生物炭制备及应用

1.先进性与全面性，本书从生物炭的基本性质与制备工艺，到生物炭在农业与环保领域的应用，全面归纳了作者所领导的研究团队近年来在生物炭研究方面的研究成果。 2.与固碳、碳减排紧密结合，生物炭具有良好的碳封存效应，能够抑制土壤中温室气体的排放，起到碳减排的作用，与我国3060目标契合。 3.本书较好突出了理论研究与实际应用的有机结合，可为我国每年8亿吨以上的秸秆和3亿吨的林业废弃物资源化利用提供新的技术途径。

生物炭是生物质在无氧或缺氧条件下高温裂解后的产物。早在1879年，Herbert Smith在其出版的Scribners Monthly一书中就注意到亚马孙流域烟草和甘蔗的富饶多产与富含生物炭的黑土密切相关。自从20世纪40年代确认黑土的产生源于人工之后，作为一种肥沃的土地资源，人们对它的研究一直在进行。被誉为“生物炭之父”的Wim Sombroek于1966年在其专著Amazon Soils中详细描述了黑土的分布和特性，之后其大量著作中进一步概括了生物炭在改良土壤肥力、储存固定二氧化碳、增加碳汇等方面的作用。为加强和推进生物炭技术研发与应用，国际科学家发起了“国际生物炭行动”计划（International Biochar Initiative），包括英国、美国在内的诸多国家已经开展了与生物炭有关的大量系统、深入的研究，美国和英国已先后成立了U.S. Biochar Initiative 和UK Biochar Research Centre，美国康奈尔大学教授约翰纳斯·雷曼（Johannes Lehmann）曾经出版了一本专著，详细讲述了生物炭的优缺点。
近年来生物炭研究在国内也十分活跃，包括中国农业大学、沈阳农业大学、南京农业大学、中国科学院南京土壤研究所等单位的科研团队在国内率先开展了生物炭研究工作。由张乃明教授领导的云南省土壤资源利用与保护创新团队，在国家水污染防治重大专项（2012ZX07102-003）、云南省科技强省项目（2011EB104）、云南省社会发展科技计划（2010CA010）和云南省科技惠民计划（2014RA018）等项目的支持下，围绕生物炭制备与应用开展了较为系统研究。本书正是著者团队在生物炭研究领域所取得的研究成果的初步总结，旨在为推动我国生物炭研究与产业化应用提供参考。
本书由张乃明教授提出编写提纲，全书共9章，第1章由张乃明、张丹、陶亮、赵学通著；第2章由张传光、刘源著，第3章由卢维宏、魏博娴、秦太峰著，第4章由包立、张乃明、卢维宏著，第5章由包媛媛著，第6章由卢维宏、康日峰著，第7章由张传光、刘源著，第8章由包立、郑传杨、张乃明著，第9章由夏运生、包立、肖洋、康宏宇、张乃明、卢维宏、李嘉琦著，书稿由包立博士、卢维宏博士（宿州学院）负责汇总，张乃明教授和秦太峰研究员共同对全书进行统稿并定稿。
本书的出版得到化学工业出版社的大力支持，中国工程院院士、国家生物炭科技创新联盟理事长、沈阳农业大学陈温福教授在百忙中亲自为本书作序并给予鼓励，在此表示衷心感谢！
受学术水平和时间限制，书中的错漏与不妥之处在所难免，恳请广大读者批评指正。

张乃明
2022年6月30日于春城昆明

本书以生物炭制备的生产工艺技术为基础，以生物炭在农业和环保领域的应用为主线，内容包括生物炭研究概述、生物炭的制备与特性、生物炭与固碳减排增汇、生物炭与土壤改良、生物炭的作物效应、生物炭基肥料的研制、生物炭与污水处理、生物炭与农业面源污染控制、生物炭在污染土壤修复中的应用。全书既充分吸收了国内外生物炭研究领域的新成果，又把著者多年相关科研成果融入其中，旨在为推动我国巨量的农林固体废物资源化利用、发展低碳循环农业、实现经济减污降碳和绿色发展提供指导与参考。
本书系统性与科学性、理论性与实用性、原理阐述与产品开发紧密结合，具有较强的技术应用性和针对性，可供从事土壤污染与修复、土壤改良、生物炭研发与制备等的科技工作者和管理人员参考，也可供高等学校环境科学与工程、农业资源与环境及相关专业师生阅读。

