陈浮 研究员                     梁华根 副研究员

中国矿业大学碳中和研究院

问：陈老师，梁老师您们好！生物炭独特的物理和化学性质使其在土壤、环境和生态等领域有着广泛的应用价值。正因为如此，大家对生物炭的研究也更加重视和深入。你们提出，生物炭作为一种环保经济的吸附物质，被广泛用于去除环境中污染物，但生物炭的可再生利用率、去除能力仍有待改进？那么目前，对于生物炭的研究主要面临怎样的问题，需要我们对其更深入研究又有哪些方面呢？

陈浮：生物质原料、热解条件（温度、升温速率等）、活化条件（物理活化、化学活化）、表面处理技术等生产工艺在很大程度上影响生物炭的去除效能，并决定了生物炭的可再生利用率。所以目前我们需要深入研究特定污染物的吸附机理，操控特殊生物炭材料的制备，有的放矢地强化生物炭的吸附能力、稳定性及降解能力；二是要评估生物炭在真实环境中的作用及其持续性，包括改性合成的高性能生物炭的真实环境效应、生物炭与新型材料复合使用的效率，老化生物炭修复污染物释放风险评估等；三是考量经济性，我们做磁改性也是考虑生物炭的有效回收和老化风险问题。

问：陈老师团队近期在《BIOCHAR》发表了文章“Magnetic Fe₂O₃/biochar composite prepared in a molten salt medium for antibiotic removal in water”。在改性生物炭的制备及其去除抗生素研究方面取得的新进展，这个进展带给我们一个怎样的科研启发？

梁华根：我们提出了一种简单、快捷合成高吸附性能的磁改性生物炭技术。通过探索不同熔融盐体系、不同生物质原料、不同后续处理技术等对生物炭结构/性质的影响规律，发现利用LiCl/CoCl₂混合熔融盐辅助煅烧，在碳化的同时负载强磁性Fe₂O₃，能够最大限度地提高生物炭对抗生素的吸附能力和可再生利用性。与传统的浸渍-煅烧法、化学还原法等技术相比，熔融盐辅助煅烧制备磁改性生物炭的技术流程更精简，更符合未来规模化生产改性生物炭的需求。同时，也为我们在矿区复杂污染修复和土壤固碳增汇协同等方面研究提供了有用的技术手段。

问：当前，我们国内对改性生物炭的制备研究是怎样的一个情况？国际上是否有可借鉴的案例？

陈浮：目前国内科研人员在生物炭制备技术及应用方面研究十分活跃，已成为国际主流。从材料制备角度来看，不同生物质原料、不同制备技术衍生的生物炭已广泛应用。改性的主要目的是改善生物炭的孔隙结构、比表面积和功能，从而最大化发挥生物炭的吸咐作用。目前，改性的方法主要有物理改性（如热处理、球磨、蒸汽活化）和化学改性（如酸碱活化、浸渍-负载、等离子体处理、紫外辐射等）以及生物改性法等，如酸性改性可产生大量含氧官能团，碱性改性可产生较高的表面芳香度和N/C比值，负载复合其他纳米材料后可增强生物炭对有机和无机污染物的去除效率。生物炭改性方法仍是一个需要深入的方向，尤其是如何兼顾经济性和稳定性。

美国康奈尔大学Johannes Lehmann教授，韩国高丽大学Yong Sik Ok教授以及英国爱丁堡大学Saran Sohi教授等是国际上的主流学者，生物炭不仅作为一个土壤改良剂，还广泛应用于CO₂减排封存、半导体材料和过滤装置填充等。一些先进技术也很值得我们学习，如Chanaka M等人将MOF固定化在高表面积的磁性生物炭载体表面，作为吸附剂和紫外光降解催化剂，实现了对污染物罗丹明B（Rhodamine B）的吸附去除和光催化降解，增加了材料的可重复利用性。生物炭复合其他纳米材料，应用在水体/土壤环境中，原位发生芬顿效应，可达到完全去除/降解有机污染物的目的，从而避免了污染物再脱附的风险。

