生物炭
關(guān)注創(chuàng)建者：互動派 創(chuàng)建時間：2018-11-13
生物炭的實例教程
生物炭基吸附劑在二氧化碳去除方面的實際大規(guī)模應(yīng)用目前主要受三點阻礙：首先，盡管高吸附能力和長期循環(huán)運行對確保該技術(shù)的經(jīng)濟性和實用性至關(guān)重要，但生物炭基吸附劑的穩(wěn)健性和穩(wěn)定性還沒有得到充分證明；其次，對于存在多種氣體介質(zhì)的情況，重要的是要知道除CO2以外的氣體是否會影響CO2的吸附能力（即競爭性吸附），以及生物炭如何影響這些其他氣體的濃度。例如，二氧化碳的吸附能力可能會被最初吸附在碳上的H2O所降低；最后，和CaO基固體吸附劑一樣，經(jīng)過多次吸附再生循環(huán)后二氧化碳吸附能力下降。而循環(huán)吸附后二氧化碳捕獲能力的大量損失可能會增加再生的成本，并限制生物炭作為碳封存材料的使用。
目前，在歐美國家，生物炭被廣泛用作動物健康的飼料添加劑，如凈化空氣和水。它在當?shù)乩脷堄嗖牧仙a(chǎn)，可限制運輸費用和排放，并在改進最終產(chǎn)品質(zhì)量的同時取代稀少的資源。生物炭的廣泛應(yīng)用使大規(guī)模負排放成為可能。可被世界各地成千上萬的農(nóng)民，公共服務(wù)機構(gòu)，建筑材料供應(yīng)商所應(yīng)用。生物炭是一個分散的行業(yè)，有各種各樣的制造商，其中大多數(shù)是小型私營公司。前五大生產(chǎn)商僅占市場的38.34％。生物炭生產(chǎn)商績效的一個關(guān)鍵變量是原材料成本，而木材現(xiàn)在是生物炭的主要原料，但其價格將高于其他衍生產(chǎn)品。生物炭消耗面積最大的是土壤改良劑，占2017年美國生物炭消費量的82.94％。2017年生物炭市場規(guī)模為30052.10噸，預(yù)測到2023年有望達到135524.38噸，2017年至2023年的增長率為24.01％。
展開 活性炭吸附飽和后，就必須進行再生，后來發(fā)現(xiàn)，即使不再生，這活性炭吸附總能或多或少地脫除一部分有機物。后來發(fā)現(xiàn)活性炭表面也生長了微生物，能利用進水中的溶解氧來分解這些少量有機物，這樣，就引入了“生物炭”的理念。在生物炭處理工藝中，投加臭氧的優(yōu)越性，清華大學(xué)的王占生教授團隊在《中國給水排水》2006年第11期上發(fā)表了“臭氧—生物活性炭與單獨活性炭工藝處理效果比較”，其結(jié)論是：在活性炭前投加臭氧, 可以強化活性炭對有機物的去除作用 ,延長活性炭的使用周期 ,增強活性炭濾池的生物降解能力。華南理工大學(xué)陸少鳴教授團隊在給水處理進行了BAF預(yù)處理與臭氧活性炭的比較研究，研究結(jié)果發(fā)表在《中國給水排水》2009年第13期上，其結(jié)論是：采用 BAF預(yù)處理與臭氧—活性炭工藝處理微污染水, 并從對主要污染物的去除效果、裝置運行維護及經(jīng)濟性這三個方面對這兩種處理工藝進行了比較 。結(jié)果表明,兩種工藝對 NH3 -N的去除率均達到 90%以上 ,對 CODMn的去除率相當 ,皆為 61%左右;兩種工藝在運行維護方面各有利弊 ;與臭氧—活性炭工藝相比, BAF預(yù)處理工藝在投資上節(jié)省 40%以上、在運行費用降低60％以上，更適于普遍推廣。
一般提出的生物炭理念，都是利用水中的溶解氧作為氧源，而不另外曝氣，故臭氧－生物炭，或生物炭處理工藝，它脫除COD值是有限的，即使水中的溶解氧是飽和的，它能被全部利用起來降解脫除水中的有機物，其對水中有機物的脫除量最多也就只有10 mg/L的COD值。故生物炭技術(shù)，臭氧－生物炭技術(shù)往往應(yīng)用于給水領(lǐng)域，特別是微污染水源水的預(yù)處理。
展開 有鑒于此，南京工業(yè)大學(xué)閭敏、謝小吉課題組以自然界中的“廢物”蒼耳子為原料，制備了生物炭堆積的疏松陽極，從而提升堆積型陽極微生物燃料電池的長期穩(wěn)定性。該工作近期發(fā)表于Science China Materials, 2018, doi:10.1007/s40843-018-9368。