第1章生物炭研究概述
1.1生物炭研究的兴起001
1.1.1国外生物炭研究概况002
1.1.2国内生物炭的研究历程004
1.2生物炭的研究进展004
1.2.1生物炭与土壤改良005
1.2.2生物炭与植物生长010
1.2.3生物炭对重金属污染治理的研究进展012
1.2.4生物炭与气候变化013
1.3生物炭的功能及其应用015
1.3.1生物炭在土壤-作物-环境系统中的作用015
1.3.2生物炭应用022
1.3.3生物炭研究展望029
参考文献031

第2章生物炭的制备与特性
2.1生物炭生产历史037
2.2生物炭制备工艺039
2.2.1生物质热解炭化原理及炭化设备039
2.2.2生物炭制备工艺概述040
2.2.3几种炭化炉烧炭介绍049
2.2.4水热法制备生物炭058
2.3生物炭的性质及影响因素061
2.3.1固定碳061
2.3.2热值061
2.3.3比表面积062
2.3.4孔隙度062
2.3.5FTIR062
2.3.6pH值及养分特性064
2.3.7生物质差异对生物炭性质的影响066
2.3.8工艺条件对生物质炭性质的影响067
2.3.9生物炭吸附性能及影响因素068
2.4裂解温度对生物质材料炭转化率及特性的影响070
2.4.1不同裂解温度下6种生物炭的产率及pH变化070
2.4.2不同生物炭水溶性氮（WSN）和水溶性磷（WSP）含量分析071
2.4.3不同生物炭吸附性能分析072
参考文献074

第3章生物炭与固碳减排增汇
3.1二氧化碳浓度增加与气候变暖076
3.1.1温室效应076
3.1.2温室气体CO2077
3.1.3二氧化碳浓度增加对全球气候的影响078
3.2碳捕集与封存技术研究进展083
3.2.1碳捕集技术083
3.2.2碳封存技术085
3.3生物炭的固碳减排增汇效应092
3.3.1生物炭在土壤中的减排作用093
3.3.2生物炭的增汇作用094
3.3.3生物黑炭农用的固碳减排意义094
参考文献096

第4章生物炭与土壤改良
4.1生物炭在土壤中的作用100
4.1.1生物炭在土壤环境系统中的来源及稳定性100
4.1.2生物炭在土壤-作物-环境系统中的作用102
4.1.3土壤保肥保水性的改善105
4.2生物炭改良土壤物理性质106
4.2.1生物炭对大棚土壤容重与密度的影响106
4.2.2生物炭对大棚土壤孔隙度的影响108
4.2.3生物炭对大棚土壤水分常数的影响111
4.2.4生物炭对大棚土壤水分动态的影响112
4.3生物炭改良次生盐渍化土壤113
4.3.1温室大棚土壤的次生盐渍化113
4.3.2生物炭在改良设施农业土壤盐渍化中的应用115
4.4生物炭改良酸性土壤127
4.4.1酸性土壤概述127
4.4.2生物炭改良酸性土壤作用机制128
4.4.3生物炭改良酸性土壤应用案例130
参考文献133

第5章生物炭的作物效应
5.1生物炭用于粮食作物135
5.1.1生物炭对粮食作物生长发育的影响135
5.1.2生物炭对粮食作物产量的影响137
5.2生物炭用于经济作物139
5.2.1生物炭对经济作物的影响139
5.2.2生物炭对经济作物产量的影响142
5.3生物炭用于蔬菜作物144
5.3.1生物炭对蔬菜作物生长发育的影响144
5.3.2生物炭对蔬菜作物产量的影响144
5.3.3蔬菜地施用生物炭的综合效应145
5.4生物炭对葡萄园土壤性质和葡萄品质的影响146
5.4.1生物炭对葡萄园土壤物理性质的影响146
5.4.2生物炭对葡萄园土壤化学性质的影响148
5.4.3生物炭对葡萄园土壤微生物数量的影响151
5.4.4生物炭对云南亚热带葡萄产量和品质的影响156
5.4.5葡萄园施用生物炭的综合效应158
参考文献159

