生物质炭的制备及其在电容去离子中的研究进展

1 生物质炭

1.1 生物质的来源

生物质炭作为一种新型的环境功能材料，因其丰富的孔隙结构、良好的吸附性能和环境友好性，在重金属污染治理领域展现出巨大潜力[][][]。生物质炭来源于生物质材料（如莲杆、秸秆、藻类等）的热解过程[]，不仅可以有效利用废弃资源，减少环境污染，还可以将其做成生物质炭作为电容去离子的电极材料从而实现对污水的处理。其中水稻秸秆作为全球范围内广泛存在的农业废弃物，将其转化为生物质炭不仅有助于解决秸秆焚烧带来的环境问题，还能为重金属污染治理提供新的材料来源[]。

1.2 制备方法

生物质炭的制备主要通过生物质高温裂解的方式进行，其性质主要受到其生物质原料类型、裂解方式、制备温度、升温速率等条件的影响[]。不同的制备方法可以得到不同的孔隙，我们可以通过调控制备的方法来得到我们所需的生物质炭。

在将生物质制备成生物质炭的过程中，可以根据其使用目的来调控制备的方法，进而得到不同孔结构的碳材料。其中主要包括高温热解法、微波碳化法、水热碳化法等。

（1）高温热解法

高温热解法是将生物质原材料放入隔绝氧气或无氧气的高温炉（管式炉）中进行加热去除挥发性物质和非碳元素，提高产物碳元素含量以得到生物质炭的方法[]。高温热解的温度通常不超过 1000^∘C[] 。其中热解温度和热解时间是影响生物质炭碳化的主要因素。万泽远[]以柚子皮为原料，通过高温热解法制备柚子皮生物质炭材料，研究发现该材料在 900^∘C 、 1A/g 的电流密度下具有 27.23F/g 的比电容，其能量密为 5.2Wh/kg ，功率密度为667.92W/kg ，比表面积为 260.48m2/g 。

（2）微波碳化法

微波碳化法是一种在微波反应仪中利用微波能量对物料进行碳化处理的技术，通过微波的热效应使物料在缺氧或惰性气氛下发生热解，生成碳质材料。微波热解法具有加热速度快、温度均匀、功率转换效率高、控制简单、安全无害等优点[]。来雪慧 ，闫晋宏等人[]以玉米秸秆为原料，通过微波碳化法制备生物质碳材料，研究发现该材料的比表面积为 589m2/g ，孔容为 0.43cm3⋅g-1 ，平均孔径为 2.3nm 。

（3）水热碳化法

水热碳化法是一种在高温高压的水溶液环境中，将生物质等有机原料转化为碳质材料的技术。其核心是利用水在高温（通常 180-350^∘C ）、高压下的特殊性质，促使原料发生分解、脱水、聚合等反应，最终形成结构稳定的碳化产物（如生物质碳）。与高温热解法相比，水热碳化法具有能耗低、过程可控等优点[]。水热温度和保温时间是影响生物质炭性能的主要因素。汪快兵，毛菲菲[]等人以稻壳为原料，通过水热碳化法碳化制备稻壳生物质碳材料，研究发现该材料内阻为 0.27Ω ，在电流密度为 1A⋅g-1 下该材料的比电容为 76.1F⋅g^-1 。

表 1 不同制备方法制得生物质碳孔隙结构

2.1 电容去离子的原理

电容去离子技术 （ CDI，capacitance deionization） 具有低能耗、低成本且无二次污染等特点，近年来成为水体淡化技术的研究热点[][]。

电容去离子技术 （ CDI，capacitance deionization）受电化学控制，在外带电源的作用下，利用电荷双电层原理将溶液中的离子吸附到电极－溶液界面上，从而实现溶液的脱盐[]，另外，通过短接或施加反向电压来实现电极再生即离子脱附[]。

2.2 生物质碳电极材料的性能研究

在探究生物质碳电极材料性能时，比表面积、孔隙结构与离子吸附性能密切相关。比电容反映了电极材料存储电荷的能力，对电容去离子性能有直接影响。张文惠等[]研究以稻壳为原料，通过高温热解法制备生物质碳材料，通过 BET，SEM，循环伏安，充放电测试等方法，得出稻壳炭是具有 2009.63m2/g 比表面积， 111F/g 比电容，高稳定性的电容炭。王诗琴[]以浒苔粉为原料，通过 H3PO4、 ZnCl2 和KOH 三种不同改性剂对其改性，得到比表面积分别为 149.54m2g-1.392.49m2g-1.1711.88m2g-1， ，在 0.5Ag-1 的电流密度下，K-AC 的比电容为 217.75Fg⋅1 ，大于 Z-AC（172.17F g-1）和 P-AC（ 157.05Fg-1 ）。

3 结语与展望

取廉价易得的生物质，通过高温热解法、微波碳化法、水热碳化法等方法制备生物质碳材料。我们可以通过运用不同的制备方法得到具有我们所需化学性质的生物质碳材料。将其作为电容去离子电极材料，在水资源净化领域的潜力已得到验证，未来通过材料创新与技术突破，有望成为低成本、高效率的水处理核心材料，为全球水危机解决提供重要支撑。