圖1 基于蒼耳子的堆積型疏松陽極用于微生物燃料電池
生物炭由蒼耳子直接炭化獲得，保持了蒼耳子特殊的外形，保證了其在制備成堆積型陽極后具有疏松的結(jié)構(gòu)和良好的導(dǎo)電性。用于微生物燃料電池時，該生物炭堆積型陽極獲得了與常用的活性炭材料堆積陽極相當?shù)漠a(chǎn)電性能，且該燃料電池在150天的運行時間內(nèi)產(chǎn)電性能無明顯下降，而作為參照的活性炭堆積陽極燃料電池的性能呈現(xiàn)極大下降。這一良好的穩(wěn)定性是因為生物炭堆積陽極的疏松結(jié)構(gòu)減少了長期運行過程中的堵塞現(xiàn)象。
這種基于蒼耳子的生物炭材料可以作為高效穩(wěn)定的微生物燃料電池陽極材料，有望在實際應(yīng)用中大型化長期運行。
展開 她發(fā)現(xiàn)，如果將松針暴露在環(huán)保的廉價溶劑(如甘油)中進行熱解處理 —— 在沒有氧氣的情況下，通過加熱來分解生物質(zhì) —— 就可以將這種聚合物轉(zhuǎn)化為液體生物油和固體生物炭。
生物油含有葡萄糖、乙酸和苯酚，分別可用于食品甜味劑、油漆/粘合劑和消毒劑的制造過程。
至于類似炭的生物炭副產(chǎn)物，可用作各種工業(yè)化學(xué)反應(yīng)的催化劑，從而實現(xiàn)零廢棄的常綠針葉植物的再循環(huán)過程。
值得一提的是，該工藝不僅可以使用新鮮的樹木、也能夠處理那些已經(jīng)變干的舊木。Kartey 表示：
未來節(jié)日期間，裝飾房子的樹木可以變成油漆，然后再次裝飾你的房子，Biorefineries 將借助一套相對簡單的工藝去實現(xiàn)該目標。
此前，來自英國巴斯大學(xué)的科學(xué)家們，也開發(fā)了一種可再生的塑料，其同樣由來自廢棄常綠針葉植物的化學(xué)物質(zhì)制成。
展開 非常規(guī)天然纖維，如農(nóng)業(yè)剩余物(如小麥和稻稈、磨碎的椰子殼)和草類(如芒、開關(guān)草和竹子)在生物復(fù)合材料中也有所應(yīng)用。
2.2 生物燃料副產(chǎn)品、食品加工廢料和其他工業(yè)后廢料
生物煉制和生物質(zhì)轉(zhuǎn)化過程中副產(chǎn)品的增值利用有利于可持續(xù)發(fā)展。來自玉米乙醇工業(yè)、木質(zhì)纖維素乙醇工業(yè)以及紙漿和造紙工業(yè)的木質(zhì)素副產(chǎn)品以及來自甘蔗乙醇工業(yè)的甘蔗渣的酒糟被用于生物復(fù)合材料。木質(zhì)素在成分上是多酚類的，已經(jīng)在可持續(xù)生物基復(fù)合材料中發(fā)現(xiàn)了增值用途。木質(zhì)素具有許多功能性表面——OH基團以及表面改性，顯示出對所得生物復(fù)合材料性能的增強效果。此外，水果和蔬菜果渣、咖啡渣和谷物殼已經(jīng)在復(fù)合材料中進行了研究。大多數(shù)這些生物填料用于廢物的價值評估，而所得的生物復(fù)合材料可用于非結(jié)構(gòu)應(yīng)用。雞毛目前在全球禽業(yè)中被視為廢物，可作為可再生纖維增強材料應(yīng)用于輕質(zhì)生物復(fù)合材料。來自航空航天和體育用品行業(yè)的回收碳纖維是另一種可持續(xù)的來源，可用于生產(chǎn)與生物纖維混合的復(fù)合材料。
2.3 新型可持續(xù)填料和功能材料——生物碳
生物碳，也稱為生物碳，已經(jīng)成為許多應(yīng)用的一種新的可持續(xù)材料。生物炭不限于生物復(fù)合材料的填料和增強用途；這也有利于開發(fā)下一代功能碳材料，用于能量儲存和過濾裝置的潛在應(yīng)用。當氧氣缺乏或供應(yīng)有限(也稱為熱解)時，生物質(zhì)的熱化學(xué)轉(zhuǎn)化可以產(chǎn)生液體生物油、固體生物炭和合成氣。根據(jù)熱解過程中的溫度、時間和生物質(zhì)的性質(zhì)，油、炭和氣體的量可能會有所不同。生物炭或生物碳(BioC)是一種富含無定形碳的材料，可以在化學(xué)結(jié)構(gòu)、孔隙率、尺寸和固有模量方面進行調(diào)節(jié)。另外兩種無定形碳基材料是活性炭(AC)和炭黑(CB)，這種富碳材料的主要區(qū)別在于它們的來源、形成過程和結(jié)構(gòu)。BioC的碳含量從40 %到90 %不等，而AC為80 %到95 %，CB為> 95 %。
