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本文全面综述了生物炭（Biochar）在生产、活化及应用方面的研究进展。阐述了其生产受原料、温度等多种因素影响，介绍了不同活化方法对其性能的提升作用，还探讨了在环境治理、农业、能源等领域的应用，为生物炭研究与应用提供了全面参考。
1. 引言
全球变暖已成为几十年来的重大挑战之一，导致生态系统失衡。2024 年全球气温达到历史新高，首次超过《巴黎协定》设定的 1.5°C 限制。气温上升与人为活动产生的 CO2排放密切相关，如化石燃料燃烧和水泥生产。2024 年 CO2排放量预计达 416 亿吨，比 2023 年高出 10 亿吨，且仍呈上升趋势。全球变暖带来诸多负面影响，如飓风、干旱、极端天气等，在过去 50 年造成 200 万人死亡和 4 万亿美元的经济损失。
除全球变暖外，空气和水污染、土壤退化、森林砍伐等环境问题也对人类和生态系统构成重大威胁。据世界卫生组织（WHO）估计，空气污染每年导致 700 万人死亡，其中 380 万和 420 万分别归因于室内和室外空气污染。同时，由于气候变化和水污染，人均淡水资源在过去二十年减少了 20%，23 亿人面临用水压力。由于农业扩张和气候变化，森林砍伐也成为一大问题，2023 年全球森林损失接近 637 万公顷，远超 140 多个国家签署的《格拉斯哥领导人宣言》中设定的目标。
生物炭是一种由生物质热解产生的富含碳的材料，作为一种有前景的可持续解决方案，受到越来越多的关注。它可作为碳封存工具，每年可在全球范围内固定大量 CO2 ，对实现净零排放至关重要。作为土壤添加剂，生物炭能中和土壤酸性、增强养分和水分保持能力、改善土壤通气性，显著提高植物产量。此外，其高孔隙率使其成为有效的环境修复材料，可用于水处理和空气净化。生物炭还越来越多地用于建筑材料中，以增强隔热性能、提高结构强度并有助于碳封存。
尽管生物炭已被广泛研究数十年，但在其生产、活化和应用方面仍存在显著差距。基础研究主要关注材料特性、表征技术和新型改性方法，而实际应用则更注重效率、稳定性和可扩展性。本综述旨在通过系统分析不同原料的生物炭生产、探索其在不同领域的应用以及讨论先进的表征技术来揭示其基本机制，从而弥合基础研究与实际应用之间的差距。此外，还提供了技术经济评估，以评估生物炭应用的可行性、挑战和前景。
2. 生物炭和生物质表征技术
由于生物炭原料的差异会影响生物炭产品的形态和化学性质，因此在考虑任何潜在的环境应用时，对生物炭进行物理和化学表征至关重要。通过研究生物炭的结构、表面积和孔隙率，可以推断其在土壤改良和碳封存等方面的有效性与特定性质的关系。生物炭的化学表征，包括元素分析和光谱分析，可揭示其元素含量、潜在污染物以及可能影响其功效的特定功能。全面了解生物炭的化学和物理性质有助于优化生产过程，为特定用途定制生物炭产品，并有助于开发合成路线以获得最佳生物炭产品。
2.1 化学性质
生物炭的 pH 值通常在 7.1 - 10.5 之间，呈碱性。其碱性源于有机物和养分的存在，添加到土壤中会增加土壤 pH 值，影响土壤的电导率和阳离子交换容量等其他性质。pH 值受原料和生产条件影响，如生产温度和时间。例如，木材衍生的生物炭 pH 值约为 2，低于其他来源的生物炭。非木材生物炭碱性较高是因为灰分中含有钾和钙的碳酸盐和氯化物盐。研究发现，生物炭 pH 值还与纤维素、半纤维素、木质素以及氧功能基团（如羧酸盐（COO?）和氧化物（O?）基团）的含量相关。
