论文标题：Biochar-based nanocomposites from waste biomass: a sustainable approach for wastewater treatment and renewable bioenergy

期刊：Frontiers of Agricultural Science & Engineering

作者：Gasim HAYDER, Rosli Muhammad NAIM

发表时间：15 Mar 2025

DOI： 10.15302/J-FASE-2024592

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Dec 2025, Volume 12 Issue 1

· 第十篇 ·

▎论文ID

Biochar-based nanocomposites from waste biomass: a sustainable approach for wastewater treatment and renewable bioenergy

基于生物炭的废弃生物质纳米复合材料：一种用于废水处理和可再生生物能源的可持续方法

文章类型：Review

发表年份：2025年

第一作者：Gasim HAYDER

通讯作者：Gasim HAYDER

Email: G.hayder@unizwa.edu.om

作者单位：1. 阿曼尼兹瓦大学工程与建筑学院土木与环境工程系；2. 马来西亚国家能源大学工程学院土木工程系

Cite this article :

Gasim HAYDER, Rosli Muhammad NAIM. Biochar-based nanocomposites from waste biomass: a sustainable approach for wastewater treatment and renewable bioenergy. Front. Agr. Sci. Eng., 2025, 12(1): 117–147 https://doi.org/10.15302/J-FASE-2024592

· 文 章 摘 要 ·

该研究强调生物炭基纳米复合材料 (BNCs) 在废物管理及环境修复、能源生产中的重要性。BNCs通过融合纳米颗粒与木炭基质，增强吸附与催化性能，实现废物处理和环保双重效益。利用废物生物质生产BNCs，既重新利用资源，又降低废物处理的生态影响。研究还解决当前生物炭和BNCs广泛应用中的研究空白与不确定性，指出近十年广泛研究后，需解决长期影响、碳固存速率、潜在森林砍伐和经济可行性等方面的知识空白。为实现BNCs的全部益处，需全面分析系统并建立适应性强的治理结构。文章讨论了应对全球关注问题 (废物管理、水质、土壤健康、气候变化和可再生资源) 所需的可持续技术和解决方案，旨在提供生物炭和BNCs潜力的全面概述，以实现可持续发展目标，同时确定必须解决的研究空白和挑战，为未来研究方向提供指导。

· 文 章 亮 点 ·

1. 生物炭基纳米复合材料适用于可持续的废物处理。

2. 生物炭含有50%至90%的碳，其余为氧和氢的平衡。

3. 生物炭能够提升水质、土壤健康、碳固存和农业生产力。

4. 生物炭可用于解决废物管理问题，并为环境清理和能源生产创造材料。

5. 生物炭对铅和镉的去除率分别高达98.6%和99.2%。

· Graphical abstract ·

· 研 究 内 容 ·

1.引言

全球人口增长与城市化加剧了废物管理等问题，促使人们寻找可持续解决方案。生物炭通过热解生物质制成，富含碳，具有改善土壤健康等多重效益。其应用历史可追溯至2500多年前的亚马逊盆地。现代研究重新发现了生物炭的潜力，但其长期影响仍需进一步研究。

BNCs由废物生物质制成，通过融入纳米材料，增强了吸附和催化性能，成为废水处理和可再生生物能源生产的可持续方案。尽管BNCs被视为有潜力的气候解决方案，有助于实现联合国可持续发展目标，但仍存在一些问题。未来需要更多分析来优化生物炭生产系统，并解决相关政策和商业模式等问题。总之，生物炭和BNCs在应对全球挑战方面具有巨大潜力，但要充分利用其益处，还需开展全面评估并实施具备强大适应能力的治理策略。

本文旨在评估生物炭和BNCs在应对环境与农业挑战中的可持续应用潜力。研究将从生物炭对土壤健康等提升方面展开，同时探索BNCs在废水处理和可再生能源生产中的优势。文章还将回应生物炭应用中的批评与质疑，分析其在联合国可持续发展目标和气候行动中的作用。

2.从废物生物质生产生物炭

2.1 原料选择

原料选择对生物炭的特性和可持续性至关重要。不同生物质影响生物炭的产量和特性，包括养分、pH、污染物、能耗和经济性。应优先选择丰富且未充分利用的有机废物，如农业残留物、林业间伐物、城市绿化废物等，以避免额外土地开垦并创造价值。这些原料需预处理以降低含水量、提高稳定性和能量密度。

