北极星水处理网讯:摘要：生物质炭化技术是生物质资源化利用的新兴技术。它主要是将生物质通过炭化固定为稳定态的炭,从而形成新型的生物质炭产品。简要介绍了生物质炭化技术,重点介绍了农林废弃物、餐厨垃圾、畜禽粪便、剩余污泥等含水率较高的废弃生物质水热炭化制备生物质炭的研究进展,并探讨了水热生物质炭在含有机物、重金属及阴离子的废水处理中的应用,展望了生物质水热炭化技术的前景。
关键词：水热炭化技术;废弃生物质;生物质炭;废水处理;吸附;
生物质（biomass）泛指任何可再生的或可循环的有机物质，包括所有的动植物、微生物及其进行生命活动产生的所有有机物质[1]。由于当前能源短缺、环境污染形势严峻，生物质的高效、循环、合理利用已成为世界各国构建低碳型经济及社会体系的首选途径。我国废弃生物质资源极为丰富，每年农作物秸秆产量约7亿t，蔬菜废弃物约1亿~1.5亿t，城乡生活垃圾和人类粪便约2.5亿t，禽畜粪便约3亿t，林业废弃物约万t[2-3]。而且随着城市化的发展，我国的污水处理设施逐渐普及，剩余污泥产量大幅度增加，截止到年，我国的湿污泥年产量已达万t（含水率80%），折合成干污泥也有万t[4]。但目前我国对废弃生物质的利用率相当低，这不但造成生物质资源的严重浪费，还加剧了对环境的污染或潜在污染。随着科技的发展，大力开发高效、低碳、环保的废弃生物质处理技术，充分利用贮存在生物质中的生物质能，对于缓解能源紧张、生态失衡、环境污染等问题所带来的压力具有重要意义。
生物质炭化技术是生物质资源化利用的新兴技术。它主要是将生物质炭化并以稳定态炭的形式固定下来，从而形成新型的生物质炭产品[5]。水热炭化技术最早可追溯到19世纪初，从研究煤的形成机理开始。年，德国化学家Bergius等在~℃的水热条件下对纤维素进行炭化，得到一种黑色炭样，其O/C原子个数比相对于原料有较大程度的下降。随后有研究者将水热炭化的原料由纤维素扩大到其它生物质材料，对水热炭化技术进行了系统研究。生物质的水热炭化可加速生物质与水介质之间的物理化学反应，促进离子与酸/碱的反应，分解生物质中的碳水化合物结构，最终形成生物质炭材料并析出。将水热炭化技术应用于废弃生物质的处理，不仅能应对废弃生物质污染环境的问题，达到废弃生物质减量化、无害化、稳定化的目的，还可以改变生物质的内部结构和表面化学性质，通过环境友好的方法将低值废弃生物质实现高附加值再利用，缓解了对其它碳材料的巨大需求，具有十分广阔的应用前景。作者简要介绍了生物质炭化技术，重点介绍了废弃生物质水热炭化技术的研究进展，探讨了水热生物质炭在废水处理领域的应用，并展望了生物质水热炭化技术的前景，为废弃生物质变废为宝、减轻和消除环境污染隐患提供新的思路。
1生物质炭化技术
1.1生物质的转化
生物质转化利用途径主要有3类，即生物转换、物理转化和化学转化，比如生物质堆肥、直接燃烧、发酵制沼气、热化学转化制备柴油、乙醇燃料以及生物质炭等。直接燃烧生物质利用率较低，堆肥或发酵容易引起沼气泄露及二次污染，所以生物质的热化学转化（图1）成为了当下研究的重点。
国际生物质炭组织（IBI）将生物质炭（bio）标准化定义为“在限氧环境中通过生物质的热化学转化得到的固体物质”[6]。根据加热方式不同，生物质炭制备方法分为两种：一种是裂解法，是在较高温度（~℃）和隔绝空气条件下将生物质慢速加热反应几小时到几天时间，得到的产物叫裂解生物质炭（pyro-bio）；一种是水热法，是以水为反应介质，将密闭反应器内的生物质低温（~℃）加热反应一定时间，得到的产物叫水热生物质炭（hydrothermalbio），两者的对比见表1。
水热法相比传统裂解法，较为温和，固型生物质炭可通过固液分离获得，对设备要求低；同时大多数新鲜生物质含水率高，水热法炭化无需干燥预处理，一步成炭，更适合于工业应用。生物质炭的制备方法不同于活性炭，活性炭是将原材料以及煤等用各种方法（蒸汽或化学剂）通常在℃以上[11]活化制备。
生物质炭60%以上的成分是C，除此之外还含有H、O、N、S等元素，以及由这些元素构成的羧基、酚醇羟基、羰基、内酯基等多种可参与化学反应的表面官能团[12]。生物质炭的微观结构是由高度扭曲状态的芳香环片层紧密堆积而成[13]，由X-射线测试可知其具有乱层结构[14]。生物质炭具有多孔性的表面，故其比表面积较大，表面能较高[15]，羧基、酚醇羟基、羰基、内酯基等基团使得生物质炭具有良好的吸附性。研究还表明，生物质炭表面电荷密度较高并且电荷多呈负电性[16]。生物质炭性质稳定，具有高度芳香化、丰富的孔隙结构、巨大的比表面积和高表面能等特性[16]，这些特性不仅在减缓气候变化、改善土壤和增进肥效方面具有良好作用，还在修复土壤及废水处理等一系列环境资源化利用领域中具有广阔的应用前景[5]。
1.2水热炭化技术
水热炭化是以水为介质，将水热反应釜中的生物质在一定温度下反应一定时间后转化为水热生物质炭的过程[17]，其压力为自生压力。水热炭化技术的研究一直停留在液相和气相产物上，而固相产物通常被摒弃不用。直到21世纪初，Wang等[18]首次利用蔗糖在℃条件下水热分解制得了粒径均匀、具有良好储能性能的碳球，低温水热炭化法在合成炭质材料领域再度引起研究者的