了解生物炭的表面化学非常重要，因为许多生物和化学反应都发生在其表面。生物炭表面可分为脂肪族或芳香族，还存在自由基。表面功能基团的类型和浓度对其吸附能力和吸附质的去除机制起着关键作用。例如，芳香性的增加和热解温度的升高可增强对微生物分解的抵抗力。常见的表面功能基团包括羟基、羧基、羰基等，可通过固态13C NMR、FT - IR 等方法进行分析。在 350 - 650°C 的加热温度下，生物质中的化学键断裂并重新排列，形成新的功能基团。不同温度下生产的生物炭具有不同的性质，如 600 - 700°C 生产的生物炭具有高度疏水性，300 - 400°C 生产的生物炭具有更多有机特征。
生物炭由碳、氢、硫、氧、氮等元素组成，还含有灰分中的矿物质。碳是主要元素，负责碳封存等功能。硅、氢、氧、氮、磷、硫等元素也在生物炭中发挥重要作用，如硅可保护有机相、与重金属共沉淀，氢参与氢键形成等。元素分析可用于确定生物炭的元素组成，扫描电子显微镜（SEM）结合能量色散 X 射线（EDX）分析可用于观察生物炭的多孔结构并识别元素。不同原料和生产条件会导致生物炭元素组成不同。
生物炭的表面能是研究人员关注的另一个参数，接触角通常用于反映其表面的润湿性。接触角影响生物炭在土壤中的保水、颗粒聚集和污染物吸附等性能。大多数生物炭的接触角大于 90°，表明其具有疏水性。生物炭在土壤中老化时，接触角会减小，表面变得更亲水，这可能是由于表面功能基团的氧化。生物炭的接触角受热解过程、原料、颗粒形状和大小等因素影响。
2.2 物理性质
生物炭可分为有机相和无机相，根据吸附机制还可分为有机分配相和表面吸附相，根据溶解性可分为溶解相和不溶解相，根据碳稳定性可分为不稳定相和稳定相。随着热解温度升高，生物炭脱水，有机成分被破坏，芳香化程度增加，不稳定的脂肪族部分和溶解相分数减少，而稳定的芳香族部分和不溶解相增加。X 射线衍射（XRD）可用于确认生物炭中的矿物成分，如石英、方解石等。
比表面积（SSA）是决定生物炭与其他相或化学物质相互作用能力的关键因素，对气体 / 蒸汽分离、环境污染物修复、催化等应用至关重要。热解温度和停留时间通常会增加生物炭的总表面积，但超过一定温度（800 - 1000°C），结构会塌陷，表面积和孔隙率会降低。不同生物炭应用对表面积有不同要求，一般适度的 SSA（几百 m2/g）更有利。SSA 通常采用气体物理吸附技术测量，如氮气在 77K 或氩气在 87K 下的吸附，还包括活性表面积（ASA）的概念，它与生物炭的最终应用相关。
孔隙率与生物炭中的空隙体积（孔体积 - PV）和大小（孔径分布 - PSD）有关，涵盖从微孔（<2nm）到介孔（2 - 50nm）再到宏孔（50nm - 几微米）的广泛范围。生物炭具有分级孔隙结构，微孔在较高热解温度下呈指数增长，对总孔体积贡献较大。孔隙率影响生物炭的表面面积、流体传输性质等，不同应用对孔隙率有不同要求。常用汞侵入孔隙度法和气体吸附法来评估生物炭的孔隙率，还有其他方法如成像技术、小角 X 射线和中子散射等可用于表征孔隙率。
生物炭的密度与孔隙率密切相关，可分为骨架密度、颗粒密度和堆积密度。骨架密度对应于固体碳基质的密度，颗粒密度包括颗粒内孔隙，堆积密度对应于材料床的密度。较低的密度使生物炭更轻，对其在环境中的运输和实际应用中的空间利用有影响。例如，密度低于 1g/cm3的生物炭会漂浮在水面上。骨架密度通常用气体比重瓶法测量，堆积密度可用简单的量筒测量，颗粒密度测量相对较难。
生物炭的形态包括微观结构、颗粒形状和其他结构表面特征，影响其与微生物的生物相容性以及与各种支持结构的表面兼容性。生物炭的形态通常与其原始原料相似，温度升高会导致微观结构通过石墨化、紧密堆积和气体挥发形成囊泡等方式发生演变。可使用扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）等技术观察生物炭的形态。