问：改性生物炭可以优化生物炭理化性质和功能，但对于目标污染物及制备条件来讲，改性生物炭在应用过程中是否还会存在一些问题？

梁华根：目前生物炭在实际应用中还面临很多问题，环境中的污染物种类众多、分布情况复杂，在生物炭上的吸附途径、作用机制不尽相同。如，有机污染物的分子结构/大小、亲疏水性、极性、芳香性、官能团等以及环境pH值、离子强度，都对吸附性能有较大影响。因此，必须因“污”制宜、因“实”而定。

应用过程中应该明确生物炭的孔隙结构、表面性质等对不同污染物的吸附特征，区分各因素对吸附性能的影响规律。另外，应仔细调查生物炭应用时的目标水体/土壤环境中的理化性质、污染物分布情况，针对性地匹配施加不同特性的生物炭。

问：目前的研究主要针对于单一污染物的吸附净化研究，而实际环境中一般是多种污染物共存，那么这些污染物之间必然会存在吸附竞争。这将是对生物炭改性及其高效应用研究的一个重要方向吗？

陈浮：目前，生物炭污染物吸附去除研究大多是基于单一污染源的模拟水体样本。但实际的环境中存在多种有机污染物、重金属阳离子、无机阴离子等，这些都可能会影响生物炭的吸附性能。一些学者已经开展了生物炭对复合污染物的处理研究，这应该是今后一段时间内一个重要方向。未来要综合考虑污染物性质、水体/土壤环境特性等因素，深入探索不同污染物的吸附机理及交互作用，再定向调控和优化生物炭的物理化学特性和吸附性能。此外，工程应用方面可考虑多组分、多性能生物炭混合施加，提升在实际环境中吸附效率。

问：在生物炭应用过程中，生物炭对于生态和健康风险的影响是否明晰？生物炭的生态环境效应会是未来生物炭研究的新方向？

陈浮：不同的生物质原料可能含有重金属，多环芳烃、多氯联苯、呋喃和二恶英等内源性有机污染物，在生物质碳化、芳构化过程中，这些有害物质可能进一步富集或增多。此外，生物炭中的纳米粒子会随着雨水、径流冲涮等过程进入土壤和自然水体。重金属、有机污染物以及纳米颗粒的释出，可能会影响微生物群落、种子发芽、抑制植物生长或降低作物产量。

目前大部分生物炭应用报道集中于对污染物的吸附去除能力研究。生物炭施用后，水体/土壤的污染物水平或类型的动态变化以及对动植物生长的安全风险等研究也有一定的报道，总体来说，生物炭对生态和健康风险是明确的、可控的，但鉴于环境安全和人类健康的重要性，未来改性生物炭，尤其是负载了一些特殊功能的纳米颗粒改性生物炭应用必须小心，老化后的生态和健康风险值得长期关注。

问：面对当前双碳目标下的低碳、绿色、高质量发展需求，是否对生物炭研究和应用也提出了更高的要求？

陈浮：生物炭的制备过程需消耗大量能源，尤其是改性生物炭的制备，文献报道的方法大多涉及到多步骤及化学试剂，存在高能耗、高污染等缺点。在双碳目标下，如何高效、绿色、经济地制备生物炭是关键。未来充分利用太阳能，发展新的制备方法和制备流程，可能是一个重要的研究方向。与此同时，生物炭也是促进土壤固碳增汇的重要手段，今后要与中低产田改良、农田整治等有效结合起来，实现“藏炭于技、藏碳于田”。

问：最后，请陈老师介绍一下您和您团队目前在生物炭领域的研究动态。

陈浮：我们主要关注绿色合成高效生物炭、生物炭电极材料、生物炭与新型材料的复合应用与结合（碳纳米管，Mxene，MOF等）及改性材料对污染土壤的修复。生物炭在能源、环境领域应用广泛，利用生物质富含杂原子以及天然的三维多孔结构的特性，我们合成了一系列的具有电催化活性的三维自支撑多孔掺杂生物炭，负载光催化剂，合成具有高效光催化活性的异质结构，增强生物炭对水体污染物去除能力。

希望我们的工作可以为美好的绿色发展贡献一份力量。