生物炭作为土地改良剂，能否通过HTC技术，解决重金属污染的土壤
生物炭作为土地改良剂，能否通过HTC技术，解决重金属污染的土壤
作者:青烟小生a
文：青烟小生a
编辑：青烟小生a
序
土壤污染已成为全球面临的严峻环境问题之一，尤其是重金属污染对土壤和生态系统的影响越来越受到关注。
在过去的几十年里，工业活动、矿山开采、农业使用化学肥料和农药等活动导致了大量重金属积累在土壤中，
对植物生长和环境健康构成潜在威胁。
因此，发展高效、环境友好的土壤修复技术是迫切需要的，而生物炭作为一种具有吸附性、固定性和持久性的土壤改良剂，
被广泛研究用于重金属污染土壤修复。
它通过其多孔结构和高比表面积，可以吸附重金属离子，减少其在土壤中的可溶性，从而减轻重金属对植物和水体的毒性。
然而，传统的生物炭制备方法往往需要高温热解，消耗大量能源，并且制备过程中产生的二氧化碳排放量较高。
在此背景下，将HTC（水热碳化）技术应用于生物炭的制备成为一种潜在解决方案，HTC技术是一种低温、高水分的碳化过程，通过在高压水热条件下，在缺氧湿润环境中将生物质转化为生物炭。
相比于传统的热解方法，HTC技术在能源消耗和环境影响方面具有更大的优势，HTC技术制备的生物炭具有高比表面积和孔隙度，能够提供更大的吸附容纳空间，
从而增强其对重金属离子的吸附能力。
此外，水热碳化过程中生成的生物炭还可以具有土壤改良的作用，改善土壤结构和保水保肥能力。
因此，将HTC技术与生物炭结合应用于重金属污染土壤的修复具有重要的应用前景和研究价值，那么土地究竟被重金属污染成什么样子了，
才需要生物炭用HTC技术，
在重金属污染土壤进行修复？农田土壤重金属污染
土壤不仅是人类生存和发展最重要的生态系统之一，还是人们进行农业生产活动必不可少的资源。
最重要的是，农田土壤的环境质量决定了农作物的产量和品质，因此农田土壤污染不仅会导致生态系统的改变，还可以
通过食物链间接影响人类健康，
所以农田土壤安全是国家粮食安全和人类健康的根本保障。但随着工业化和城市化进程不断加快，人类活动引起的农田土壤重金属污染问题越来越严重。
其中，重金属是不可降解的有毒物质，但是因为生物代谢半衰期长，迁移能力弱，所以重金属污染不仅能够引起土壤生物化学功能发生变化，降低土壤肥力，还能
影响土壤动物及微生物群落的结构和多样性，
抑制植物根系生长，从而导致作物产量和品质的降低，严重威胁生态系统安全和人类健康。值得一提的是，全球人口的增长导致了粮食需求的快速增长和耕地的集约利用，而近年来中国在全球可持续发展中发挥了越来越重要的作用，最显著的就是仅仅用世界9%的耕地面积，养活了近20%的世界人口，然而这种成就的代价是巨大的。
2014年
《全国土壤污染状况调查公报》
显示，铅、镉、铜和锌的超标率分别为0.9%、2.1%、7.0%和1.5%，因此重金属污染是我国土壤污染的主要原因。然而，在2015年环境保护部的一项调查中，还显示了我国16%的农田土壤重金属超标，对于农业土壤19.4%的地区中超过了环境质量标准。
经过调查得知，我国每年受重金属污染及因重金属污染，而
减产的粮食高达2200多万吨，
合计损失至少200亿元，因此农田土壤重金属污染已成为世界各国面临的主要环境挑战之一。只是，世界各国对土壤重金属污染这一问题的认识以及解决这一问题的技术大相径庭，据报道，全世界有1000万个受污染的场地，其中50%以上受到的是重金属污染。
为了应对重金属污染引起的严峻后果，人们陆续开发出各种去除土壤中重金属的技术和方法，发现土壤修复的方法，大致可分为：
物理修复、化学修复和生物修复
三大类。其中物理修复包括：土壤置换、土壤分离、玻璃化、电动力修复，而生物学方法一般包括植物稳定、植物蒸发和植物提取，化学方法则包括固定和土壤清洗。
值得一提的是，修复重金属污染土壤的常规技术，如物理分离、洗涤、电动力修复和掩埋等技术，通常过于昂贵，
而且还对农田土壤健康有害，
