综述：十年来，利用农业废弃物制备的生物炭在直接捕获空气中的二氧化碳方面取得了显著进展：包括生物炭的活化处理、改性方法及其性能变化趋势

生物炭作为CO?直接空气捕获（DAC）的高效吸附剂，其性能受农业废弃物来源、热解温度及活化方法影响显著。研究显示，经KOH活化处理的黄色木棉果壳生物炭在pH 2.8时吸附容量达7.3 mmol/g，显著高于其他材料。多因素分析表明，酸性生物质经碱性活化剂处理后，孔隙结构优化和表面化学性质改善可显著提升吸附效率。经济评估表明，生物炭生产成本（约137美元/吨）远低于MOFs（10^5美元/吨）和硅胶（1400美元/吨），且环境足迹仅为吸附量的0.4%。未来需结合过程优化与规模化生产以实现商业化应用。

　　
全球变暖与二氧化碳减排已成为各国关注的焦点问题。本文系统综述了农业废弃物衍生生物炭作为二氧化碳直接空气捕获（DAC）吸附剂的研究进展，重点分析了生物炭的制备工艺、性能优化及经济环境效益。研究表明，生物炭因其低成本、易再生和优异吸附性能，在DAC领域展现出巨大潜力，吸附容量可达7.3 mmol/g（来自黄檀果核生物炭），但部分材料如Nauclea diderrichii来源生物炭仅0.11 mmol/g，显示原料特性对性能影响显著。

### 一、DAC技术体系与生物炭优势
当前DAC技术主要分为物理吸收（胺类、离子液体）、膜分离、生物转化及化学 looping等类别。其中，吸附法因能耗低（约536-5360 kWh/tCO?）、环境友好（再生能耗低于化学吸收剂30%）和操作简便，成为研究热点。生物炭作为新兴吸附剂，其成本较传统MOFs（约10^5美元/吨）和沸石（2200美元/吨）低60-90%，且合成过程碳排放量仅为吸附剂容量的0.4%（生物炭）至136.8%（硅胶），显示显著的环境优势。

### 二、生物炭性能优化机制
1. **原料选择与预处理**
研究表明，原料的pH值直接影响生物炭吸附性能。酸性生物质（如黄檀pH=2.8）经碱性活化剂（如KOH）处理后，表面形成更多活性位点，吸附容量提升300%-500%。例如，黄檀生物炭经KOH活化后吸附容量达7.3 mmol/g，而碱性生物质（如Nauclea diderrichii pH=8.0）吸附能力显著下降。原料的木质素含量（20%-36%）与纤维素（33%-49%）比例影响孔隙结构，高木质素（如椰壳35%）可提升比表面积至1500-2000 m2/g。

2. **热解工艺参数调控**
热解温度（200-1000℃）和停留时间（0.5-24小时）共同决定孔隙结构：
- **低温热解（200-400℃）**：适合保留生物质原始孔隙，但孔隙率较低（如椰壳水解热碳化产物孔径1.94 nm）。
- **中温热解（500-700℃）**：通过蒸汽或化学活化（如ZnCl?、H?PO?）可增加比表面积（达3000 m2/g）和微孔比例（>60%），吸附容量提升50%-100%。
- **高温热解（>800℃）**：虽能增强机械强度，但过度碳化导致孔隙坍塌，吸附容量下降20%-40%。例如，橡树皮生物炭在800℃下吸附容量从4.06降至2.97 mmol/g。

3. **改性策略与协同效应**
- **化学活化**：KOH（成本$50/kg）处理可增加表面含氧官能团（如羧基、羟基），提升CO?吸附选择性。例如，椰壳生物炭经KOH活化后，CO?/N?选择性从3.1提升至5.8。
- **物理活化**：水蒸气或CO?物理活化可打开生物质颗粒结构，但效果弱于化学活化（如玉米秸秆物理活化后吸附容量仅1.77 mmol/g）。
- **复合改性**：采用离子液体（1-丁基-3-甲基咪唑醋酸盐）与生物炭复合，吸附容量可达4.5 mmol/g，且再生稳定性提升40%。

### 三、经济与环境效益评估
1. **成本对比**
| 吸附剂类型 | 成本（美元/吨） | 吸附容量（mmol/g） | 能耗（MJ/tCO?） |
|------------|------------------|--------------------|------------------|
| 生物炭 | 137-174 | 1.7-7.3 | 97.7 |
| 沸石 | 2200 | 1.88-6.98 | 67.5 |
| MOFs | 10^5 | 2.2-5.9 | 37,082.9 |
*数据表明生物炭综合成本仅为MOFs的1.37%，且单位成本CO?捕集量达5.17吨/吨吸附剂。*

2. **生命周期分析（LCA）**
生物炭生产全周期碳排放量为吸附剂容量的0.4%-0.8%，显著低于化学吸附剂（如离子液体排放量达158.77 kg CO?/吨吸附剂）。例如，玉米秸秆生物炭生产过程排放仅0.4 kg CO?/kg吸附剂，而MOFs因合成能耗高，碳排放达158 kg CO?/kg吸附剂。

### 四、技术挑战与未来方向
1. **性能瓶颈**
- **湿度敏感性**：实验显示，相对湿度>80%时吸附容量下降30%-50%（如椰壳生物炭在湿度90%时容量降至2.8 mmol/g）。
- **再生能耗**：目前生物炭再生需200-300℃高温（能耗占比达35%），未来需开发低温再生技术（如微波辅助再生可将能耗降低60%）。

2. **规模化障碍**
- **原料供应**：农业废弃物年产量约35亿吨，但生物炭需特定木质素含量（>25%），实际可用原料仅占15%。
- **设备成本**：现有DAC系统投资约$500万/套，需通过模块化设计（如模块化吸附塔）降低成本30%。

3. **技术融合创新**
- **生物炭/纳米材料复合**：添加石墨烯（0.5-2wt%）可将吸附容量提升至8.2 mmol/g，但成本增加20%。
- **多级吸附系统**：结合硅胶（预处理湿度）与生物炭（主吸附），可将CO?捕集效率提升至95%以上。

### 五、结论与建议
生物炭DAC技术具备显著的经济和环境优势，其吸附容量在优化后可达7.3 mmol/g，成本仅为传统吸附剂的1/15。建议未来研究聚焦于：
1. **原料创新**：开发低pH生物质（如菠萝皮pH=4.2）与高木质素原料（>40%）。
2. **工艺优化**：采用超临界CO?活化（温度220-350℃）替代传统KOH处理，能耗可降低50%。
3. **系统集成**：结合生物炭吸附与太阳能驱动的真空 swing adsorption（VSA），系统净收益率可提升至18%。

本研究为生物炭在DAC领域的应用提供了理论依据，但需进一步验证长期运行稳定性（如吸附剂寿命>5000次循环）和规模化经济性（万吨级生产成本需降至$80/吨）。