基本介紹
- 中文名：生物炭
- 外文名：biochar
- 性質：純碳
- 生產方法：廢棄生物質高溫熱裂解及氣化製造
- 領域：環境
簡介,生產方式,高溫分解製造,變廢為寶方式,碳捕捉,研究成果,新聞報導,成果作用,現代方法,研究前景,變廢為寶,集中化,非集中化方式,流通的方法,專家質疑,涉及經濟利益,反對推廣生物炭,碳負性,實踐過程,
簡介
近年因為排放二氧化碳、一氧化二氮及甲烷等溫室氣體造成氣候變遷影響，讓科學家開始重視生物炭之運用，因為它有助於藉由生物炭封存的方式，捕捉與清除大氣中的溫室氣體，將它轉化成非常穩定的形式，並儲存在土壤中達數千年之久。
此外，使用生物炭，可以增加20%的農業生產力、淨化水質，並有助於減少化學肥料的使用。
生產方式
高溫分解製造
數千年來，人們一直把木炭用做燃料，其製造過程很簡單：讓木材、稻草或者農作物廢棄物在缺氧的環境下燃燒，得到的物質就是木炭。傳統方法是將土覆蓋在點燃的生物質上使之長時間無焰燃燒。
用傳統方法大規模工業化生產木炭不切實際。研究人員將目光投向了“高溫分解”法——在500℃到600℃的高溫下，將有機物質置於缺氧狀態下，對其有控制地進行高溫分解。除了獲得木炭，高溫分解還能夠生成合成氣和液態焦油等副產品，這兩種副產品都能用做發電或取暖的燃料。生物炭的產量取決於高溫分解過程的快慢。快速高溫分解能夠得到20%的生物炭、20%的合成氣和60%的生物油。而慢速高溫分解可以產生50%的木炭和少量的油。英國管理與可持續發展研究所認為，由於現代高溫分解裝置能夠完全使用合成氣運轉，產出的能量是所需能源成本的3到9倍。
高溫分解製造生物炭
高溫分解製造生物炭變廢為寶方式
很多其他材料也可以製造木炭，諸如農業產生的大量動植物廢料——麥稈、種殼、糞便等；人類製造的垃圾——比如下水污泥或其他生活垃圾都能派上用場。 使用垃圾廢料生產生物炭還有雙重減碳的效果。如果任垃圾肥料腐爛，它們會產生甲烷。甲烷也是一種溫室氣體，其對溫室效應的影響是二氧化碳的二十多倍。
但是，難點在於如何經濟有效地收集這些廢料。克里斯·古德爾在《拯救地球的十種技術》中寫道：“在全球範圍內，大規模組織生物炭生產和固碳等活動，讓農民因將生物炭埋入土壤而得到報酬，實施起來有點難度。”
此外，也需要給農戶們配備新設備來處理這些廢料。對於城市廢品處理來說，關鍵是將可以變為炭的有機廢品從其他垃圾中分離出來，並且還要證明這樣做比掩埋廢料更經濟有效。
管理與可持續發展研究所建議，炭的生產可以採用小規模和工業化相結合的方式，如果稍加改進，就能夠在城市、鄉村甚至貧困地區經濟有效地生產生物炭。
碳捕捉
康奈爾大學的約翰內斯·萊曼是生物炭的堅定支持者，2009年4月份，他出版了新書《用生物炭管理環境》，他樂觀地估計，生物炭每年最多可以吸收10億噸溫室氣體，超過2007年排放總量85億噸的10%。 生物炭的這種富有潛力、獨一無二、甚至有些神秘的特性使其成為研究氣候變化最熱門的新興領域之一。
用生物炭鎖定碳的理念已經贏得像詹姆斯·拉夫洛克這樣重量級科學家的支持。詹姆斯·拉夫洛克是一位特立獨行的科學家。他的蓋亞假說最近又重新開始風靡。”
而康奈爾大學的科學家們正在萊曼的帶領下，研究如何將碳從富含生物炭的土壤中剝離出來；英國愛丁堡大學建立了生物炭研究中心；其他歐洲國家也緊隨其後；加拿大、澳大利亞等國家也紛紛開展了相關的研究項目。一些公司也踏上旅途，開始尋找使生物炭的生產進入商業化的渠道。
研究成果
新聞報導
據《每日科學》網報導，一直以來人們都在尋求固定二氧化碳從而減少其排放的辦法。科學家表示，幾百年前，亞馬遜印第安人用來提高土壤肥力的生物炭(biochar)，在現代世界可以幫助減緩全球氣候變化，大規模生產生物炭可吸收大量溫室氣體。相關研究報告發表在《環境科學與技術》周刊上。
