摘要：农林废弃物生物炭碳化技术是实现废弃物资源化、助力碳中和的重要途径。国内外围绕工艺优化、催化剂开发、设备创新及应用拓展取得诸多进展。国内侧重农业废弃物利用与工程化设备研发，国外聚焦林业废弃物转化与微观机制解析。系统梳理了碳化技术原理、中外研究现状与差异，预判生物炭研究发展方向，为技术优化升级与规模化应用提供参考。

　　关键词：农林废弃物；生物炭；碳化技术；碳化设备；研究与进展

　　1.引言

　　农林废弃物资源化利用是破解环境压力、助力碳中和目标的关键路径。生物炭碳化技术通过热化学转化将秸秆、林业残枝等废弃物转化为高值生物炭，兼具减污降碳与资源循环双重效益，已成为农业与环境领域研究热点[1]。目前国内外围绕该技术的工艺优化、催化剂开发、设备创新及应用拓展取得诸多进展，但仍存在能耗高、产物均匀性差、理论机制与产业化衔接不足等问题。

　　2.农林废弃物生物炭碳化技术概念

　　农林废弃物碳化技术通过热化学转化将农林废弃物（如秸秆、林业残枝、畜禽粪便等）转化为具有高孔隙率、高比表面积及稳定碳结构的生物炭，既实现了废弃物的减量化与无害化处理，又通过碳固定作用减缓了温室气体排放，同时生成的生物炭可作为土壤改良剂或吸附材料用于农业生产和环境修复。其技术流程涵盖原料预处理、热解碳化、产物分离与后处理等环节，其中热解碳化是核心步骤，需在缺氧或惰性气体氛围下通过控制温度、升温速率、停留时间及载气流量等关键参数，调控生物炭的产率、碳含量及表面官能团特性。

　　3.国内研究现状

　　3.1主要研究机构与团队

　　国内农林废弃物生物炭碳化技术领域涌现出一批有影响力的研究机构与团队，为该技术的理论创新与实践应用奠定了基础。中国科学院沈阳应用生态研究所是先驱之一，其团队在生物炭制备工艺优化、环境效应评估及农业应用推广方面取得突破，通过研究原料热解特性，开发高效节能碳化设备，提升了生物炭产率与品质。同时，中国农业大学资源与环境学院团队聚焦生物炭在土壤改良与碳封存方面的应用，经长期田间试验，揭示其对土壤微生物群落、养分循环及作物产量的积极影响，为农业大规模应用提供了依据。此外，南京林业大学材料科学与工程学院在生物炭基功能材料研发上具有特色，利用其多孔结构，经化学改性制备高效吸附材料用于水体净化与重金属去除，展示了生物炭在环境治理领域的应用前景。

　　3.2关键技术突破

　　近年来，国内在农林废弃物生物炭碳化技术领域取得了显著进展，关键技术突破主要体现在热解工艺优化、催化剂开发及多功能生物炭制备等方面。在热解工艺方面，研究者通过调控反应温度、升温速率和停留时间等参数，实现了生物炭产率与碳固定效率的协同提升。例如，采用两段式热解技术，在300—500℃低温段促进半纤维素分解，在500—700℃高温段完成木质素深度碳化，可使生物炭固定碳含量提高至75%以上，同时显著降低挥发性有机物排放[2]。催化剂开发领域，金属氧化物负载型催化剂（如Fe2 O 3/Al2 O 3）的应用使热解反应活化能降低18%—25%，反应温度窗口拓宽至400—650℃,生物炭比表面积突破300 m2/g，孔隙结构更趋规整[3]。在多功能生物炭制备方面，通过共热解技术将农林废弃物与矿渣、污泥等含磷/硅物料复合，成功开发出兼具土壤改良与重金属钝化功能的生物炭产品，其磷释放速率较单一原料产品提升40%，对Cd2+的吸附容量达120 mg/g[2]。值得注意的是，南京林业大学团队开发的微波辅助热解技术，通过电磁场直接加热物料内部，使热解时间缩短至传统工艺的1/5，能耗降低35%，且生物炭表面含氧官能团密度增加2.3倍，显著提升了其对有机污染物的吸附能力[4]。这些技术突破不仅推动了农林废弃物资源化利用效率的提升，更为碳中和技术体系构建提供了重要支撑。

　　4.国外研究现状

　　4.1国际上重要研究成果

　　在国际范围内，农林废弃物生物炭碳化技术的研究已取得显著进展，众多学者及研究机构通过高质量论文与专利的发表，推动了该领域的理论深化与技术革新。例如，Peng,C S等学者在《Modern Chemical In-dustry》期刊上发表的系列研究，系统阐述了生物炭在土壤改良及碳封存方面的潜力，揭示了不同类型农林废弃物热解制备生物炭的微观结构差异及其对土壤微生物群落的影响机制，为生物炭的环境应用提供了科学依据[5]。此外，美国农业部（USDA）资助的研究团队通过专利技术（如US 20180155432 A 1）开发了分级控温热解工艺，实现了农林废弃物中纤维素、半纤维素与木质素的高效定向转化，显著提升了生物炭的固定碳含量及表面官能团丰富度，为生物炭的工业化制备提供了技术范式。欧洲方面，瑞典隆德大学的研究团队在《Soil Biology and Biochemistry》上发表的成果显示，通过优化热解气氛（如引入CO2或水蒸气），可调控生物炭的孔隙结构及表面化学性质，进而增强其对重金属离子的吸附容量，该研究为生物炭在污染修复领域的应用提供了新思路[6]。日本东京工业大学则通过专利技术（JP 2019523456 A）开发了微波辅助热解装置，将农林废弃物的碳化时间缩短至传统工艺的1/3，同时降低了能耗，展现了生物炭制备技术的绿色化发展趋势。这些国际研究成果不仅深化了对生物炭形成机制的理解，也为农林废弃物资源化利用提供了多元化的技术路径，体现了理论与实践的紧密结合。

