废弃物生物炭应用领域研究进展与前沿分析.docx

? ? 2000 2021年废弃物生物炭应用领域研究进展与前沿分析 ? ? 马珮瑶，邓志华，向 萍，李碧青 （1西南林业大学材料与化学工程学院，昆明 650224；2西南林业大学生态与环境学院，昆明 650224） 0 引言 在有限的氧气条件下生物质原料通过热化学分解产生的富碳物质被称为生物炭[1]，其具有比表面积大、稳定性好等特点[2]，可以有效地吸附重金属、有机小分子和离子等污染物[3]，可作为污染物吸附剂，土壤改良剂广泛应用于污染的吸附以及土壤的改良[4]、重金属的吸附[5]以及能源与化工[6]等领域。同时，一些研究[7]发现生物炭还能够应用于生命科学及工程等领域。由于生物炭具有良好的理化性质，在农业应用领域中，生物炭可以改善土壤肥力，从而能够减少营养物质的流失，进一步促进作物生长[8]。在环境领域中，向受污染的土壤中加入一定比例的生物炭，可以通过改善土壤性质，降低重金属的可交换态离子含量，削弱一部分植物对于重金属离子的吸收，从而提高农作物的产量。例如崔立强等[9]进行了一系列的田间试验，试验结果表明将生物炭添加进受重金属污染的土壤中，生物炭可以明显使得土壤中的重金属有效形态降低。周建斌等[10]研究了生物炭对重金属镉的固定，结果表明生物炭可以通过沉淀、吸附反应降低镉的有效形态。 在中国，每年有上千万吨的废弃物被丢弃，垃圾通常通过焚烧处理，导致大量二氧化碳排入大气，造成严重的污染[11]。作为环境友好型剂，利用废弃生物质材料制备成生物炭，用作土壤改良剂，可以用来修复污染土壤，提高土地的产量；用作吸附废水的污染修复剂，可以修复污染水体[12]，同时实现生物质的资源化、碳封存[13]、污染缓解[14]。在促进社会的可持续发展的同时，也具有十分良好的经济和环境效益，变废为宝。近年来，学者们在修复领域对于利用废弃物材料制备成生物炭进行修复方面的研究也逐渐增多，已经成为了生物炭修复污染的热点方向之一。例如，ROBERTS等[15]选择了多种具有代表性的废弃生物质原料例如能源作物、农业废弃物、庭院废弃物等制备成生物炭，结果表明庭院废弃物和农业废弃物排放的温室气体都为负值，并且庭院垃圾具有较好的经济性。DARBAN等[16]用马铃薯皮作为原材料，将马铃薯皮制备成生物炭，对伊朗伊斯法罕的某矿井周边的土壤进行修复，研究表明，利用马铃薯皮制成的生物炭能够将游离态的Cu和Pb转化成为有机结合态，使其趋于稳定态。SEPEHR等[17]采用葡萄枝作为原材料制备成生物炭，在投加量为10%时，Cd、Zn、Cu和Pb的可移动性分别降低了47%、49%、70%和62%。该试验还进行了利用橡树制备生物炭，在添加了4%的生物炭长达3年内，发现该生物炭依然对土壤中的重金属保持着比较高的固化能力，并且该土壤中Zn和Cd的含量分别降低了77%和66%[18]，效果良好。侯艳伟等[19]对郴州和龙岩地区矿山周边土壤进行了研究，在该受重金属污染的土壤中添加了利用水稻秸秆制成的生物炭后，重金属铅含量大幅下降，效果很好。MONIKA等[20]研究了由3种不同污泥制备的生物炭在投加后对土壤的pH、重金属含量和生物活性的影响。研究结果表明，添加了生物炭后的土壤，pH有所提高，同时土壤中可游离态的重金属含量有所降低，从而能够有效地减少重金属对于土壤微生物的毒害[21]。QIAO等[22]以玉米秸秆(MS)、向日葵秸秆(SS)、小麦秸秆(WS)、橘皮(OS)、葵花籽壳(SSS)和栗子壳(CS)等农业植物废弃物为原料低温制备生物炭。结果表明，在300℃的条件下，以玉米秸秆(MS)制备的生物炭总孔隙率为92.8%，对Pb2+的吸附量为78.6 mg/g，去除率为98.3%。所制得的生物炭对不同浓度的亚甲基蓝和Pb2+水具有良好的吸附性能。简敏菲等[23]利用农业废弃物水稻秸秆作为原材料，采用了限氧裂解法制备生物炭。研究结果表明，提高热解温度之后，生物炭的产率和挥发分比例有所下降，而灰分含量和含碳量有所提高。SUWUNWONG等[24]将废弃物茶叶渣500℃制成生物炭，又将生物炭改性成MnFe2O4/生物炭，对Pb2+离子的吸附率提高98%。 目前，随着科学计量学的快速发展，该方法被广泛的应用于文献分析，为大数据的可视化研究提供了相当可靠的途径，进而可以对某领域的科学发展现状及水平进行评价[25]。由陈超美教授于2004年推出的基于Java环境的引文网络分析工具Citespace，主要应用于文献数据的计量以及分析，该软件可以准确的识别及显示科学发展的新动态以及目前该领域的必威体育精装版发展趋势，因此，本文选取了Citespace作为最主要的分析软件进行数据分析[26]。但是该软件只能勾勒出大概的研究领域情况，所以本文依据Citespace以及VOSviewer的分析结果，对结果结合对文献