生物炭在绿色发展中的应用前景

作者:佚名  发布时间:2017年02月07日  点击次数:

 

生物炭在绿色发展中的应用前景
(九三学社江苏省委第九届江苏九三论坛论文)
陈高远(镇江方源工程有限公司)
 
        摘要:农林废弃物的资源化利用和无害化处理对我国能源战略非常重要,作为农林废弃物资源化方法的一种,利用农林废弃物制备生物炭不仅可以有效地解决农林废弃物的处理与处置问题,同时还能制备高品质的生物炭并用以处理环境污染,具有良好的应用前景。
        关键词:生物炭、废弃物、能源、污染治理
 
人们经济收入的提高和对高质量生活水平的不断追求,使得人们对能源的需求大幅度增加,由此产生了一些列的能源和环境问题,能源和环境已经成为全球关注的焦点。能源是影响世界经济发展的重要因素,而环境是人类赖以生存的因素。由能源引起的环境问题正越来越引起人们的关注,人们对化石能源的超负荷的使用引发了当今日趋严重环境问题,有的已经造成了不可修复的破坏性的污染。例如,我国对煤炭过度开采和使用,伴随燃烧产生的 SO2早已超过了排放空间的承受能力,由此引发的酸雨使农、林作物损失高达上百亿,更严重的是这种污染还会造成土地的荒漠化并也对人类的身体健康造成危害。现阶段能源的开发与利用已经是人类必须面对与亟需解决的现实问题。
中共十八届五中全会确立了“创新、协调、绿色、开放、共享”的发展理念。中共江苏省委十二届十一次全会和全省基金工作会议,把绿色发展摆在重要位置,提出坚定不移走绿色化发展道路。发展生物质资源是符合我国可持续发展的国情。如果仅仅利用地球所蕴藏的化石能源的话,在不久的将来,我国甚至全球将面对能源枯竭的局面,因此发展新能源的需求已经迫在眉睫。我国的生物质资源在世界产量中高居首位,因生物质利用的过程中是一个循环过程,生物质资源在合理利用的过程中基本上是污染物零排放的,所以发展生物质技术是符合我国建设资源节约型与环境友好型社会国情的。
随着人们经济的大幅度提高,越来越多的人对传统的商品能源的购买能力也显著提高,曾作为农村地区主要燃料的生物质材料被高发热量的化石能源所替代,人们对生物质资源的利用率有了显著的下降趋势。目前在我国经济在快速的发展,但能源作为经济发展中的重中之重,也正成为制约我国可持续发展的重要因素。我国对新能源的开发,特别是可再生能源的开发和利用尤为重视。从“八·五”计划到“十三·五”计划,能源的发展一直作为最为重视的版块。研究表明,生物质能和传统能源相比较而言,采用适当的方法利用生物质能,其碳排放量比传统能源所排放的量要少90%左右,同时也降低了生物质材料燃烧所释放的有害气体。
一、生物质与生物炭
在我国中国统计年鉴主要统计的农林废弃物有:秸秆、锯末、甘蔗渣、花生壳,粮食谷物的壳以及动物的粪便等等。这些生物质资源现在一直被人们是为垃圾或者废弃物,倘若我们能使充分利用这些“垃圾”,变废为宝,不仅能减少废弃物的处置成本,还能使其成为新的替代能源。传统生物质是指地球上一切直接或间接利用绿色植物的叶绿素进行光合作用形成的有机物质,包括除化石燃料外的植物、动物和微生物及其排泄与代谢物等。叶绿体在吸收太阳能光合作用产生的含有碳元素的生成物,即我们所介绍的生物质能。地球上由光合作用所产生的所有生物有机体都可以成为生物质。
所谓生物炭就是在相对比较低的温度下和限氧条件下由生物质热解而产生的富含碳的高度芳香化物质。生物炭目前研究的主要功能包括以下几个方面:(1)固碳作用。研究人员发现生物炭可在土壤中保存几百年乃至几千年,是稳定的碳固定载体,生物炭还可抑制温室气体的排放;(2)吸附效应。生物炭可用来作吸附剂去除污水中重金属和有机污染物,还可作为稳定剂钝化封锁土壤中污染物;(3)土壤改良。将生物炭添加于土壤中可用于改善土壤的理化性质,从而提高农作物产量;(4)生物能源。生物炭在制备的过程中还可获得生物质能源及化学品,可以节省化石能源,并且降低化石原料的碳排放。
        二、生物质废弃物研究现状
      (一)生物质废弃物的主要来源