因此在农田重金属土壤污染修复中较少被使用。而修复农田土壤重金属污染主要基于三种途径，一是通过改变重金属在土壤中的赋存形态，或者将其固定，进而降低重金属在土壤中的迁移性和生物可利用性。
二是利用生物或工程技术将重金属从土壤中移除，从而降低其在土壤中的总浓度，而三是改变种植制度，
避免重金属通过食物链影响人体的健康。
基于这个观点，我们的研究人员提出了使用生物炭来修复土地的受到的“伤害”。
重金属污染土壤的救星——生物炭
生物炭是在限氧环境中通过生物质热化学转化获得的固体材料，生物炭概念的提出可以追溯到亚马逊的Terra-Preta土壤，这些土壤相较于周围贫瘠的热带土壤，明显提高了作物的生产力。
通过进一步的研究发现，使Terra-Preta土壤具有了良好肥效的关键成分是生物炭，由于生物炭具有比表面积大、结构多孔、表面官能团丰富、矿物质含量高等特点，
而且价格非常的低廉。
因此，可以作为水和空气污染物的吸附剂、去除焦油或生产生物柴油的催化剂，还可以作为土壤的改良剂，这也可以表明生物炭被视为，
发展可持续能源生产和环境管理的重要工具。
其中，生物炭的主要化学元素是碳（C），但它也含有氢（H）、氧（O），以及微量氮（N）和硫（S），其元素组成因生产生物炭的生物质原料，和碳化过程的特点而有所不同。
目前，生物炭的制备方法主要有热解、水热碳化、气化和干馏等，但气化和干馏法制备的固体产物，并不是理想的生物炭材料，而生物炭主要由热解和水热碳化两种方法制备，与常规热解法相比，水热碳化的主要优点是
能源需求较低、无需气体排放和湿生物物质
的预处理。近年来，无论是在制备功能化碳材料方面，还是在储能和环境保护领域，水热生物炭的潜在效益和应用都受到了广泛的关注。
先是有绿色植物通过光合作用去除二氧化碳，通过水热碳化过程，CO2与水热生物炭的最终碳质结构结合在一起，
这是减少碳循环中二氧化碳的有效途径。
此外，水热碳化过程中产生的生物油和水热生物炭，可以用作生物燃料，减少对化石燃料的依赖，
并进一步抵消二氧化碳排放。
同时，大量的人体衍生废物，包括固体悬浮物、粪便、生活垃圾和木质纤维素都可以转化为水热生物炭，从碳迁移的角度来看，利用人类废弃物生产的水热生物炭，可以看做是加强了碳载体对CO2的固定作用。
其中，水热碳化（HTC），也称为湿法炭化，是在180～260℃的温度范围内，将生物质材料淹没在水中，并在压力2～6MPa的受限系统中加热一定的时间，还能在较短的停留时间内，将有机原料
转化为高碳固体产品的热化学过程。
通常反应压力在反应过程中并不受控制，而是在水的饱和蒸气压（亚临界水）与反应温度的影响下自行生成的。
由于水热碳化工艺制备生物炭是在有水的情况下进行的，因此不受原料水分含量的影响，所以无需进行湿生物质原料的预干燥，以至于在农业、食品工业和藻类等植物产生的高水分生物质废弃物利用中，表现出一定的优势。
在水热碳化法制备生物炭过程中，会产生的固体、液体和少量气体产物，其固体产物为生物炭，液体产物是生物油和水的混合物，
气体产物主要是CO2。
产物中的生物炭固体是以浆液的形式存在的，需要通过机械脱水、过滤或者热干燥降低其含水率，质量回收率约为40～70%。
而生物油是一种低氧、高能量密度的疏水有机液体，可取代重油直接用作燃料与煤共燃，或转化为柴油、汽油类优质馏分燃料。
重要的是，HTC工艺其产物性能和各相占比，在很大程度上取决于工艺条件的不同，反应时间和反应温度影响着产物的物理化学特性，其中反应温度是主要的工艺参数。
另外，也有研究人员通过添加盐或者酸，来改变水热碳化工艺中的水热介质，从而改善生物炭的物理化学性质，
并降低反应压力和温度。
这是因为，HTC工艺制备的生物炭表面呈高度芳香化结构，含氧基团较多，对水表现出较高的亲和力，因此该工艺制备的生物炭可以用来增加土壤的持水能力。
