、生物多样性减少、人口过剩、废弃物管理、除草剂森林砍伐等。这些问题大多源于对自然资源的过度和无节制的使用，对生态环境造成了极大的破坏。无序的城市扩张、快速的工业发展、森林砍伐和农业用地退化都是全球化带来的后果，影响着环境健康。全球范围内，缺乏清洁的水、空气、卫生和防疫措施，导致了世界近10%的人口和疾病负担。重金属、农药等污染物的沉积，污染了水体，威胁了淡水资源的安全，并对生态系统和人类健康构成了严重风险。农田质量的下降，结合土壤侵蚀和盐碱化，正威胁着全球的粮食供应链。因此，地球正面临严重的生态问题，这些都与上述因素密切相关。

农业领域在气候变化和环境退化方面发挥了重要作用，主要通过排放温室气体、破坏森林和土壤、污染水体等方式，这些行为削弱了环境的可持续性和全球粮食安全。值得注意的是，地球大约三分之一的土地用于农作物生产，而农业生物质的80%被生产后丢弃，这再次导致了环境污染。一旦农作物被收割，大量的农业生物废弃物（ABW）就会产生。这些废弃物包括稻壳、小麦秸秆、松针、林业废弃物、水果皮、动物粪便等。印度每年产生约5亿吨农业废弃物，平均每个家庭成员每月丢弃约50公斤的食物。预计到2025年底，每人每月将产生约4到5公斤的ABW。这些废弃物往往会释放温室气体如甲烷和二氧化碳，从而加剧全球变暖。大气中温室气体的持续增加归因于生物质处理不当和碳排放量的大幅上升。因此，迫切需要一种环保技术，能够将这些ABW转化为有用的产品。其中一种备受关注的策略是将生物质转化为一种稳定的芳香碳材料，然后将其储存于土壤中。这种碳添加不仅有助于解决土壤中重金属的迁移问题，还能减少其在土壤中的可利用性，从而改善土壤环境。因此，将这些ABW转化为生物炭是一种环保的方法。

生物炭的高碳含量使其成为一种有效的碳储存材料。当生物炭被添加到土壤中时，其高碳含量能够固定碳，防止其重新释放到大气中作为二氧化碳。随着生物炭向土壤中添加的碳含量增加，有助于减少大气中的二氧化碳浓度。生物炭因其顽固的性质，能够在土壤中停留数十年甚至数百年。这种特性为碳储存提供了一种可靠、长期的解决方案，确保储存的碳不会被释放。此外，生物炭的高碳含量不仅有助于碳储存，还能够改善土壤肥力，提高氮素保持能力和水分保持能力。

随着人类文明的发展，世界正面临一系列严重的环境问题。这些行为正在对环境施加压力，并导致自然经济规模的失衡。因此，思考创造性的、长期的解决方案至关重要，这些方案能够减少排放、处理农业废弃物并生产更多粮食，而不损害地球的健康和自然资源。循环经济是一种潜在的策略，它强调资源的恢复和再利用，而不是浪费。将农业废弃物转化为生物炭的过程是这一理念的完美体现。通过将废弃物转化为有用的产品，涵盖了循环经济中所需的多个环节，如土壤健康、废弃物减少和碳储存。由于生物炭的生产成本低廉，且易于从废弃物中制备，它能够有效地实现这些目标。生物炭具有较大的比表面积和多孔结构，这使其在农业领域的应用日益广泛。其疏水性使得多余的水分能够被排斥，同时维持水分平衡。此外，由于其表面存在含氧官能团，生物炭能够吸附废水和土壤中的污染物，提高水体和土壤的净化能力。

本文的目的是探讨环境挑战，如气候变化、土壤退化、水污染、温室气体排放增加以及全球变暖等问题，并理解管理不当的农业废弃物在这些问题中的作用。尽管农业废弃物常被视为环境负担，但它具有转化为可持续解决方案的潜力，即通过生产生物炭实现这一目标。本文旨在突出农业废弃物通过热解转化为有效生物炭的机制，这种生物炭可以进一步作为稳定的碳储存材料。这种碳储存不仅有助于减少大气中的二氧化碳水平，还能够通过结构-功能关系在多个方面发挥重要作用。这包括如何通过结构-功能相互作用，使生物炭在碳储存、土壤-水修复/添加以及污染物固定方面发挥多功能作用。本文还探讨了生物炭中官能团与污染物、营养循环以及土壤通气性和水分动态之间的相互作用。本文的重点是将生物炭呈现为一种有前景、环保且经济稳定的策略，以实现全球环境的可持续性。