颗粒大小影响生物炭与基质的相互作用、流动性、质量传输等，还会影响比表面积、孔隙率和堆积密度。颗粒大小受原始原料的颗粒大小影响，在热解过程中会发生变化。可采用筛分分析、图像分析或衍射 / 散射方法来量化颗粒大小分布。
热导率反映材料传递热量的能力，热容量是衡量改变材料温度所需能量交换的指标。在生物炭用于建筑材料时，低导热率和高比热容是理想的；而在作为吸附剂和催化材料时，高导热率和低比热容更有利。热导率和热容量受生物炭孔隙率和密度影响，可分别使用稳态或时域技术（如热盘法或瞬态平面源法）和差示扫描量热仪（DSC）或绝热量热仪进行测量。
2.3 环境稳定性和污染
生物炭原料的多样性可能导致产品存在引入有毒重金属等污染物的风险。如畜禽粪便、城市固体废物和煤矸石等原料生产的生物炭可能含有重金属，这些重金属在热解过程中会在灰分中积累。因此，在将生物炭应用于环境（如作为肥料）之前，必须测试其重金属含量，可使用多种生态风险指标（ERIs）来描述生物炭对环境的影响。研究表明，不同原料生产的生物炭重金属含量不同，一些生物炭的重金属含量虽低于环境污染阈值，但仍需关注。此外，生物炭中还可能存在多环芳烃（PAHs）等有机污染物，其含量受热解温度、原料等因素影响。
生物炭的稳定性主要源于其芳香碳结构，芳香度可反映其稳定性。非芳香、功能化的部分（如 C - O 和 C - N 功能基团）会导致结构降解。可通过热氧化降解（如温度程序氧化，TPO）结合热重分析（TGA）或差示扫描量热法（DSC）来测量生物炭的氧化稳定性。研究发现，不同原料和热解条件会影响生物炭的稳定性，如 H/C 含量与最大分解温度（Tmax）有关。此外，还可通过化学方法（如使用氧化试剂）加速生物炭的氧化，以评估其稳定性。
3. 生物炭生产
生物炭是生物质热解的固体产物，热解是在缺氧条件下高温转化有机材料的热化学过程，会产生气态和液态副产物。由于其稳定的分子结构，生物炭可在环境中持续存在数千年，具有低密度、高稳定性和强吸附能力等特点，可应用于能源、空气和水处理、缓解气候变化和改善土壤健康等多个领域。
生物质可通过多种热化学过程转化为生物炭，如慢速热解、快速热解、闪速热解、微波热解、真空热解、太阳能热解、水热碳化和气化等。不同热解方法具有不同的参数和特点，如慢速热解通常在中等温度（400 - 650°C）下进行，蒸汽停留时间较长（10 - 20s），生物炭产率较高（35%）；快速热解常用于生产生物油和合成气，温度较高（500 - 1000°C），加热速率快（300°C/s），生物炭产率较低（12%）。每种热解方法都有其优缺点，需要根据所需产品的产率和质量仔细考虑过程变量和操作条件。
不同类型的原料对生物炭的性质有显著影响。生物质可分为草本植物、木质废物、工业废物、水生植物和人畜粪便等五类。例如，木材残渣生产的生物炭具有微孔结构、高比表面积、低灰分和高稳定性；农业原料生产的生物炭含有更多羟基和羧基功能基团，但稳定性较低。原料的组成会影响生物炭的表面形态、稳定性、生产力和活性位点等性质。例如，原料中的碱金属和碱土金属可作为孔隙发展的自激活剂，影响生物炭的比表面积和孔隙结构；碳含量高的原料通常会导致生物炭的产率和净热值较高。
热解温度是影响生物炭分子结构和理化性质的关键因素。一般来说，较高的热解温度会增加 pH 值、比表面积、挥发物和碳分数，但会减少表面功能基团的数量和阳离子交换容量（CEC）。热解温度对生物炭产率、碳含量、灰分含量、表面结构、pH 值和电导率、元素组成、CEC、表面功能基团和稳定性等都有影响。例如，随着热解温度升高，生物炭产率通常会降低，碳含量会增加，孔隙结构会发生变化。在选择热解温度时，需要在化学和表面性质之间找到平衡，通常认为 500 - 800°C 是生产所需生物质炭材料的适宜范围。
