扫描电镜在生物质材料中的应用

发布时间： 2023-09-28　　点击次数： 941次

生物质材料的诞生

　　环境保护、能源再生，这些都是国际社会上一直以来人们持续关注的热点问题。面对当年由于石油基塑料造成的白色污染的问题，在 20 世纪 90 年代国际材料界提出了生态材料的概念，随后在 2003 年，第一届生物基聚合物国际会议上，会议正式对这种材料命名为生物质材料。

　　生物质材料是指由动物、植物及微生物等生命体衍生得到的材料，主要由有机高分子组成，主要成分为碳、氢、氧三种元素，它们通过非共价键彼此交联在一起，形成保护植物的强韧骨架。生物质材料具备可再生和可生物降解的重要特征，未经化学修饰的生物质材料容易被自然界微生物降解为水、二氧化碳和其他小分子，其产物能再次进入自然循环。

　　常见的生物质材料有木材、秸秆、竹材、淀粉、树皮、纤维素、木质素、半纤维素、蛋白质、甲壳素等。

常见生物质的分类

为什么生物质材料在能源系统中占据重要地位？

　　生物质能是太阳能以化学能形式储存在生物质中的能量形式，它一直是人类赖以生存的重要能源之一，是仅次于煤炭、石油、天然气的第四大能源，在整个能源系统中占有重要的地位。其中，生物质炭材料是目前对生物质能源再利用技术的广泛的研究与应用。生物质炭是由植物、植物废弃物、市政废弃物、动物粪便、城市和工业废弃物等通过炭化加工而形成的富含碳的碳产物。目前的研究中生物炭的原材料使用秸秆、甘蔗、藻类居多。

秸秆炭转化示意图

生物质炭的制备

　　目前生物质炭的制备主要有两种方式，分别是通过热解炭化和水热转化等转变而形成的固体产物。热解法主要通过热解温度来调控生物炭的比表面积、表面含氧官能团等来改变其物理化学性质用于提升生物炭的吸附性能；当热解温度在 600-700°C 时，生物炭拥有最大的比表面积和最小的孔径以及最为均匀的结构。水热法所制得的生物炭大多具有良好的脱水和干燥性能。当水热碳化温度低于 250°C 时，所制得的生物炭具有比热解工艺更高的碳含量。

水热反应装置

热解炭化反应装置

生物炭材料形貌的表征

　　目前对于生物炭材料的功能性研究如今也是越来越多，研究重点分为生物炭应用于污水处理、土壤改良、生物炭结构和功能探寻和生物炭的制备 4 个大类；研究热点主要是生物炭材料的修饰改性及机理探寻等；而这些研究中为了探究经过表面处理后可以达到所期望的性能，通常都会采用扫描电镜(SEM)等手段进行表征。使用飞纳电镜可以对制备的生物炭材料的微观形貌进行快速表征，搭配使用孔径统计分析软件，为生物质炭的物理吸附性能评估提供重要参考。

改良秸秆炭的吸附作用

　　吸附性和催化性是生物质活性炭重要的特质，其改性方法是以提高吸附性能为目标，生物质炭的比表面积和孔径结构及分布状况是影响其物理吸附的主要因素，微孔表面官能团的活性则决定了其化学吸附性能。

研究成果

　　A. Aboulkas 等人采用海洋中的藻类，通过热解法制备出生物炭及生物油，实现了来自藻类废物热解的生物炭可以用作可再生固体燃料，从这些扫描电镜图可以清楚地看出，生物炭的形貌其表面显示出更多的空隙空间和更高的孔隙率，证实了所生产的生物炭比原始废料具有更高的表面积，这是由于热处理而改善了生物炭的多孔结构。

　　沈征涛等人采用麦秆、麦壳通过水解法制备的高孔隙率、高比表面的生物炭，可用于吸附废水及田地中的铅离子。根据 XRD、FT‑IR 和 TGA 结果表明，这种 Pb2+ 可能来自 Pb2+ 沉淀物。Al3+ 的存在也表明它可能与生物炭上的 Al3+ 进行了交换。WSP700 的 EDX 图显示垂直和平行于纤维方向都存在 Pb2+，说明大部分 Pb2+ 吸附在生物炭上，可以有效改善土壤中被重金属污染的问题。从生物质炭的 SEM 图片中可以看到，通过处理后得到的生物炭会有着更多的空隙空间及更高的孔隙率，与原料相比会有着更高的比表面积。这也是为什么经过水解方法处理后的生物炭材料在与直接焚烧等方式处理的材料相比有着更好的吸附性能。

　　除了在农业上的应用，现在还有一部分研究是在应用于催化剂、吸附剂、储能等领域的生物质基炭材料，例如电催化、锂电池负极、大电容等等。向低碳经济转型是现如今人类文明的必经之路。我国政府已将发展低碳经济，应对全球气候危机视为重要国策。所谓低碳经济，是指在可持续发展理念指导下，通过技术创新、制度创新、产业转型、产业转型、新能源开发等多种手段，尽可能地减少煤炭石油等高碳能源消耗，减少温室气体排放，达到经济社会发展与生态环境保护双赢的一种经济发展形态。

参考文献

　　【1】A. Aboulkas, H. Hammani, M. El Achaby, E. Bilal, A. Barakat, K. El harfi, Valorization of algal waste via pyrolysis in a fixed-bed reactor: Production and characterization of bio-oil and bio-char, Bioresource Technology, Volume 243,2017,Pages 400-408,ISSN 0960-8524.

　　【2】Zhengtao Shen, Yiyun Zhang, Fei Jin, Oliver McMillan, Abir Al-Tabbaa, Qualitative and quantitative characterisation of adsorption mechanisms of lead on four biochars, Science of The Total Environment,Volume 609,2017,Pages 1401-1410,ISSN 0048-9697.

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