生物炭的案例
保證人類零碳未來(lái)的托底技術(shù) ——碳捕集利用與封存（CCUS）技術(shù)路線利弊分析
生物炭基吸附劑在二氧化碳去除方面的實(shí)際大規(guī)模應(yīng)用目前主要受三點(diǎn)阻礙：首先，盡管高吸附能力和長(zhǎng)期循環(huán)運(yùn)行對(duì)確保該技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性和實(shí)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(méi)有得到充分證明；其次，對(duì)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(huì)影響CO2的吸附能力（即競(jìng)爭(zhēng)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(huì)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(guò)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(huì)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(guó)家，生物炭被廣泛用作動(dòng)物健康的飼料添加劑，如凈化空氣和水。它在當(dāng)?shù)乩脷堄嗖牧仙a(chǎn)，可限制運(yùn)輸費(fèi)用和排放，并在改進(jìn)最終產(chǎn)品質(zhì)量的同時(shí)取代稀少的資源。生物炭的廣泛應(yīng)用使大規(guī)模負(fù)排放成為可能。可被世界各地成千上萬(wàn)的農(nóng)民，公共服務(wù)機(jī)構(gòu)，建筑材料供應(yīng)商所應(yīng)用。生物炭是一個(gè)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(yíng)公司。前五大生產(chǎn)商僅占市場(chǎng)的38.34％。生物炭生產(chǎn)商績(jī)效的一個(gè)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(jià)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(guó)生物炭消費(fèi)量的82.94％。2017年生物炭市場(chǎng)規(guī)模為30052.10噸，預(yù)測(cè)到2023年有望達(dá)到135524.38噸，2017年至2023年的增長(zhǎng)率為24.01％。
展開(kāi) 我開(kāi)發(fā)的這項(xiàng)技術(shù)該是世界首創(chuàng)了
活性炭吸附飽和后，就必須進(jìn)行再生，后來(lái)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(jī)物。后來(lái)發(fā)現(xiàn)活性炭表面也生長(zhǎng)了微生物，能利用進(jìn)水中的溶解氧來(lái)分解這些少量有機(jī)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(tuán)隊(duì)在《中國(guó)給水排水》2006年第11期上發(fā)表了“臭氧—生物活性炭與單獨(dú)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(qiáng)化活性炭對(duì)有機(jī)物的去除作用 ,延長(zhǎng)活性炭的使用周期 ,增強(qiáng)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(tuán)隊(duì)在給水處理進(jìn)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(guó)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(duì)主要污染物的去除效果、裝置運(yùn)行維護(hù)及經(jīng)濟(jì)性這三個(gè)方面對(duì)這兩種處理工藝進(jìn)行了比較 。結(jié)果表明,兩種工藝對(duì) NH3 -N的去除率均達(dá)到 90%以上 ,對(duì) CODMn的去除率相當(dāng) ,皆為 61%左右;兩種工藝在運(yùn)行維護(hù)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(yùn)行費(fèi)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(lái)降解脫除水中的有機(jī)物，其對(duì)水中有機(jī)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(kāi) 變"廢"為寶——蒼耳子在微生物燃料電池中的妙用
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(yáng)極，從而提升堆積型陽(yáng)極微生物燃料電池的長(zhǎng)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(yáng)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(yáng)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(shí)，該生物炭堆積型陽(yáng)極獲得了與常用的活性炭材料堆積陽(yáng)極相當(dāng)?shù)漠a(chǎn)電性能，且該燃料電池在150天的運(yùn)行時(shí)間內(nèi)產(chǎn)電性能無(wú)明顯下降，而作為參照的活性炭堆積陽(yáng)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?yàn)?em>生物炭堆積陽(yáng)極的疏松結(jié)構(gòu)減少了長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)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(yáng)極材料，有望在實(shí)際應(yīng)用中大型化長(zhǎng)期運(yùn)行。
