综述：热解生物炭革命：利用热解技术实现气候韧性与循环环境解决方案

《Carbon Trends》：Biochar Revolution: Harnessing Pyrolysis for Climate Resilience and Circular Environmental Solutions

本文系统综述了热解生物炭作为一种多功能碳材料的最新进展，强调其通过原料选择和热解参数调控实现性能“可调谐性”的核心优势。文章跨越农业土壤改良、环境修复（如废水处理）与电化学储能等多个领域，阐述了生物炭的结构-功能关系，为将其整合入循环经济与碳市场框架，成为未来数十年关键“气候智能型材料”提供了应用导向的路线图。

　　

生物炭革命：利用热解技术实现气候韧性与循环环境解决方案

面对不断加剧的气候风险和资源枯竭，热解生物炭作为一种多功能碳材料脱颖而出，其应用已远超传统的土壤改良剂领域。由于其结构、表面化学和电导率的高度可调性，生物炭展现出作为高效吸附剂和低成本电极材料的双重潜力，在废水处理和电化学储能系统中发挥着关键作用。这篇综述采纳了“过程-结构-功能”的分析框架，系统性地将原料组成和热解参数与生物炭的理化性质及其在环境修复和储能系统中的性能联系起来，为针对特定应用的理性生物炭设计提供了指导。

引言：全球挑战与生物炭的兴起

全球人口增长和工业化加剧了对有限资源的压力。农业是全球温室气体排放的重要来源，其排放约占全球总量的13.5%，其中氮肥使用和粪便管理贡献了80%的一氧化二氮₂O排放，而水稻种植和畜牧业则贡献了40%的甲烷₄排放。相比之下，热解作为一种有前景的热化学转化途径，在300-700°C的限氧条件下，能将农业残余物、林业废弃物和城市固体废物转化为生物炭、生物油和合成气。与燃烧相比，燃烧会将高达90%的生物质碳以二氧化碳₂形式排放，而热解过程能将20-50%的碳固存在生物炭中，这种稳定的材料具有长达数百年的半衰期，成为气候减缓的关键策略。

原料组成

生物质原料的组成对其热行为、热解性能及最终生物炭的特性有决定性影响。工业分析描述了水分、挥发分、固定碳和灰分这四个关键参数。原料来源广泛，主要分为林业生物质、农业生物质、水生生物质、动物生物质和工业生物质。在生物炭生产领域，林业和农业生物质是主要原料，其核心区别在于纤维素、半纤维素和木质素的构成比例。

热解产物与生产技术

生物炭是通过热解，即在受控且限氧条件下对生物质进行热分解而产生的富碳物质。与其他碳纳米材料相比，生物炭在成本、可持续性和规模化方面具有显著优势。根据热解温度和活化策略，生物炭可分为低温生物炭（≤400°C）和高温生物炭（≥600°C），前者富含含氧官能团，适合需要强表面反应性的应用；后者则具有更高的芳香性、导电性和结构稳定性。

生物炭的生产方法多样，包括燃烧、烘焙、气化和热解（慢速或快速）。不同的工艺参数，如加热速率、温度范围和停留时间，决定了产物的分布。慢速热解以其较长的停留时间（分钟到数小时）和较低的温度（~400°C）为特征，旨在最大化高品质生物炭的产率。而快速热解则在高温（~500-1000°C）和极短的停留时间（秒级）下进行，旨在最大化生物油的产出。闪速热解则更为激烈，温度通常在500-1000°C之间，停留时间仅为毫秒到秒级，主要用于生产氢气或轻烃等目标产物。

影响热解生物炭的关键参数

生物炭的产率、孔隙率、稳定性和表面功能特性受多个相互依存工艺参数的控制，其中温度、加热速率、固体停留时间、原料成分最为关键。

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   热解温度：这是影响产率和材料质量的主要驱动力。随着操作温度从300°C升高到约800°C，生物炭的产率通常会因脱挥发分的加剧而下降，但固定碳含量、芳香性和比表面积会增加。例如，温度从500°C升至900°C会显著降低生物炭产率，同时因含氧官能团（–OH，C–O，C=O）的去除而提高碳含量和石墨化程度。温度升高也促进孔隙发育，但过高温度（>700°C）可能导致孔隙塌陷。对于土壤应用，高温热解（550°C和750°C）产生的生物炭挥发性有机碳含量更低，芳香稳定性更高，从而对原生土壤有机质矿化产生更强的负激发效应。
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   加热速率：该参数与温度密切相关，对生物炭的产率和性质有复杂影响。较低的加热速率有助于保留蜂窝状结构，而较高的加热速率则能产生更多孔的碳结构。研究表明，中等加热速率有利于获得较高的产率，而较高的加热速率（10–20°C min^-1）则能增强孔隙率和表面积。
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   固体停留时间：这是定义热解类型的关键参数之一。慢速热解的特征是较长的停留时间（几分钟到几小时）。研究表明，随着停留时间的增加，生物炭产率因持续的脱挥发分和气体释放而降低。在一定条件下，较短的停留时间有利于保留炭和富氧结构，而较长的停留时间则促进碳化和质量损失。
4. 4.
   原料成分：原料的组成是决定生物炭产率、元素组成和功能性能的首要因素之一。木质生物质通常含水低、灰分少、固定碳高，能产生致密且富碳的生物炭。而非木质原料（如农业残留物、粪便、城市垃圾）通常具有更高的挥发分和矿物质含量，产生的生物炭灰分更高，结构更不均匀。原料的生化组成（木质素、纤维素、半纤维素）也主导了热降解行为，从而决定了最终生物炭的功能特性。

生物炭在气候变化减缓中的应用

生物炭因其抗分解性、强吸附能力、高度多孔的架构和丰富的矿质养分，在环境管理和能源系统中具有广泛功能。其应用涵盖土壤改良、废水处理、电化学储能等多个方面。

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   作为水和废水污染物的吸附剂：生物炭已被广泛研究为一种有效的吸附剂，用于去除水和废水中的多种污染物，包括重金属、有机化合物和过量营养盐。高温热解产生的生物炭孔隙度更高、表面积更大、pH值偏碱性，对有机污染物的吸附特别有效。而低温热解的生物炭通常保留更多含氧官能团，对无机污染物（尤其是重金属）的捕获能力更强。吸附性能受原料性质和热解条件（特别是温度）的强烈影响。
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   对土壤性质和碳封存的影响：农业是温室气体排放的主要驱动因素。生物炭作为一种实用的土壤改良剂，可以同时封存碳并抑制温室气体通量，同时保持作物产量。长期施用生物炭（≥4年）能带来持续的农艺和环境效益，包括提高作物产量、减少甲烷和一氧化二氮排放，以及显著增强土壤有机碳。此外，生物炭的添加还能改善土壤的物理特性，如降低土壤容重、增加总孔隙体积和持水能力，从而提高土壤通气性、促进根系发育和养分吸收。

生物炭的这些多功能特性，使其在应对气候变化、促进资源循环和推动可持续技术发展方面展现出巨大潜力。通过整合其在碳封存、污染修复和清洁能源技术中的作用，生物炭有望成为未来几十年内实现气候韧性与循环环境解决方案的关键材料。