添加剂和掺杂元素可用于改性生物炭，提高其性能。添加剂如沸石、过渡金属、碱金属和碱土金属等可增加生物炭产率、增强碳保留并改变其物理和化学性质；掺杂元素如 N、S、P 等可改变生物炭的电化学和表面化学性质。例如，添加 N 可增强生物炭的气体吸附性能，添加 S 可提高过硫酸盐的活化效率。不同添加剂和掺杂元素对生物炭的结构和应用有不同影响，在实际应用中需要根据具体需求选择合适的添加剂和掺杂元素。
压力在生物炭生产中起着重要作用，影响反应条件和生物炭质量。一般来说，高压可延长热解蒸汽的停留时间，促进二次反应，增加生物炭产率，但也可能降低比表面积。压力对生物炭产率、固定碳含量、表面性质和多环芳烃（PAHs）含量都有影响。例如，研究表明，压力增加会使生物炭的固定碳含量增加，但也可能导致比表面积减小；增加压力可降低 PAHs 的浓度，但对其影响相对较小。在实际生产中，需要进一步研究压力对生物炭的影响，以优化反应条件和压力控制。
加热方法对生物炭的产量和理化性质有显著影响。常见的加热方法包括慢速热解、快速热解、闪速热解、真空热解、微波热解等，每种方法都有其特点和适用范围。例如，慢速热解产量较高，生物炭质量较好，但生产时间长；快速热解适用于处理大量生物质，但生物炭产率较低。微波热解具有加热速度快、选择性高和能量效率高等优点，可生产出性能优异的生物炭。不同加热方法会导致生物炭在产量、质量和应用方面存在差异，在实际生产中需要根据原料和产品需求选择合适的加热方法。
除了上述因素外，生物炭的生产还受原料水分含量、预处理方法、颗粒大小、催化剂、惰性气体类型和流量、停留时间等因素的影响。例如，原料的水分含量会影响热解过程中的能量需求和产品分布，合适的水分含量对不同热解方法至关重要；预处理方法可改变原料的性质，从而影响生物炭的性能；颗粒大小会影响热传递和生物炭的产量和性质；催化剂可加速热解反应，增加生物炭产率和孔隙密度；惰性气体的类型和流量会影响生物炭的形成和性质；停留时间会影响生物炭的产量和表面特性。在实际生产中，需要综合考虑这些因素，以优化生物炭的生产过程。
生物质转化为生物炭主要涉及解聚、碎片化和炭形成等过程，可分为初级和次级反应。在热解过程中，生物质中的聚合物（如木质素、纤维素和半纤维素）会发生化学结构变化，释放挥发性化合物，形成生物炭。不同生物质成分的热解机制不同，纤维素在不同条件下会发生不同的反应，产生不同的产物；半纤维素的分解机制与纤维素类似；木质素的分解机制则较为复杂，涉及自由基的形成和反应。
生物炭的性质不仅取决于原料和热解温度，还与反应器类型有关。常见的反应器类型包括马弗炉、管式炉、微波反应器、水热碳化反应器、气化反应器、螺旋反应器、流化床反应器、固定床反应器、土窑和旋转窑等。不同反应器类型具有不同的特点和适用范围，如马弗炉和管式炉常用于实验室小规模生产，具有操作简单、温度可编程等优点，但容量较小；流化床反应器具有传热传质效率高、可连续生产等优点，适用于大规模生产生物油和生物炭，但对原料颗粒大小有一定要求。在选择反应器时，需要考虑原料、操作条件和生产规模等因素，以确保生产出高质量的生物炭。
虽然生物炭有多种生产方法，但大规模生产仍受反应器设计、制造和投资等因素的限制。典型的适合大规模生产的反应器包括固定床、土窑、旋转窑、流化床、螺旋反应器和喷动床等。不同反应器在不同场景下有各自的优缺点，如土窑结构简单、成本低，但生物炭产率较低，质量不稳定；流化床反应器传热传质效率高、可连续生产，但投资成本高。在选择大规模生产的反应器时，需要