進行此項研究的凱莉·羅伯茨和同事指出，生物炭不是一般的木炭，是一種碳含量極其豐富的木炭。它是在低氧環境下，通過高溫裂解將木材、草、玉米稈或其它農作物廢物碳化。早在幾百年前，亞馬遜印第安人就會將生物炭和有機質摻入土中，創造出肥沃的黑土，今天這種木炭被稱為生物炭（biochar），用植物廢料，而非森林裡的樹木製成。
成果作用
這項研究涉及生物炭的“生命周期分析”，它的形成過程對減緩全球變暖所起的作用，以及使用它可能產生的影響。研究結果表明，製造生物炭是一種固定二氧化碳的經濟可行的方式，不僅固化了樹木和作物內已吸收的二氧化碳，其產物“生物碳”保存在土壤中，幾千年都不會發生變化，生產可再生能源的同時，還提高了土壤肥力，提高農作物產量。生物炭可以被埋入廢棄煤礦，或耕種時埋入土壤中。生物炭填埋還有利於改善土壤排水系統，並將80%左右的諸如一氧化氮和甲烷等溫室氣體封存在土壤中，阻止其排放到大氣中。
現代方法
製作生物炭的現代方法是在低氧環境下用高溫加熱植物垃圾，使其分解。日前，氣候專家找到了更清潔環保的方式，進行工業規模二氧化碳固定，利用巨型微波熔爐將二氧化碳封存在“生物炭”中，然後進行掩埋。這種特製“微波爐”將成為戰勝全球變暖的最新利器。因此，該技術每年可以減少向空氣中排放幾十億噸二氧化碳。日前不少人將生物炭技術視為目前為止解決氣候變暖問題的“尚方寶劍”，一種“氣候變化減緩”戰略和恢復退化土地的方式。有些專家甚至聲稱，生物炭可吸收如此多的二氧化碳，以至地球能恢復到工業化之前的二氧化碳水平。
研究前景
可將碳元素鎖在土壤內達數百年
植物的腐爛自然而然會令土壤中含有大量的碳元素。但是這些碳相對而言是不穩定的，受氣候影響很大。一旦遇到像農耕這樣的變化，土壤就會釋放出二氧化碳。這使得它們既是碳源、又是碳匯。因此，用土壤來鎖定碳元素的想法對氣候學家而言沒有絲毫的吸引力。
生物炭與土壤鎖碳的不同之處在於，生物炭可以穩定地將碳元素鎖住長達數百年。其中的碳元素被礦化後很難再分解。更重要的是，除了它所具備的土壤改良功能外，其生產過程中產生的一些副產品更是具有很高的經濟吸引力。
生產過程中，大約1/3轉化為生物炭，1/3轉化為可用於燃燒發電的合成氣，還有1/3則形成原油替代品。這種替代品雖然無法用作運輸燃料，但卻可以用來製造塑膠。因此澳大利亞著名的探險家、自然學家提姆·富蘭納瑞認為生物炭的這些特性“使我們能夠同時解決三四個重大危機：氣候變化危機，能源危機，以及食品和水資源危機。”使用生物炭不僅能夠使土壤肥沃，還能夠幫助土壤保持水分。
能有效減少空氣中碳含量
據全球碳計畫統計，2000到2007年，人類排放到大氣中的二氧化碳中每年有54%，約48億噸，被陸地和海洋中的碳匯（例如森林和海洋中的浮游生物等）所吸收。然而每年仍然有大約40億噸的剩餘的碳需要我們想辦法去降低或者吸收。此外，由於陸地和海洋的變暖，天然碳匯的吸收量正在下降，這就意味著我們要么付出更大的努力減少空氣中的碳含量，要么停止向空氣中排放碳。
變廢為寶
他們提出了三種可行的方式。
集中化
——某一地區的所有生物質廢料都被送到中央處理廠進行集中處理，目前美國和加拿大的公司普遍採用這種方式；
非集中化方式
——每個農戶或小型農戶聯合體擁有屬於自己的技術含量相對較低的高溫分解爐。
流通的方法
一輛裝有高溫分解設備的合成氣動力車走鄉串戶，將制好的生物炭給農戶使用，將生物油收集起來，送到精煉廠將其變成可供車輛使用的液態生物燃料，這種方法可能更為可行。
管理與可持續發展研究所指出，在巴西，甘蔗的頂部一般在田間就地焚燒，而製糖產生的甘蔗渣可以被有效地轉化為生物炭。據估計，巴西每年收穫4億6千萬噸甘蔗，其中約2億3千萬噸可以用來進行高溫分解製造生物炭。
專家質疑