2.2 热解过程

热解通过在缺氧或低氧环境下加热有机物，促其分解为生物炭、气态产物和可冷凝挥发物。关键参数为温度、加热速率和停留时间，它们决定生物炭的产量和特性。优化这些参数可生产出满足不同环境和农业应用需求的生物炭。

2.3 生物炭生产的热解阶段

控制热解阶段对获得高质量生物炭至关重要。热解过程分为以下阶段 (图1)：

干燥：去除生物质中的多余水分，提高其能量密度和稳定性，防止焦油等副产品形成。

热解：在200 °C至300 °C下进行，使生物质部分分解，释放含氧化合物，提高其能量密度和稳定性。

放热热解：发生在250 °C至500 °C之间，生物质多聚体结构分解，释放多种气态产物，生物炭产量达到最高。

吸热热解：在550 °C至650 °C下进行，需要外部热源，促进剩余挥发分裂解，生成更碳化和纯化的生物炭。

活化和气化：在高于600 °C的温度下进行，引入氧化剂释放剩余挥发分，开发多孔特性，显著增强生物炭的吸附和催化能力。

图1 生物炭生产过程中的热解阶段。

2.4 生物炭产品分布与特性

生物炭的物理特性包括粒径分布、孔隙结构、比表面积、密度、灰分含量和电导率等，这些特性直接影响生物炭的应用效果。其中，较小的粒径与较高的比表面积有助于增强生物炭的吸附能力；孔隙结构则为水、气体、养分及土壤微生物的留存提供了通道；密度关乎土壤的通气与保水性能；灰分含量影响着生物炭的养分释放及土壤酸碱平衡；而电导率则关乎其在电磁应用中的性能表现。

3.生物炭产品分布与特性

3.1 影响生物炭生产因素

生物炭生产受多种因素影响，包括原料选择、热解参数、原料粒径和含水量、热解气氛、反应器设计以及后处理。这些因素对生物炭的特性和产量有重要影响。例如，原料的化学组成和结构特性会影响生物炭的产量和特性；热解过程的温度、加热速率和停留时间会影响生物炭的稳定性和碳固存潜力。

3.2 生物炭生产系统类型

生物炭生产系统多样，从小规模间歇式到大规模连续式反应器不等。选择何种系统取决于生产规模、原料类型和期望的生物炭特性。例如，间歇式系统适合小规模生产，而连续式系统则具有更高的效率和产量。

3.3 生物炭的物理特性

生物炭的物理特性包括粒径分布、孔隙结构、比表面积、密度、灰分含量和电导率等。这些特性直接影响生物炭的应用效果。例如，较小的粒径和较高的比表面积有助于提高生物炭的吸附能力。

3.4 生物炭的化学特性

生物炭的化学特性包括pH值、阳离子交换容量、元素组成和表面官能团等。这些特性决定了生物炭在土壤改良、污染物吸附等方面的表现。例如，生物炭的pH值会影响其对养分和污染物的吸附能力。

4.纳米复合材料在废水处理中的应用

4.1 纳米复合材料在废水处理中的作用

纳米复合材料由两种或更多相组成，至少有一种相在纳米尺度 (1?100 nm) 上。它们通过结合纳米颗粒与聚合物基质，增强抗菌性能和催化活性，从而提高废水处理效率。纳米复合材料具有高比表面积、增强的反应性和定制的表面功能化等特性，使其在废水处理中对各种污染物 (包括重金属、有机污染物、染料和病原体) 的去除方面表现出色。此外，纳米复合材料还可以提高废水处理过程中现有方法的效率，例如通过与膜过滤系统结合提高渗透性、抗污染性和选择性，或在高级氧化过程中作为催化剂或吸附剂。

4.2 用于废水处理的纳米复合材料

用于废水处理的纳米复合材料包括碳基、金属基、聚合物基和混合纳米复合材料。碳基纳米复合材料 (如碳纳米管和氧化石墨烯) 具有高比表面积和吸附能力，可有效去除废水中的重金属、有机污染物和染料。金属基纳米复合材 (如铁氧化物和银纳米颗粒) 具有抗菌性能和催化活性，可有效去除废水中的有机污染物和病原体。聚合物基纳米复合材料 (如聚合物-粘土和聚合物-金属氧化物纳米复合材料) 具有染料吸附能力和机械强度，可用于去除废水中的有机污染物和重金属。混合纳米复合材料结合两种或更多种纳米颗粒，具有增强的性能，可用于提高废水处理效率和降低成本。

4.3 生物炭基纳米复合材料在废水处理中的应用

BNCs通过将纳米材料嵌入生物炭基质中，增强了吸附和催化性能，从而提高了废水处理效率。BNCs的制备方法包括预热解处理、后热解处理和靶向元素富集处理等 (图2)。这些方法可以显著影响BNCs的性质和性能。

