生物炭表面焦油转化与重金属污染生物炭钝化机制研究

本研究针对重金属污染生物炭的催化应用难题，通过CO2 /蒸汽活化及焦油（toluene、eugenol等）钝化实验，揭示了孔隙率衰减与碳稳定性（R50 指数）提升的关联性，证实Zn/Pb保留率超50%/80%，为废弃生物质资源化及焦油裂解催化剂开发提供新思路。

　　

在能源转型与环境污染治理的双重压力下，生物质热化学转化技术成为研究热点。然而，生长于重金属污染区域的木质生物质因含有锌(Zn)、铅(Pb)等污染物，无法直接农用，成为亟待处理的废弃物。与此同时，生物质气化过程中产生的焦油(tar)会堵塞设备，降低系统效率。传统镍基催化剂虽能促进焦油重整，但成本高且易失活。有趣的是，木材生物炭因其高孔隙率和表面活性，可能成为廉价替代催化剂。但重金属污染如何影响其催化性能？焦油在生物炭表面的转化又会引发哪些结构变化？这些问题尚未得到系统解答。

波兰西里西亚工业大学与奥地利科学基金联合团队在《Renewable Energy》发表研究，以污染桦木生物炭为对象，通过CO₂
/蒸汽活化、模型焦油（乙酸、甲苯、丁香酚）钝化实验，结合N₂
吸附等温线、拉曼光谱等技术，揭示了孔隙率与金属保留率的动态关系。

关键方法

1. 样本制备：采集波兰锌冶炼厂附近污染桦木，700°C限氧热解制备生物炭，部分样品通过CO₂
   /蒸汽混合气化活化。
2. 焦油钝化：选用乙酸（纤维素裂解产物）、甲苯（轻芳烃）、丁香酚（木质素衍生物）三类模型焦油，同步进行木屑/纤维素/木质素原位热解焦油实验。
3. 表征技术：气体吸附法测孔隙率，拉曼光谱分析碳结构有序度（R₅₀
   指数），ICP-MS检测重金属保留率。

研究结果

金属在活化生物炭中的保留
活化后生物炭的Zn、Pb保留率分别超50%和80%，与原始污染生物炭（500°C热解）相当，表明700°C气化可实现金属稳定封装。

孔隙率与钝化效率
钝化后生物炭的N₂
吸附量普遍下降，证实孔隙率衰减。但钝化效果仅与焦油类型相关，甲苯处理使表面Pb浓度降低50%，Zn降低80%，而生物炭初始孔隙率影响微弱。

碳结构演变
拉曼光谱显示，原始生物炭结构有序度最高；钝化过程引入缺陷碳层，但R₅₀
指数提升，表明碳热稳定性增强。甲苯钝化形成的焦炭层兼具非晶-石墨态特性，可能通过金属-碳相互作用抑制重金属浸出。

结论与意义
该研究首次阐明重金属污染生物炭在焦油转化中的“自钝化”机制：焦油裂解形成的双态碳层可同步提升碳稳定性（R₅₀
指数）和金属固定率（Zn保留>50%）。这一发现为“以废治废”提供新路径——污染木材生物炭可作为气化下游焦油裂解催化剂，其金属杂质反成活性位点。研究团队Agnieszka Korus等指出，未来需优化气化-钝化协同工艺，平衡孔隙率与金属暴露度的关系。成果对生物质能系统增效及污染土壤修复具有双重启示。