而且，HTC具有较高的生物质转化率、无需预干燥、操作过程较为环保、操作温度较低等特点，最重要的点在于，她不需要昂贵、复杂的设备，所以特别适合利用湿生物质原料制备生物炭，这也是将生物质转化为
高价值炭材料
的高效手段。因生物炭表面存在含氧基团，可以提高生物炭对水的亲和力，更有利于提高土壤的持水能力，但是随着反应温度的升高，
这些基团的数量都会下降，
所以较高温度是水热碳化法制备生物炭的不利因素，这和HTC工艺制备生物炭的技术有着紧密的联系。HTC工艺制备生物炭在农田土壤中的应用
生物炭在土壤中的应用主要为土壤改良和土壤修复两个方面，这是因为土壤性质是影响作物生长、农业生产的关键，而生物炭可以有效改善土壤的物理、化学、生物和生态特性，所有有越来越多的研究学者将生物炭应用于土壤改良和土壤污染修复中。
生物炭是具有高度稳定性的富碳物质，它可将生物质中的碳素固定在土壤中的几百到几千年，还是一种很好的碳封存材料，
并且还可以用于减缓气候变化和土壤碳固定。
在自然模式和有生物炭参与模式下的，碳循环与两种模式相比较后发现，生物炭参与模式下土壤多固定20%的碳。
有研究人员发现，农作物秸秆循环利用与生物炭固碳、生物能源产出是有机关联的，不仅可以实现土壤改良、作物增产、增汇减排，而且生物炭制备过程中产生的生物能源可以部分代替化石燃料使用，
从而实现多层次的碳减排。
而近些年，水热碳化法制备生物炭在减少温室气体排放方面的潜力也日益受到关注。
一般来说，水热碳化法制备的生物炭在缓解气候变化方面不如热解生物炭，施用水热生物炭会增加森林土壤、农业土壤和草原等不同类型土壤的CO2和CH4排放。
这可能是由于水热生物炭中碳的稳定性较差，而且具有较高的可降解性，当施用量较高时，为土壤微生物提供了丰富的
营养物质、增加微生物活性。
还有研究人员以秸秆为原料进行了试验，他分别在200℃、250℃和300℃采用水热碳化法制备生物炭，并分别将其施入水稻土中，发现CH4排放量累积增加150～430%，但在高温下制备的水热生物炭释放的CH4较少，因为随着水热温度的升高溶解性有机物含量增加，
生物降解有机物含量会下降。
目前，水热生物炭与土壤相互作用所引起的温室气体对土壤物理性质的潜在机制尚需要深入研究。
结语
生物炭作为一种由生物质经过热解制备的碳质材料，具有良好的吸附能力和土壤改良性质，被广泛应用于土地改良和环境修复领域。
通过HTC技术，生物炭可以用于解决被重金属污染的土壤问题，因为HTC技术是一种将生物质在
水热条件下
转化为生物炭的过程，这一过程可以改变生物质的结构和性质，提高生物炭的吸附性能和稳定性。而且，生物炭作为土地改良剂通过HTC技术解决重金属污染的土壤具有一系列的优势，因为生物炭具有高度的孔隙度和表面积，可以提供大量的吸附位点，与重金属形成强烈的物理和化学吸附作用。
这种吸附作用有助于迅速有效地去除土壤中的重金属污染物，又因生物炭具有良好的稳定性和长期吸附效果，所以能够在土壤中持久存在，维持其修复效果。
此外，生物炭还可以改善土壤的
质地、保水性和通气性，
促进植物生长和根系发育，从而为生态系统的恢复提供有利条件。然而，要实现生物炭通过HTC技术解决重金属污染土壤的目标，我们仍然面临一些挑战和限制。
选择适宜的
生物质材料和工艺条件
是关键，毕竟不同类型的生物质和处理条件可能会对生物炭的吸附性能产生影响，需要进行充分的研究和实验以确定最佳组合。而降低生物炭制备过程中的能源消耗和环境影响也是急需解决的问题，生物炭的应用需要考虑土壤类型、重金属污染程度和植被或农作物的特性，以实现最佳的修复效果。
所以HTC技术可以改善生物炭的吸附性能和稳定性，通过强大的吸附效果实现重金属的去除和固定。
然而，在实际应用中还需要进一步研究和优化技术，解决能源消耗和环境影响方面的问题，同时根据不同土壤和植被特点制定合理的应用策略。
相信随着科学技术的不断进步和实践经验的积累，生物炭通过HTC技术在重金属污染土壤修复领域将发挥越来越重要的作用，
促进土地可持续利用和环境保护。