预热解处理：在热解前对生物质进行处理，以改善其特性并提高生物炭的质量。例如，通过将生物质与金属盐或前驱体混合，然后进行热解，可以在生物炭中形成嵌入的金属或金属氧化物纳米颗粒。

后热解处理：在热解后对生物炭进行改性，以提高其孔隙率、比表面积和化学组成。例如，通过湿法浸渍、化学气相沉积或水热合成等技术，将纳米材料引入生物炭表面。

靶向元素富集处理：通过在生物炭中故意掺入特定元素，增强其对特定污染物的吸附或催化能力。

图2 基于生物炭的纳米复合材料的制备方法。

4.4 生物炭基纳米复合材料的特性和性能

BNCs具有高比表面积、孔隙率和定制的表面功能化等特性，使其在废水处理中表现出色。它们可以有效去除废水中的有机和无机污染物、重金属和病原体。BNCs的高吸附容量和催化活性源于其独特的物理和化学性质，如多孔结构、丰富的表面官能团和纳米材料的协同效应。

4.5 生物炭纳米复合材料在废水处理中的性能

BNCs在废水处理中表现出色，能够有效去除有机和无机污染物、重金属和病原体。它们的多孔结构提供了大的吸附表面积，而嵌入的纳米材料进一步增强了吸附容量和催化活性。这种协同效应使BNCs在废水处理中具有很高的效率。例如，BNCs对铅和镉的去除率分别可达98.6%和99.2%。此外，BNCs还可以与其他废水处理过程集成，如膜过滤、高级氧化过程或生物处理系统，以进一步提高处理效率。

5.生物炭纳米复合材料的生物能源生产

5.1 生物炭在可再生生物能源生产中的应用

生物炭在生物能源生产中备受关注，其应用包括直接燃烧以产生热能和电能，以及通过气化过程转化为合成气。此外，生物炭还可作为催化剂用于生物质转化过程，提高生物燃料的产量和质量。农业和造纸业等行业可利用生物炭进行能源回收和废物管理，同时生物炭在超级电容器和微生物燃料电池中也展现出良好性能。

5.2 生物炭纳米复合材料在能源存储和生产中的应用

BNCs在能源存储和生产方面具有独特优势。它们不仅继承了生物炭的高比表面积和多孔结构，还通过嵌入纳米材料进一步增强了电导率和电化学性能。BNCs在超级电容器中作为电极材料表现出色，其电导率和电容性能优于传统碳基材料，适用于可再生能源系统、电动汽车和便携式电子设备等领域。

5.3 生物炭纳米复合材料在燃料制造中的应用

BNCs在燃料生产技术中具有潜力，可作为催化剂用于生物质转化过程，提高生物燃料的质量和产率。它们能够去除生物燃料中的杂质，提高燃料的纯度和性能，并适用于氢气储存和生产，对各种能源相关应用至关重要。

5.4 生物炭纳米复合材料在农业系统中的应用

BNCs在农业系统中展现出良好前景。它们不仅能够提高土壤质量、养分保持力和结构，还能作为缓释肥料、农药和植物生长调节剂的载体，减少环境污染并提高农业投入品的效率。

5.5 生物炭纳米复合材料在生物能源生产中的优势与挑战

BNCs在生物能源生产中具有显著优势，但也面临一些挑战。其优势在于提高能源转化效率、增强过程稳定性和减少环境影响。然而，BNCs的大规模生产和成本效益仍需优化，纳米材料的潜在环境和健康风险也需要进一步评估。此外，建立明确的生物炭质量、安全性和可持续性指南和标准对于促进其广泛应用至关重要。

6.结论与建议

6.1 结论

BNCs在废水处理和可再生生物能源生产中表现出色，能有效去除多种污染物并提高能源转化效率。其独特性质使其在吸附、催化等方面表现卓越，为解决全球水污染和能源问题提供了新途径。BNCs的研究和应用有助于实现联合国可持续发展目标，特别是在清洁水和卫生设施以及经济适用能源方面。

6.2 建议

为推动BNCs的研究和应用，需进一步优化其生产过程，降低成本并提高长期稳定性和环境安全性。同时，应加强以下几个方面的研究：BNCs的长期环境影响；不同条件下的性能表现；与其他技术的协同作用。此外，还需建立完善的监管框架和政策，确保其生产、应用和处置的安全性和可持续性。

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