生物質(zhì)材料的誕生
環(huán)境保護、能源再生，這些都是國際社會上一直以來人們持續(xù)關注的熱點問題。面對當年由于石油基塑料造成的白色污染的問題，在 20 世紀 90 年代國際材料界提出了生態(tài)材料的概念，隨后在 2003 年，第一屆生物基聚合物國際會議上，會議正式對這種材料命名為生物質(zhì)材料。
生物質(zhì)材料是指由動物、植物及微生物等生命體衍生得到的材料，主要由有機高分子組成，主要成分為碳、氫、氧三種元素，它們通過非共價鍵彼此交聯(lián)在一起，形成保護植物的強韌骨架。生物質(zhì)材料具備可再生和可生物降解的重要特征，未經(jīng)化學修飾的生物質(zhì)材料容易被自然界微生物降解為水、二氧化碳和其他小分子，其產(chǎn)物能再次進入自然循環(huán)。
常見的生物質(zhì)材料有木材、秸稈、竹材、淀粉、樹皮、纖維素、木質(zhì)素、半纖維素、蛋白質(zhì)、甲殼素等。
常見生物質(zhì)的分類
為什么生物質(zhì)材料在能源系統(tǒng)中占據(jù)重要地位？
生物質(zhì)能是太陽能以化學能形式儲存在生物質(zhì)中的能量形式，它一直是人類賴以生存的重要能源之一，是僅次于煤炭、石油、天然氣的第四大能源，在整個能源系統(tǒng)中占有重要的地位。其中，生物質(zhì)炭材料是目前對生物質(zhì)能源再利用技術(shù)的廣泛的研究與應用。生物質(zhì)炭是由植物、植物廢棄物、市政廢棄物、動物糞便、城市和工業(yè)廢棄物等通過炭化加工而形成的富含碳的碳產(chǎn)物。目前的研究中生物炭的原材料使用秸稈、甘蔗、藻類居多。
秸稈炭轉(zhuǎn)化示意圖
生物質(zhì)炭的制備
目前生物質(zhì)炭的制備主要有兩種方式，分別是通過熱解炭化和水熱轉(zhuǎn)化等轉(zhuǎn)變而形成的固體產(chǎn)物。熱解法主要通過熱解溫度來調(diào)控生物炭的比表面積、表面含氧官能團等來改變其物理化學性質(zhì)用于提升生物炭的吸附性能；當熱解溫度在 600-700°C 時，生物炭擁有最大的比表面積和最小的孔徑以及最為均勻的結(jié)構(gòu)。水熱法所制得的生物炭大多具有良好的脫水和干燥性能。當水熱碳化溫度低于 250°C 時，所制得的生物炭具有比熱解工藝更高的碳含量。
水熱反應裝置
熱解炭化反應裝置
生物炭材料形貌的表征
目前對于生物炭材料的功能性研究如今也是越來越多，研究重點分為生物炭應用于污水處理、土壤改良、生物炭結(jié)構(gòu)和功能探尋和生物炭的制備 4 個大類；研究熱點主要是生物炭材料的修飾改性及機理探尋等；而這些研究中為了探究經(jīng)過表面處理后可以達到所期望的性能，通常都會采用掃描電鏡(SEM)等手段進行表征。使用飛納電鏡可以對制備的生物炭材料的微觀形貌進行快速表征，搭配使用孔徑統(tǒng)計分析軟件，為生物質(zhì)炭的物理吸附性能評估提供重要參考。
改良秸稈炭的吸附作用
吸附性和催化性是生物質(zhì)活性炭重要的特質(zhì)，其改性方法是以提高吸附性能為目標，生物質(zhì)炭的比表面積和孔徑結(jié)構(gòu)及分布狀況是影響其物理吸附的主要因素，微孔表面官能團的活性則決定了其化學吸附性能。
研究成果
A. Aboulkas 等人采用海洋中的藻類，通過熱解法制備出生物炭及生物油，實現(xiàn)了來自藻類廢物熱解的生物炭可以用作可再生固體燃料，從這些掃描電鏡圖可以清楚地看出，生物炭的形貌其表面顯示出更多的空隙空間和更高的孔隙率，證實了所生產(chǎn)的生物炭比原始廢料具有更高的表面積，這是由于熱處理而改善了生物炭的多孔結(jié)構(gòu)。
沈征濤等人采用麥稈、麥殼通過水解法制備的高孔隙率、高比表面的生物炭，可用于吸附廢水及田地中的鉛離子。根據(jù) XRD、FT?IR 和 TGA 結(jié)果表明，這種 Pb2+ 可能來自 Pb2+ 沉淀物。Al3+ 的存在也表明它可能與生物炭上的 Al3+ 進行了交換。WSP700 的 EDX 圖顯示垂直和平行于纖維方向都存在 Pb2+，說明大部分 Pb2+ 吸附在生物炭上，可以有效改善土壤中被重金屬污染的問題。從生物質(zhì)炭的 SEM 圖片中可以看到，通過處理后得到的生物炭會有著更多的空隙空間及更高的孔隙率，與原料相比會有著更高的比表面積。這也是為什么經(jīng)過水解方法處理后的生物炭材料在與直接焚燒等方式處理的材料相比有著更好的吸附性能。
除了在農(nóng)業(yè)上的應用，現(xiàn)在還有一部分研究是在應用于催化劑、吸附劑、儲能等領域的生物質(zhì)基炭材料，例如電催化、鋰電池負極、大電容等等。向低碳經(jīng)濟轉(zhuǎn)型是現(xiàn)如今人類文明的必經(jīng)之路。我國政府已將發(fā)展低碳經(jīng)濟，應對全球氣候危機視為重要國策。所謂低碳經(jīng)濟，是指在可持續(xù)發(fā)展理念指導下，通過技術(shù)創(chuàng)新、制度創(chuàng)新、產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型、產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型、新能源開發(fā)等多種手段，盡可能地減少煤炭石油等高碳能源消耗，減少溫室氣體排放，達到經(jīng)濟社會發(fā)展與生態(tài)環(huán)境保護雙贏的一種經(jīng)濟發(fā)展形態(tài)。
參考文獻
【1】A. Aboulkas, H. Hammani, M. El Achaby, E. Bilal, A. Barakat, K. El harfi, Valorization of algal waste via pyrolysis in a fixed-bed reactor: Production and characterization of bio-oil and bio-char, Bioresource Technology, Volume 243,2017,Pages 400-408,ISSN 0960-8524.
【2】Zhengtao Shen, Yiyun Zhang, Fei Jin, Oliver McMillan, Abir Al-Tabbaa, Qualitative and quantitative characterisation of adsorption mechanisms of lead on four biochars, Science of The Total Environment,Volume 609,2017,Pages 1401-1410,ISSN 0048-9697.
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