第6章生物炭基肥料的研制
6.1生物炭基肥料研究进展162
6.1.1生物炭基肥料的形成与发展162
6.1.2生物炭基肥料的概念与分类164
6.1.3生物炭基肥料的制备与应用164
6.2生物炭基肥料的作用165
6.2.1延缓肥料释放度，减少养分流失量167
6.2.2促成土壤团粒结构，改善土壤理化性质167
6.2.3增强土壤微生物活性，改善微生物生存环境168
6.2.4提高土壤有机质含量，增加土壤有效养分168
6.3生物炭基肥料主要种类及相关标准170
6.3.1生物炭基有机肥料170
6.3.2生物炭基无机肥料170
6.3.3生物炭基有机无机复合（混）肥料171
6.3.4其他生物炭基肥料171
6.4生物炭基肥料的功能173
6.4.1提升土壤肥力173
6.4.2促进作物生长发育176
6.4.3对养分的缓释作用178
6.4.4改善根际微生态环境181
6.5生物炭基肥料的应用前景182
6.5.1生物炭基肥料应用领域的发展前景182
6.5.2生物炭的农业应用前景185
参考文献186

第7章生物炭与污水处理
7.1生物炭在污水处理中的应用189
7.2生物活性炭工艺应用实例191
7.2.1印染废水深度处理191
7.2.2食品废水深度处理192
7.2.3制罐废水处理193
7.2.4生活污水处理及中水回用193
7.2.5重金属废水的处理方法194
7.2.6生物炭废水处理工艺的设计要点197
7.3生物炭脱氮除磷的应用研究198
7.3.1生物炭的制备198
7.3.2生物炭的动态脱氮效果199
7.3.3生物炭的动态除磷效果200
7.3.4生物炭对氮磷的吸附容量200
7.3.5生物炭脱氮除磷的影响因素201
7.3.6氮磷的协同吸附作用205
7.4生物炭-臭氧污水处理技术206
7.4.1生物炭-臭氧装置简介206
7.4.2工程基本情况206
7.4.3废水水质207
7.4.4工艺流程207
7.4.5臭氧的特性207
7.4.6臭氧对污水的除臭机理分析207
7.4.7臭氧对污水净化机理分析208
7.4.8生物炭-臭氧效益分析208
7.5活性炭纤维在污水处理中的应用209
7.5.1ACF的应用209
7.5.2ACF应用的限制因素211
7.6生物活性炭在水处理中的应用212
7.6.1生物活性炭（BAC）技术应用领域212
7.6.2活性炭对有机污染物的吸收216
参考文献218

第8章生物炭与农业面源污染控制
8.1农业面源污染问题概述219
8.1.1面源污染的概念219
8.1.2农业面源污染的特点220
8.2生物炭在农业面源污染防治中的作用221
8.2.1生物炭对土壤中氮、磷的吸附作用221
8.2.2生物炭对土壤中氮、磷转化的影响222
8.2.3生物炭对土壤氮、磷有效性及淋溶过程的影响223
8.3生物炭填料用于滇池流域农田排水处理224
8.3.1滇池流域农业面源污染状况224
8.3.2农田排水处理装置的设计与安装226
8.3.3研究区农田排水污染特征227
8.3.4污水处理填料的筛选230
8.3.5工程应用效果233
8.3.6实验结论235
8.4生物炭用于农业面源污染控制展望236
8.4.1生物炭控制面源污染的作用机制236
8.4.2生物炭控制面源污染研究展望236
参考文献237

第9章生物炭在污染土壤修复中的应用
9.1生物炭在重金属污染土壤修复中的应用238
9.1.1生物炭对土壤重金属形态的影响238
9.1.2生物炭对土壤重金属形态影响的作用机制244
9.1.3生物炭对土壤重金属的钝化修复效果247
9.2生物炭对土壤中农药残留的影响249
9.2.1生物炭对土壤中除草剂农药的吸附降解作用250
9.2.2生物炭对土壤中杀虫剂农药的吸附降解作用254
9.2.3生物炭对土壤中杀菌剂农药的吸附降解作用261
9.3生物炭在其他有机污染土壤修复中的应用267
9.3.1生物炭对有机物污染的吸附机制267
9.3.2生物炭吸附有机污染物的影响因素269
9.3.3生物炭对土壤中有机污染物的吸附效果270
参考文献272