综述：关于从固体废物中制备的功能化生物炭的批判性综述：推动可持续建筑与二氧化碳捕获技术的发展

《Waste Management》：A critical review on functionalized biochar from solid waste: Advancing sustainable construction and CO 2 capture

碳中性建筑领域生物炭功能化应用研究

　　
该综述系统探讨了生物炭在低碳混凝土中的创新应用及优化路径，重点分析了功能化改质技术对材料性能与碳封存能力的协同提升机制。研究首先指出，全球水泥行业年碳排放量已达15.7亿吨，且在2023年较2000年增长2.18倍，这对实现碳中和目标构成严峻挑战。与此同时，固体废弃物填埋每年产生约30亿吨二氧化碳当量的排放，形成双重环境压力。基于此，将有机废弃物热解产生的生物炭转化为混凝土添加剂，被证实是兼具固废处理与碳封存双重效益的创新技术路线。

在材料性能方面，研究揭示了生物炭掺量与混凝土性能的复杂关系。早期实验表明，未改性生物炭掺量超过4%时，混凝土抗压强度会出现显著下降，这主要归因于生物炭孔隙结构导致的体积收缩（12-15%）和界面过渡区弱化效应。当掺量控制在2-4%时，利用生物炭多孔结构吸附二氧化碳并生成碳酸钙（CaCO3）的内部碳化过程，可使28天抗压强度提升8-15%。但需注意，未碳化处理的生物炭会因吸水率高达25%导致工作性劣化，这解释了为何 Maljaee 等学者发现掺量超过2%时混凝土坍落度下降超过30%。

功能化改质技术的突破性进展体现在三个方面：物理活化通过高温热解（800-1200℃）调控生物炭孔隙率，使比表面积从300-500m2/g提升至800-1200m2/g，碳吸附容量提高40-60%；化学活化采用氢氧化钠（NaOH）、草酸（H2C2O4）等溶液浸渍，使表面含氧官能团（如羧基、羟基）密度增加3-5倍，CO2吸附速率提升2-3倍；金属活化通过负载铁、锌等金属纳米颗粒，在保持孔隙结构的同时增强催化性能，使CO2转化率从常规的15-20%提升至35-40%。

在工程应用层面，研究证实经过复合改质的生物炭（物理+化学活化）在掺量达15%时仍能保持混凝土抗压强度超过设计值（C30标准）。这种性能突破得益于改质后生物炭的孔隙率优化（达45-55%）、表面亲水性增强（接触角从85°降至65°）以及活性位点密度提升（每克生物炭含活性位点达2×10^8个）。特别值得关注的是，碳化处理后的生物炭（经80% CO2浓度环境碳化72小时）在混凝土中实现了动态碳封存，其CaCO3转化率可达85%以上，较传统碳化工艺效率提升3倍。

环境效益评估显示，每吨功能化生物炭替代水泥可减少1.2吨CO2当量排放，而通过内部碳化过程额外捕获的CO2量达生物炭碳含量的12-18%。这使整体碳封存效率从单一固废处理提升至1.5-1.8倍。但研究同时指出，现有改质工艺存在能耗偏高（平均能耗达1500kJ/kg）和成本增加（约提升20%）等问题，需要开发更高效的活化技术（如微波辅助活化可降低能耗40%）。

未来研究方向聚焦于三个技术瓶颈：1）开发生物炭-水泥基体界面增强技术，解决现有体系中界面过渡区强度不足（较基准值低30-40%）的问题；2）构建动态碳封存模型，优化碳化反应动力学（当前最佳反应温度为65-75℃）；3）建立全生命周期碳核算体系，精准量化生物炭替代水泥的碳减排量。值得关注的是，基于机器学习的新型改质工艺已展现出突破性潜力，如通过卷积神经网络优化活化参数组合，可使混凝土强度提升达25%以上。

该研究为建筑垃圾资源化利用提供了新范式，特别在东南亚地区（建筑垃圾年产量达1.2亿吨）具有显著应用价值。建议后续研究重点关注生物炭改质工艺与水泥生产线的兼容性改造，以及基于区块链技术的全流程碳追踪系统开发，这将为行业规模化应用奠定基础。