目前生物质废弃物主要包括:林业废弃物,农业废弃物,城镇有机生活垃圾等。据估世界范围年产生物质废弃物约有百亿吨。(1)林业废弃物主要包括薪材、落叶、树皮、树根及林业加工废弃物等,我国采伐造材所得的原木材积仅为立木蓄积量的65%左右,其余均作为剩余物。(2)农业废弃物主要是指农业生产的副产品和粮食加工行业产生的谷壳等废弃物,其中以农作物秸秆和养殖业畜禽粪便为主,我国每年产生各类农作物秸秆约7-10亿吨,其中2.7亿吨用作燃料,1.8亿吨过腹还田,还有30%以上未得到应用;我国每年产生的畜禽粪便量达到17亿吨,其中含大量氮磷钾等营养元素。(3)目前中国城市内生活垃圾累积堆存量已达70亿吨,目前还在以每年平均4.8%的速度持续增长。根据垃圾成分分析,得出城市生活垃圾中有机物成分为70%,其中大部分为厨余废弃物。
      (二)国内外生物质废弃物资源化现状
美国早在1979年就开始采用生物质燃料直接燃烧发电,近年来美国生物能源开发主要致力于利用有机固废生产生物能源,采用木材废弃物生产燃料乙醇,同时生产肥料,其市场前景可观。我国与发达国家相比,相对落后,但在研究开发生物质废弃物资源高效利用技术方面已达成一致意见。多家高校及科研机构在研制生物质利用装置上也都相继取得了一系列的成果,如中国农科院、哈尔滨工业大学、浙江大学、中科院化冶所等都在开发利用生物质能。另外,我国在将生物质转化成为高品位能源技术的研制和开发上取得了较大进展,例如:生物质气液化和致密成型等等,生物质的气化己进入应用阶段,由于投资相对比较小,具有良好的竞技性和社会效益,比较适合农村地区使用,在小范围内推广,有较好的发展前景[1]
      (三)生物质废弃物利用技术
一般将生物质废弃物利用技术分为物理技术、生物技术和化学技术。目前,各国主要将研究集中放在化学技术方面,因为在这些化学技术中,热解技术不仅能够对生物质废弃物进行有效处理,并且还能在处理过程中得到具有吸附功能的生物炭和燃料,如生物油,生物气等,所以越来越多的研究者将目光投向生物质废弃物热解技术。
所谓热解技术主要是指生物质在限氧供给条件下利用热能来切断生物质大分子中碳氢化合物的化学键,将之转化为小分子物质的热降解,这种热解过程最终由生物油生成、固体生物炭和可燃气体三种,国外学者通过热解技术成功的将70%的猪粪转化成生物油。也有研究者也将鸡粪热解产物作为能源,并且指出,通过热解技术二英的排放问题也将得到解决。
        三、生物炭的研究现状
生物炭的元素主要含有碳、氢、氧三种元素,其次是灰分。其碳的含量主要受炭化温度影响。一般来说,炭化的温度越高,其碳的含量也就越高,氢元素和氧元素的含量就会降低,灰分含量增高。生物炭除了由稳定的芳香化结构组成之外,而且还有很多脂肪族和氧化态碳结构物质。
生物炭孔隙结构发达,比表面积巨大,不同的生物质类型或者炭化条件所制得的生物炭表现出了不同的生物炭性质,据报道,采用 800炭化竹材,发现炭化后的竹炭比表面积高达370m2·g-1,此外,经过高处理后的竹炭,其吸附能力是传统木炭的10倍。随着研究的进展,研究者发现生物炭不但具有多孔性,高比表面积,而且还具有大量的表面负电荷的特性,能吸附土壤或沉积物中的无机离子(如Cu2+、Zn2+、Pb2+等)及有机化合物。
        四、生物炭的应用研究
      (一)生物炭治理重金属污染水体的研究
水体中的重金属污染主要来自两个部分:天然源和人为源。其中由于采矿和冶炼、化工、废电池处理、造革和染料、大气干湿沉降、农药和化肥等过程而产生的人为污染源是造成水体重金属污染的主要原因,这种污染方式不仅污染了水环境,也严重危害了人类自身。
大量的研究表明,利用植物和动物残留物制取的生物炭可以有效的吸附水体中有机污染物和重金属。以牛粪为原料在低温下热解制成的生物炭可以有效的去除水体中的阿特拉津和铅,其研究结果表明,水体中铅的去除主要是由于牛粪中含有的大量磷与其发生了沉淀反应。松木和稻壳通过水热法制成的生物炭也可以吸附水体中的重金属铅,硬木和秸秆经热解制成的生物炭能够有效的去除水体中的铅和锌,以鸡粪为原材料的生物炭能够固定水体中的Cu,Cd,Ni及Pb[2]