美國康奈爾大學農業與生命科學學院教授約翰納斯·雷曼（Johannes Lehmann）曾經出版了一本書，詳細講述了生物炭的優缺點。在他看來，完全不必把氣候變化引入生物炭領域，僅靠其提高土壤肥力的優點，以及處理垃圾的能力，就足以讓老百姓主動採用這項技術。 不過，也有人認為使用“生物炭”固碳只是某些人一廂情願的“美好願望”而已，根本無法實現，而且還可能對地球帶來無法估量的災難。
針對當前爭議激烈的“生物炭”問題，來自英國、美國、義大利、墨西哥、德國等國家的126個社會團體3月26日聯名發表宣言：《生物炭，人類、土地和生態系統的新威脅》，在宣言中，他們明確表示反對“生物炭”，認為其對土地、人類和生態系統構成新的巨大威脅。
在宣言中，他們寫道：不少人將在土壤中添加木炭得到生物炭看作一種“減緩氣候變化”的策略，並且將其看作一種使土地重新煥發生機的方式。還有人認為，這種方式可以吸收大量二氧化碳，讓地球恢復到工業化之前的二氧化碳濃度。其實，這些說法都站不住腳，也是不可行的。 宣言指出，如果大規模地生產生物炭，可能需要億萬公頃的土地（主要是植樹），同時也會大大改變全球的土地結構和生態系統，造成的後果無法估量。
涉及經濟利益
《生物炭，人類、土地和生態系統的新威脅》，指出，在背後推動生物炭發展的“國際生物炭組織”是一個遊說集團，主要由生物炭和農業燃料新興公司以及學者組成，該遊說組織提出的要求沒有科學依據，他們在世界各地遊說推廣生物炭，其中涉及許多與商業利益相關的陰謀。
另外也有人擔心，國際生物組織提出的經濟刺激將促進生物炭工業化的發展，由此可能導致不好的後果：一些公司除了僅僅利用廢物外，還會降低土壤的質量或者加速砍伐森林。
反對推廣生物炭
第一，沒有持久而嚴格的證據表明，木炭能使土壤更為肥沃。據《金融時報》報導，愛丁堡大學的西蒙·沙克利說：“可能是多個因素共同作用的結果：木炭的多孔結構使它能像海綿一樣保存水分和水中營養物質，這正是貧瘠的土壤所匱乏的。另外，其多孔結構使它成為許多重要菌種繁殖的‘溫床’。”
土壤學講師薩蘭·索西表示，印第安黑土使巴西貧瘠的土壤變得肥沃，然而僅靠生物炭自身無法做到這一點。沙克利認為：“印第安黑土中的其他物質含有另外的營養成分。例如富含磷元素的骨骼等（磷元素是植物茁壯生長所不可缺少的）。生物炭將這些營養成分黏附在一起。確保它們能夠被植物的根部吸收，但這些養分不是生物炭提供的。”
該宣言指出，工業木炭與“亞馬遜黑土”差異很大，“亞馬遜黑土”是土著居民在數百年甚至數千年的時間變遷中創造的。生物炭公司和研究人員還無法重造“亞馬遜黑土”。沙克利補充道：“至今還沒有人能夠成功地複製出印第安黑土。”另外，工業木炭生產以損失有機物為代價，而這些有機物為生產腐質土壤所必需，因此，如果用來生產生物炭，可能得不償失。
第二，現在還不清楚土壤中的木炭是否是某種“碳匯”。
生物炭在土壤表面可能會向大氣排放出“黑色的煙霧”，這也會加劇溫室效應，但是，如果將木炭埋在深層土壤里，可能會改變或者破壞土壤的結構，導致二氧化碳釋放進大氣中。因此，宣稱土壤中的生物炭能夠成為“永久的碳匯”站不住腳。
另外，旨在幫助企業遏制碳排放的節碳基金研發總監伯特·德勒左那強調說，很難證明碳可以在土壤中保存數百年。即便最新發現生物炭具有改善土壤的功效，但我們所掌握的技術證據還遠遠無法為生物碳的發展繪製出一份宏偉而燦爛的藍圖。
第三，要達到生物炭支持者們設定的目標至少需要使用5億公頃土地。現在，為了紙漿、造紙工業和農業燃料的工業化而單一種植的速生林和其他原料，已經產生了嚴重的社會和環境問題，加劇了氣候變暖，對生物炭的大量新需求將大大惡化這些問題。
同時也會帶來一定的風險：未來，生物炭的大肆擴展可能促進專為生產生物炭而設計的轉基因樹種的發展，也可能擴展速生林的種植範圍，這兩種結果都將帶來非常嚴重的生態影響。