展開(kāi) 圣誕樹(shù)回收再利用：新研究將之轉(zhuǎn)化成油漆原材料
她發(fā)現(xiàn)，如果將松針暴露在環(huán)保的廉價(jià)溶劑(如甘油)中進(jìn)行熱解處理 —— 在沒(méi)有氧氣的情況下，通過(guò)加熱來(lái)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(guò)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(shí)現(xiàn)零廢棄的常綠針葉植物的再循環(huán)過(guò)程。
值得一提的是，該工藝不僅可以使用新鮮的樹(shù)木、也能夠處理那些已經(jīng)變干的舊木。Kartey 表示：
未來(lái)節(jié)日期間，裝飾房子的樹(shù)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(duì)簡(jiǎn)單的工藝去實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)。
此前，來(lái)自英國(guó)巴斯大學(xué)的科學(xué)家們，也開(kāi)發(fā)了一種可再生的塑料，其同樣由來(lái)自廢棄常綠針葉植物的化學(xué)物質(zhì)制成。
展開(kāi) 
Science綜述：來(lái)自可再生和可持續(xù)資源的復(fù)合材料:挑戰(zhàn)和創(chuàng)新
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(kāi)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(guò)程中副產(chǎn)品的增值利用有利于可持續(xù)發(fā)展。來(lái)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(lái)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(tuán)以及表面改性，顯示出對(duì)所得生物復(fù)合材料性能的增強(qiáng)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(jìn)行了研究。大多數(shù)這些生物填料用于廢物的價(jià)值評(píng)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(qiáng)材料應(yīng)用于輕質(zhì)生物復(fù)合材料。來(lái)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(lái)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(qiáng)用途；這也有利于開(kāi)發(fā)下一代功能碳材料，用于能量?jī)?chǔ)存和過(guò)濾裝置的潛在應(yīng)用。當(dāng)氧氣缺乏或供應(yīng)有限(也稱為熱解)時(shí)，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(guò)程中的溫度、時(shí)間和生物質(zhì)的性質(zhì)，油、炭和氣體的量可能會(huì)有所不同。生物炭或生物碳(BioC)是一種富含無(wú)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(jìn)行調(diào)節(jié)。另外兩種無(wú)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(lái)源、形成過(guò)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 %。
展開(kāi) 用于電磁干擾屏蔽的Mxene和石墨烯氣凝膠的制備、進(jìn)展、面臨挑戰(zhàn)和前景
石墨烯/生物質(zhì)基多孔材料
生物質(zhì)提供了一種成本低廉且容易獲得的碳來(lái)源，它可以通過(guò)兩種不同的方式幫助石墨烯形成有序的多孔結(jié)構(gòu):增強(qiáng)凝膠化能力:一些生物聚合物與石墨烯納米片表現(xiàn)出強(qiáng)烈的相互作用。這些相互作用增強(qiáng)了石墨烯的凝膠特性，促進(jìn)了定向多孔材料的構(gòu)建。
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(lái)自生物質(zhì)的生物炭可以作為多孔碳框架來(lái)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(kāi)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(jìn)了更完整細(xì)胞壁的形成，而不影響材料的導(dǎo)電性和載流子濃度。此外，由于木質(zhì)素具有很強(qiáng)的粘附性，可以通過(guò)定向冷凍和隨后的冷凍干燥過(guò)程形成排列良好的多孔結(jié)構(gòu)(圖9b-i)。因此，rGO/LDC氣凝膠中更完整和排列良好的細(xì)胞壁有效地增強(qiáng)了EMWs的多次反射和散射(圖9j)。與單一的rGO氣凝膠相比，rGO/LDC氣凝膠表現(xiàn)出卓越的EMI屏蔽性能，EMI SE高達(dá)80.0 dB，單位厚度SSE/t的特定屏蔽效能高達(dá)53250 dB?cm2 /g(圖9k)。此外，Zeng等人通過(guò)增加木質(zhì)素含量，使定向多孔氣凝膠的細(xì)胞壁變厚增加載流子，導(dǎo)致更高的電磁干擾屏蔽效能和反射(SEA和SER)。與適當(dāng)?shù)倪€原氧化石墨烯含量相結(jié)合，這種氣凝膠具有出色的電磁干擾屏蔽性能，利用了還原氧化石墨烯/LDC異質(zhì)界面產(chǎn)生的極化損耗和排列的蜂窩狀孔造成的多次EMW反射，最終達(dá)到了60.4 dB的電磁干擾SE。同樣，纖維素納米原纖維(CNF)被用作一種競(jìng)爭(zhēng)性的生物聚合物。Li和同事通過(guò)定向冷凍和退火制備了具有單向孔的輕質(zhì)氧化石墨烯/CNF氣凝膠。CNF既可以作為交聯(lián)劑增強(qiáng)氣凝膠的柔韌性，又可以作為減輕氧化石墨烯納米片團(tuán)聚的手段。