由不同生物质源产生的生物炭的吸附原理也不尽相同。植物制成的生物炭有效固定水体和土壤中的 Cd,Cu,Ni和Pb 主要是络合反应以及沉淀作用;而牛粪制成的生物炭对铅具有很强的吸附能力,主要是因为铅和生物炭中的磷酸根和碳酸根发生沉淀作用。
      (二)生物炭治理有毒有机物污染水体的研究
我国根据多年的监测结果提出水中优先控制污染物有68种,其中有毒有机污染物就有58种,这充分说明我国的水污染主要以有机物污染为主。其中饮用水的污染已经成为一个事关人类健康的重要问题。
研究表明,环境中普遍存在生物碳质如木炭、焦炭、烟炱等都具有超强的吸附性能。有机物在生物碳上的吸附机理为两种不同的机制:1)分配作用,主要由有机质的部分决定。2)表面吸附,主要由碳化的部分决定。以松针作为原料制备的生物炭吸附剂,可以有效的去除水中的硝基甲苯、萘、硝基苯、间二硝基苯等,生物炭质吸附剂对有机物的去除是表面吸附和分配作用的综合作用。利用小麦的残留物制成的生物炭可以有效的去除水体中的苯和硝基苯。生物炭具有的多孔性,高比表面积使其成为具有很好前景的吸附剂[3]
      (三)生物炭在大气污染控制中的应用研究
活性炭等含碳材料可以通过物理吸附,化学吸附,催化氧化,催化转化等方式有效的吸附含硫气体,如硫化氢,二氧化硫等。这主要归结于含碳材料的表面性质,在含碳材料的孔结构中,不同的含硫物质可以被氧化成单质硫,二氧化硫,或硫酸等。
活性炭,生物炭等含碳材料对氨气的吸附既有物理吸附,又存在化学吸附,主要是由表面官能团引起的,并且生物炭等含碳材料的表面酸度与氨气的吸附有很大的相关性。
      (四)生物炭在土壤中的应用研究
研究发现将生物炭添加到土壤后,可以提高阳离子和磷的可利用性,总氮的浓度增大。土壤肥力的增加不仅是因为生物炭本身提供营养,以及对营养物质的截留作用,还因其改变了土壤微生物的动力学,促进了生物固炭。随着科研工作的深入,发现生物炭对全球碳的生物地球化学循环和缓解全球气候变化具有重要的影响,生物炭已被认为是二氧化碳的重要储库,生物质炭化还田可能成为人类应对全球气候变化的一条重要途径。绝大多数植物都从大气中吸收二氧化碳,并储存在他们的生物组织或土壤有机质内。将这个过程再推进一步,在低温条件下加热这些生物组织使其热解,再次返回土壤时,这些生物炭将会创造一个长期的、稳定的碳库。生物炭储存器能够抵消其他几种化石燃料所产生排放量的10%。
生物炭添加在土壤中之后,不仅可以提高土壤的肥力,而且可以降低植物对土壤中农药的吸收,这是由于生物炭的表面吸附和截留作用所致。
      (五)生物炭在能源方面的应用
长期以来,我国高速发展是建立在高耗能、高排放、高污染的能源结构之上,没有充足的能源供应,社会经济是难以整体持续发展的,建立多种能源并存的新体系已经成为当务之急。随着低成本的制炭工艺的日臻完善,目前生物炭逐渐成为生物质能高效利用的主要形式。目前,有大学经过潜心研究,发明了颗粒炭化炉生产新工艺,这种新的生产工艺彻底解决了生物炭制备中的瓶颈问题,将废弃生物质收集、储运、异地集中炭化和深加工,变为就地炭化、集炭。这种模式生产的生物质煤易于点燃、无烟无味、无污染,这些特点经研究是可以代替木柴、原煤、液化气等普通燃料,属于可再生的新型能源,市场开发潜力巨大。
      (六)生物炭在其他方面的应用
利用农田废弃物制成的生物炭还可作为动物饲料添加剂,其技术和经济的可行性已经被验证。将生物质转化成生物炭用于动物添加剂在技术和经济上都是可行的,对国家和企业也是合适的。
随着研究的深入,生物炭在全球碳生物化学循环和缓解全球气候变化研究领域、农业土壤改良和作物栽培领域,以及土壤污染物质的生态修复领域的巨大意义日益显现,可以预见生物炭在环境科学、土壤学和农业生产方面将有更广阔的应用前景。
 
[1]刘延坤,孙清芳,李冬梅,等. 生物质废弃物资源化技术的研究现状与展望[J]. 化学工程师, 2011, (03), 28-36.
[2]李力, 刘娅, 陆宇超,等. 生物炭的环境效应及其应用的研究进展[J]. 环境化学, 2011, 30(8):1411-1421.
[3]王宁, 侯艳伟, 彭静静, 等. 生物炭吸附有机污染物的研究进展[J]. 环境化学, 2012, (03), 287-295.