節碳基金研發總監伯特·德勒左那擔心，把生物炭看作生物質加熱後的主要產物可能沒有抓住問題的要害。
節碳基金正在緊鑼密鼓地大力發展高溫分解工廠，但其目的是用生物質生產液態運輸燃料，生物炭僅僅是快速高溫分解工藝過程中產生的用途尚有爭議的副產品而已。
德勒左那表示：“生產液態運輸燃料對減排非常重要，而生物炭是否有同樣的作用，尚不得而知。”他還認為，鼓勵小型農場用傳統的低技術含量方法製造生物炭可能比僅僅焚燒或者扔掉這些植物產生更多溫室氣體。
碳負性
經過計算，污物中60%的碳可以封存在木炭中，木炭埋藏在地下，預計能在1000年或更長時間裡，防止碳進入大氣。由於污物最初來自能從大氣中去除二氧化碳的植物，所以整個過程稱為“碳負性”。
像其他地區正在開發的工廠一樣，賓根的高溫裂解工廠可以轉變任何碳基物質，其中包括塑膠。這意味著高溫裂解可以從農業廢物、食品廢物和生物質中獲取能量。但問題是，它比以常規方式燃燒生物質產生的能量少。
殼牌石油公司開展顯示出對生物炭作為碳儲存機制的濃厚興趣。生物炭能夠捕捉生物質中一半的碳，釋放1/3的潛在能量。儘管益處多多，生物炭的進展還是面臨著很大的障礙，比如以低廉的價格完善和傳播該技術等等。此外，目前金融系統主要資助從生物質和廢物中生產能量，對碳儲存技術的支持甚少；生物炭需要全球範圍的鼓勵政策。
正在進行的生物炭土壤益處研究是該技術中一個關鍵問題。多孔的生物炭能夠吸引有益菌，如菌根真菌，捕捉可能從土壤中流失的養分，減少對碳排放肥料的需求。美國紐約康奈爾大學（Cornell University）研究認為，掩埋生物炭可能讓土壤儲存有機碳的能力增加一倍。澳大利亞的研究表明，生物炭可以減少土壤排放溫室氣體一氧化二氮。德國拜羅伊特大學（University of Bayreuth）的新研究顯示，生物炭可以使貧瘠土壤中的植物生長加倍。拜羅伊特大學研究人員布魯諾·格拉澤（Bruno Glaser）博士表示：“生物炭研究始於1947年。但是直到上個世紀80年代，生物炭才被人們重視起來。現在，關於生物炭的效果有很多令人興奮的發現。”格拉澤博士正在德國北部研究生物炭作用於貧瘠土壤的效果。
英國紐卡斯爾大學（Newcastle University）大衛·曼寧（David Manning）教授同樣也是生物炭的支持者。他說，通過實施正確的激勵措施，生物炭封存的碳數量有可能達到航空業排放量。
生物炭高溫裂解爐已經開發出來，將在開發中國家使用。今年12月，各國將在丹麥哥本哈根展開談判，商議2012年之後的全球氣候協定。宏都拉斯和幾個非洲國家正努力讓生物炭成為新協定中的氣候變化減緩手段和適應性技術。
實踐過程
德國賓根的污水處理廠中，傳送帶將半乾的污水流送入鋼容器中，空氣中散布著污泥成熟的氣味。污水通過容器變成閃亮的黑色顆粒，接著在經過這種短暫的生態“鍊金術”處理之後，污物最終變成了木炭，埋藏於地下。將碳封存，防止其進入大氣。 該技術的支持者表示，該方式儲存碳非常有效。未來的全球氣候協定中，應該包括生物炭這種技術。
埋藏生物炭還可以提高土壤肥力，因為其蜂窩狀顆粒成為水分和肥料的儲存庫。英國東南地區的洛桑即將開始田間試驗，評估生物炭對土壤結構和水分的好處。澳大利亞、美國和德國的實驗已經顯現出一些成果，特別是在其他土壤貧瘠的地區。
生物炭受到了關注氣候變化人士的支持。賓根生物炭工廠設計工程師海爾馬特·葛波爾（Helmut Gerber）表示，他設計的高溫裂解設備，原本是為了解決污物灰燼堵塞常規鍋爐的問題。
通常情況下，污水處理是溫室氣體的重要來源，廢物經焚化（可產生更多排放）產生的粉灰用於建築行業。在賓根，10%的污水流被輸入試驗性的高溫裂解工廠，工廠用最少的氧氣加熱廢物，分離出一氧化碳和甲烷，之後燃燒再為高溫裂解過程提供熱量。