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生物炭的最新內(nèi)容
生物炭作為多孔碳框架:生物質(zhì)本身具有有序的多孔結(jié)構(gòu)。來自生物質(zhì)的生物炭可以作為多孔碳框架來承載石墨烯納米片，從而產(chǎn)生多孔石墨烯/生物質(zhì)衍生的碳復(fù)合材料。
如圖9a所示，Zeng等人開發(fā)了由還原氧化石墨烯和木質(zhì)素衍生碳(LDC)組成的復(fù)合氣凝膠，其微孔排列整齊。少量木質(zhì)素的加入促進了更完整細胞壁的形成，而不影響材料的導(dǎo)電性和載流子濃度。
生物炭是一個分散的行業(yè)，有各種各樣的制造商，其中大多數(shù)是小型私營公司。前五大生產(chǎn)商僅占市場的38.34％。生物炭生產(chǎn)商績效的一個關(guān)鍵變量是原材料成本，而木材現(xiàn)在是生物炭的主要原料，但其價格將高于其他衍生產(chǎn)品。生物炭消耗面積最大的是土壤改良劑，占2017年美國生物炭消費量的82.94％。
物化-生物綜合技術(shù)更為復(fù)雜，適宜實施在實際恢復(fù)工程中，如先用客土覆蓋壓實土壤，引用競爭力低的外來先鋒植物，最后引入早期演替樹種和商業(yè)樹種聯(lián)合恢復(fù)的林業(yè)開墾方法(FRA)；通過填土、復(fù)田、造林復(fù)合方式對采煤塌陷區(qū)進行恢復(fù)；將煤礦入侵物種與煤礦渣制備成生物炭以增加土壤肥力等。
物化-生物綜合技術(shù)更為復(fù)雜，適宜實施在實際恢復(fù)工程中，如先用客土覆蓋壓實土壤，引用競爭力低的外來先鋒植物，最后引入早期演替樹種和商業(yè)樹種聯(lián)合恢復(fù)的林業(yè)開墾方法(FRA)；通過填土、復(fù)田、造林復(fù)合方式對采煤塌陷區(qū)進行恢復(fù)；將煤礦入侵物種與煤礦渣制備成生物炭以增加土壤肥力等。
她發(fā)現(xiàn)，如果將松針暴露在環(huán)保的廉價溶劑(如甘油)中進行熱解處理 —— 在沒有氧氣的情況下，通過加熱來分解生物質(zhì) —— 就可以將這種聚合物轉(zhuǎn)化為液體生物油和固體生物炭。
生物油含有葡萄糖、乙酸和苯酚，分別可用于食品甜味劑、油漆/粘合劑和消毒劑的制造過程。
至于類似炭的生物炭副產(chǎn)物，可用作各種工業(yè)化學(xué)反應(yīng)的催化劑，從而實現(xiàn)零廢棄的常綠針葉植物的再循環(huán)過程。
這一良好的穩(wěn)定性是因為生物炭堆積陽極的疏松結(jié)構(gòu)減少了長期運行過程中的堵塞現(xiàn)象。
這種基于蒼耳子的生物炭材料可以作為高效穩(wěn)定的微生物燃料電池陽極材料，有望在實際應(yīng)用中大型化長期運行。
一般提出的生物炭理念，都是利用水中的溶解氧作為氧源，而不另外曝氣，故臭氧－生物炭，或生物炭處理工藝，它脫除COD值是有限的，即使水中的溶解氧是飽和的，它能被全部利用起來降解脫除水中的有機物，其對水中有機物的脫除量最多也就只有10 mg/L的COD值。故生物炭技術(shù)，臭氧－生物炭技術(shù)往往應(yīng)用于給水領(lǐng)域，特別是微污染水源水的預(yù)處理。
生物炭不限于生物復(fù)合材料的填料和增強用途；這也有利于開發(fā)下一代功能碳材料，用于能量儲存和過濾裝置的潛在應(yīng)用。當氧氣缺乏或供應(yīng)有限(也稱為熱解)時，生物質(zhì)的熱化學(xué)轉(zhuǎn)化可以產(chǎn)生液體生物油、固體生物炭和合成氣。根據(jù)熱解過程中的溫度、時間和生物質(zhì)的性質(zhì)，油、炭和氣體的量可能會有所不同。生物炭或生物碳(BioC)是一種富含無定形碳的材料，可以在化學(xué)結(jié)構(gòu)、孔隙率、尺寸和固有模量方面進行調(diào)節(jié)。