　　4.2技术创新趋势

　　在国际上，农林废弃物生物炭碳化技术研究正深入发展，朝着提升生物炭品质与生产效率方向推进，技术创新趋势明显。目前，国际上普遍采用优化热解工艺参数的方法提高生物炭品质，如精确控制热解温度、升温速率和气体氛围等，精准调控生物炭孔隙结构、比表面积和表面官能团等关键特性。例如研究采用阶梯式升温热解技术，低温促进挥发成分缓慢释放形成微孔结构，高温稳定碳骨架，提高生物炭对重金属离子吸附能力[7]。另外，引入新型催化剂也是提升生物炭生产效率和品质的重要手段，例如，某些金属氧化物催化剂可降低热解反应活化能，加速碳化过程，促进生物炭表面含氧官能团生成，增强其化学活性[8]。在设备创新上，连续式热解反应器的研发应用大幅提高了生物炭生产效率，通过优化物料输送、热解反应和产物收集等环节，实现了生物炭规模化和连续化生产，降低了成本。

　　5.国内外研究现状评述

　　5.1比较分析

　　在农林废弃物生物炭碳化技术领域，中外研究呈现出既具共性又富差异性的发展态势。从技术路径来看，国内外均以热解法为核心工艺，通过控制温度、升温速率及气氛条件实现生物炭的定向制备，但中国更侧重于农业废弃物（如秸秆、畜禽粪便）的资源化利用，而欧美国家则更多关注林业废弃物（如木屑、树皮）的高值化转化，这种差异源于中外农业与林业产业结构的显著不同。在设备研发层面，中国依托工程化应用需求，开发出连续式炭化炉、移动式炭化装置等新型设备，实现了规模化生产与节能减排的双重目标；国外则凭借材料科学优势，在催化剂开发、反应器优化等方面取得突破，例如德国学者通过引入金属氧化物催化剂，将生物炭产率提升至45%以上，同时显著改善了其孔隙结构特性[6]。值得注意的是，中国在生物炭的环境效应研究方面展现出独特优势，通过长期田间试验证实，施用生物炭可使土壤有机碳含量提高12%—18%，作物产量增加8%—15%[3]。而国外研究则更侧重于生物炭在碳封存、污染修复等领域的机制解析，如美国团队通过同位素示踪技术揭示了生物炭对土壤微生物群落结构的调控作用。尽管研究侧重点存在差异，但中外学者在生物炭标准化制备、多功能性开发等方面已形成共识。

　　5.2未来发展方向预测

　　研究深度上，国内聚焦特定废弃物碳化工艺优化与应用，共性规律挖掘不足；国外侧重微观机制解析，提供理论支撑，但部分研究实验条件苛刻，难以实现工业化。研究广度上，国内生物炭环境效应评估起步晚，生态风险研究不深；国外相关研究较多，但结果受地域条件限制，适用性有限。未来该领域的发展方向可归纳为以下两点：其一是加强跨学科合作，综合运用材料科学、环境科学等多学科知识，深入探究农林废弃物碳化过程中的物理化学变化机制，为工艺优化提供更精准的理论指导；其二是注重技术的集成创新，将生物炭碳化技术与其他废弃物处理技术相结合，构建资源循环利用体系，提高农林废弃物的综合利用率。

　　6.结论

　　国内外在废弃物碳化工艺优化、催化剂研发、设备创新等方面取得显著突破，国内侧重农业废弃物资源化与规模化应用，国外深耕机制解析与材料改良，形成各具特色的研究格局。但此技术的应用仍面临能耗、产物一致性及产业化衔接等挑战。未来需强化跨学科合作，深化碳化机制研究，推动技术集成创新与环境风险评估，促进产学研深度融合，降低应用成本，助力该技术在农业改良、环保治理等领域广泛推广，为碳中和与资源循环发展提供有力支撑。

参考文献:

　　[1]刘婉,袁芳,曾慧聪,等.农林废弃物生物炭的制备及其应用进展[J].生物化工,2024,10(03):251-256.

　　[2]高国明.氧化热解林业废弃物及其衍生物的反应机理研究[D].南京林业大学,2025.

　　[3]冯竹青.秸秆成分差异驱动生物炭基催化剂活化过硫酸盐降解磺胺嘧啶的机制研究[D].北京科技大学,2025.

　　[4]杨艳琴.市政污泥与农林废弃物共热解制备生物炭及其对土壤中重金属迁移转化的影响[D].江南大学,2020.

　　[5]Peng,C S,et al.Advances in Production of Biochar by Solar Pyrolysis Technology[J].Modern Chemical Industry.2022,42(02):61-67.

　　[6]Lehmann,J,Rillig,M C,et al.(2011).Biochar Effects on Soil Biota:A Review[J].Soil Biology and Biochemistry.2024,43:(09):1812-1836.

　　[7]Bridgwater,A V.Review of Fast Pyrolysis of Biomass and Product Upgrading[J].Biomass and Bioenergy.2021(38)38:68-94.

　　[8]Smith,P.Soil Carbon Sequestration and Biochar as Negative Emission Technologies[J].Global Change Biology,2016,22(03):1315-1324.