目前，关于生物炭中官能团、孔隙结构和疏水性如何控制环境条件如碳储存、污染物减少等方面的研究仍显不足。生物炭所表现出的可重复的物理化学特性尚未得到充分讨论。此外，关于生物炭在不同土壤和气候条件下作为稳定、耐用的碳储存材料的潜力，研究也相对较少。因此，需要填补这些研究空白，以使生物炭成为一种优化和可扩展的策略，用于缓解气候变化和实现环境稳定。本文的创新之处在于，它并未将生物炭简单地定义为一种被动的土壤改良剂或废弃物管理工具，而是将其视为一种在循环经济中的分子工程碳储存材料。本文的创新点在于（i）将管理不当的农业生物废弃物（ABW）与环境和气候变化问题联系起来，（ii）强调定义生物炭结构特性的热解过程的机制，以及（iii）生物炭在碳储存、土壤-水修复/添加和污染物固定中的多功能作用。

生物炭的合成和改性技术是实现其多功能应用的关键。目前，用于生产生物炭的热化学过程包括热解、气化和水热碳化等。其中，热解是最简单、有效且常用的生产方法。热解是一种热分解过程，其中生物质在无氧环境下被加热至超过300°C。在这个过程中，其有机成分被分解为固态的碳富集残渣（生物炭），并产生气相产物，这些气相产物在冷却后被收集。热解的温度和时间对生物炭的结构和性能有重要影响，而不同的生物质原料也会导致不同的生物炭特性。因此，为了满足特定的应用需求，如土壤和水体修复，需要对热解过程进行优化和调整。此外，生物炭在合成后还可以通过多种改性策略进行进一步的处理，以提高其性能和应用效果。这些改性方法包括酸洗、碱洗、负载金属、掺杂纳米材料等，能够显著改善生物炭的吸附能力和催化活性。

生物炭作为碳储存材料在缓解气候变化方面具有重要作用。人类活动导致大气中二氧化碳浓度的上升，从而引发气候变化。为了解决这一问题，生物炭能够通过其碳储存能力来缓解气候变化。由于生物炭不易被微生物和化学反应分解，因此在被引入土壤后，能够保持稳定超过一百年，从而有效储存碳。生物炭不仅储存碳，还能改善土壤肥力，提高氮素保持能力和水分保持能力。此外，生物炭的多孔结构使其能够吸附土壤和水体中的污染物，提高水体和土壤的净化能力。其表面的含氧官能团能够与污染物发生相互作用，从而减少其在环境中的迁移和扩散。

生物炭在废水处理方面的应用也具有重要意义。农业、工业和家庭等不同来源的污染物导致水体污染。根据《安全饮用水法》，任何非自然存在的物质，无论是物理性的（如沉积物）、化学性的（如农药、重金属）、生物性的（如细菌、病毒）还是放射性的（如铀），都被视为水体污染物。由于人口的快速增长和污染的加剧，对清洁安全饮用水的需求日益增加。这些污染物在环境中积累，对生态系统的健康和人类的生存构成了严重威胁。生物炭由于其高比表面积和多孔结构，能够有效吸附废水中的污染物，提高水体的净化能力。此外，生物炭的疏水性使其能够排斥多余的水分，同时维持水分平衡，从而在农业领域中发挥重要作用。通过生物炭的应用，能够实现土壤和水体的修复，同时减少温室气体的排放。

尽管生物炭在多个方面展现出巨大的潜力，但其在实际应用中仍面临诸多挑战。首先，生物炭的生产过程缺乏标准化设计原则，导致其物理化学特性存在较大的差异。这种差异使得生物炭在不同应用场景下的性能难以预测和控制。其次，生物炭的材料本身具有固有的异质性，这使得其在复杂的环境系统中的应用效果受到限制。此外，生物炭在异质环境系统中的机制复杂性尚未得到充分解决，这限制了其在实际环境治理中的应用。因此，需要通过系统的研究和分析，以揭示生物炭在分子尺度上的相互作用，并优化其在特定应用中的性能。

为了克服这些挑战，未来的生物炭研究应注重开发新的技术和方法，以提高其在环境治理中的应用效果。例如，通过将生物炭与其他材料（如黏土、金属、聚合物）结合，形成生物炭基复合材料，能够显著提高其对污染物的去除能力，同时增强其作为催化剂的活性。此外，人工智能（AI）和其他机器学习技术的应用，能够加速生物炭的优化过程，提高其性能和应用效果。这些技术的发展为生物炭的广泛应用提供了新的可能性。

综上所述，将农业废弃物转化为生物炭不仅为废弃物管理、土壤修复、水处理和气候缓解提供了新的途径，还能够通过其物理化学特性和结构-功能相互作用，在多个方面发挥重要作用。生物炭的高碳含量使其成为一种有效的碳储存材料，而其多孔结构和表面官能团则使其在污染物吸附和土壤改良方面具有显著优势。然而，生物炭的应用仍面临诸多挑战，包括缺乏标准化设计原则、材料异质性和机制复杂性等问题。因此，需要通过系统的研究和创新，以揭示生物炭在分子尺度上的相互作用，并优化其在特定应用中的性能。未来的生物炭研究应注重开发新的技术和方法，以提高其在环境治理中的应用效果，并推动其在循环经济中的广泛应用。