展開(kāi) 關(guān)閉/廢棄煤礦的生態(tài)修復(fù)研究進(jìn)展及展望
01
關(guān)閉/廢棄煤礦生態(tài)修復(fù)技術(shù)
關(guān)閉/廢棄煤礦生態(tài)修復(fù)技術(shù)分為生物、土壤重構(gòu)和景觀重建技術(shù)，特點(diǎn)見(jiàn)表1。
表1 各類生態(tài)修復(fù)技術(shù)比較
1.1 生物技術(shù)
相較于傳統(tǒng)的物理手段、化學(xué)手段，生物技術(shù)對(duì)礦區(qū)土壤的負(fù)面影響更小，恢復(fù)周期更長(zhǎng)，包括利用微生物、土壤動(dòng)物和先鋒物種修復(fù)。微生物修復(fù)特點(diǎn)和適用范圍見(jiàn)表1。國(guó)內(nèi)以畢銀麗等為代表，以叢枝菌根真菌、硫桿菌、大豆根瘤菌等作為主要修復(fù)介質(zhì)，在微生物改良土壤基質(zhì)，促進(jìn)農(nóng)作物和先鋒植物生長(zhǎng)等方面進(jìn)行大量研究。土壤動(dòng)物方面，蚯蚓作為分解者可疏松土壤、增加土壤肥力、吸收和轉(zhuǎn)化重金屬元素。利用先鋒植物也是生物技術(shù)修復(fù)手段之一，可通過(guò)植物長(zhǎng)度、覆蓋率、蒸騰速率和葉面色素含量與礦區(qū)修復(fù)速率間的相關(guān)性篩選先鋒植物，構(gòu)建關(guān)閉/廢棄煤礦土壤種子庫(kù)，再通過(guò)覆土種植、無(wú)覆土種植、抗旱種植等植被快速恢復(fù)技術(shù)實(shí)現(xiàn)生態(tài)修復(fù)。
1.2 土壤重構(gòu)
土壤重構(gòu)修復(fù)主要包括物理、化學(xué)和物化-生物綜合三種技術(shù)，通過(guò)改善土壤理化性質(zhì)將土壤恢復(fù)至適宜植被生長(zhǎng)的狀態(tài)，各技術(shù)的修復(fù)特點(diǎn)和適用范圍見(jiàn)表1。物理修復(fù)技術(shù)涵蓋充填法、換土法、客土法和深耕翻土法等，但因其局限性并未得到廣泛應(yīng)用。化學(xué)修復(fù)技術(shù)包括化學(xué)改良劑法、化學(xué)淋洗法等。常用的改良劑法包括生石灰、工業(yè)廢料等，而鋁基和鐵基化學(xué)混合物(WTRs)作為新型改良劑中和酸性土壤的同時(shí)還可提取酸性廢水中的重金屬。物化-生物綜合技術(shù)更為復(fù)雜，適宜實(shí)施在實(shí)際恢復(fù)工程中，如先用客土覆蓋壓實(shí)土壤，引用競(jìng)爭(zhēng)力低的外來(lái)先鋒植物，最后引入早期演替樹(shù)種和商業(yè)樹(shù)種聯(lián)合恢復(fù)的林業(yè)開(kāi)墾方法(FRA)；通過(guò)填土、復(fù)田、造林復(fù)合方式對(duì)采煤塌陷區(qū)進(jìn)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。
展開(kāi) 關(guān)閉/廢棄煤礦的生態(tài)修復(fù)研究進(jìn)展及展望
物化-生物綜合技術(shù)更為復(fù)雜，適宜實(shí)施在實(shí)際恢復(fù)工程中，如先用客土覆蓋壓實(shí)土壤，引用競(jìng)爭(zhēng)力低的外來(lái)先鋒植物，最后引入早期演替樹(shù)種和商業(yè)樹(shù)種聯(lián)合恢復(fù)的林業(yè)開(kāi)墾方法(FRA)；通過(guò)填土、復(fù)田、造林復(fù)合方式對(duì)采煤塌陷區(qū)進(jìn)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。
1.3 景觀重建
作為最早在我國(guó)推廣的廢棄煤礦生態(tài)修復(fù)技術(shù)手段，景觀重建初期的表現(xiàn)形式為大規(guī)模植樹(shù)造林，與景觀生態(tài)學(xué)理念融合后，以恢復(fù)景觀(礦山、濕地公園等)為導(dǎo)向，形成了以徐州潘安湖濕地公園、唐山開(kāi)灤煤礦國(guó)家礦山公園等為代表的景觀重建手段，其特點(diǎn)見(jiàn)表1，可采取工程治理方法，將地形、匯儲(chǔ)水、場(chǎng)地設(shè)計(jì)和植被恢復(fù)相結(jié)合，形成景觀-產(chǎn)業(yè)-旅游相結(jié)合的示范區(qū)。景觀重建與生物技術(shù)中的先鋒物種修復(fù)易混淆，表2對(duì)二者進(jìn)行了比較。
表2 先鋒物種修復(fù)和景觀重建比較
02
關(guān)閉/廢棄煤礦生態(tài)修復(fù)評(píng)價(jià)方法
生態(tài)修復(fù)評(píng)價(jià)的常用方法可分為四類：物種多樣性、土壤理化性質(zhì)、綜合體系評(píng)估、遙感技術(shù)評(píng)估，見(jiàn)表3。此外，景觀格局指數(shù)網(wǎng)絡(luò)、徑流大小及其沉積物、有蹄類動(dòng)物數(shù)量和分布、有機(jī)碳儲(chǔ)存量變化等也可作為評(píng)價(jià)生態(tài)修復(fù)效果的指標(biāo)。
表3 生態(tài)修復(fù)評(píng)價(jià)常用方法
2.1 生物多樣性評(píng)價(jià)
關(guān)閉/廢棄煤礦修復(fù)后生物多樣性越高表明修復(fù)效果越好，生物多樣性評(píng)估可分為植物多樣性、動(dòng)物多樣性和微生物多樣性評(píng)估。在植物多樣性評(píng)估方面，植被構(gòu)成比例用于評(píng)價(jià)西班牙多個(gè)煤礦區(qū)、美國(guó)阿巴拉契亞煤礦區(qū)、捷克西北部的褐煤礦區(qū)、匈牙利、捷克和德國(guó)聯(lián)合煤礦生態(tài)恢復(fù)效果。
展開(kāi) 