开题报告内容：（包括拟研究或解决的问题、采用的研究手段及文献综述，不少于2000字）
生物炭是一类由生物质在缺氧状态下经高温（＜700℃）热解生成的芳香化固态物质，其性质较稳定，原材料来源广泛，具有比表面积大、吸附能力强等优点。生物炭的制备通常采用慢速热解、快速热解、气化热解和水热炭化法等四种方式，制得的生物炭中各元素含量与热解方法和反应温度有关，可通过红外光谱分析生物炭中基团的变化。近年来，关于生物炭的研究表明其能有效吸附重金属和有机污染物，因此被用于土壤改良和水污染防控等环保领域，也可被用于增加土壤肥力和化妆品等方面，前景广阔。本课题旨在探究生物炭的制备方法，理化性质及其在环境污染治理中的应用。
生物炭是一类高度芳香化的富碳固态物质，它是在限氧或无氧状态下，经一定温度（通常在700℃以下）慢热解生成的，此类物质性质稳定，难溶于水。从结构上看，其空隙结构丰富，比表面积较大，因此吸附能力较强，被应用于吸附污水和土壤中的重金属和有机污染物等对环境有危害的成分，起到净化作用。生物炭在科研上被重视起源于对亚马逊盆地中部黑土的研究，该地区土壤因有天然生物炭的存在而较一般状态更有肥力。2007年，这类物质得到统一命名，被称为biochar。生物炭同时也是生产活性炭的可用原料之一，与活性炭和木炭都属于黑炭。
如今，工业上制备生物炭，通常采用工业热裂解方式。生物质的热裂解进程可分为干燥、预炭化、炭化和煅烧四个阶段。干燥阶段是初始阶段，热解反应进行得缓慢，物质化学组成可以基本保持不变。和干燥阶段一样，预炭化阶段发生的反应也是吸热反应，不同的是在该阶段中，物质化学组成开始发生变化。炭化阶段是主要反应阶段，该阶段中生物质的热分解反应加剧，生成大量分解后物质，并释放热能。在煅烧阶段中，含碳化学键继续裂解，固体炭得到煅烧。值得注意的是，这四个阶段的反应并非完全独立，也没有明确的分割界限，而是存在交叉。
炭化技术是最为常用的制备生物炭的技术，而依据反应中的加热时间、加热温度和反应时间，可进一步将炭化技术分为闪速热裂解、快速热裂解、中速热裂解和慢速热裂解等四种方式。已有实验表明，在热解过程中，采用不同热裂解反应温度和升温速度都能使生物质裂解生成生物炭，但是不同制备方案下的生物炭产率和表征不同，这也是探究生物炭制备工艺的意义之一。相比较之下，在四种热裂解方式中，慢速热裂解所得生物炭产率最高，闪速热裂解所得生物炭产率最低，相对应的，其所得生物油和气体更多。
生物炭的生产原料、生产条件和生产工艺，对产品的理化性质都有影响。生物炭原料不仅可以来自含纤维素的秸秆和林业废料，城市固体废物和畜禽粪便等废弃生物质，还可以来自工业有机废水和废弃生活污水。用热裂解法制备生物炭时，根据工艺上的不同，热裂解制备方法也可以分为炭化、气化、液化和微波热解等几种具体方式。由于制备条件、污染物和生产效率等方面的限制，生物炭制备技术体系还不算完善，有待进一步研究和发展。
生物炭的表征和原料种类与热解反应条件有关，热解反应条件包括反应温度、反应时间、升温速率和催化剂等。要研究生物炭的表征，可以从生物炭的理化性质和结构特点入手。其中，理化性质包括各组分含量、表面基团的种类和含量、表面电荷的含量和分布及pH等，而微观结构包括孔隙结构和表面特征等。本课题主要讨论原料种类和热解温度对生物炭表征的影响，并通过测定西蓝花生物炭的pH和红外光谱图，对西蓝花生物炭的表征及其影响因素进行分析。实验中可通过红外光谱、扫描电镜和测pH等方式，从元素组成、组分构成、官能团种类、结构特征和pH值等方面讨论生物炭的表征及变化情况，由此判断生物炭理化性质的影响因素及规律。通常来说，在一定范围内，热裂解反应温度对生物炭表面基团种类和数量有重要影响，与生物炭的pH呈正相关。
生物炭因其表面孔隙多、吸附能力强的特点，在许多领域有重要应用，常被用来吸附重金属和其他有害物质，改善土壤环境和净化污水等。除了被用作吸附剂缓解土壤中的污染情况以外，由于生物炭有利于土壤中微生物群落的形成及自身含有矿物质等特点，它还可以作为增肥手段被加入土壤，以提高土壤的肥力。此外，生物炭还可被用作燃料供能，甚至在化妆品领域也有应用，如被用于清洁皮肤等。在用废弃生物质生产生物炭的过程中，作为副产物的生物油和其他气体可以得到再利用，从而在整体上降低能源消耗与碳排放。生物炭的结构稳定，具有一定碳封存作用，这一点可为缓解温室效应提供思路。本课题主要讨论生物炭在污染防治上的应用研究。
在实际应用中，因为经济和高效的特点，生物炭常作为吸附剂吸附土壤和污水中的各类污染物，这也是研究环境污染治理的一个重要方向。但是，生物炭制备体系尚不完善、生物炭产率相对较低和反应过程中可能造成污染的缺陷也暴露出来，这是进一步推广生物炭在各领域应用之路上亟待解决的问题。此外，生物炭在农林生产和污染治理上的应用尚不广泛，实际使用中依然存在诸多限制。因此，进一步探究生物炭的吸附机理，制备适合不同情况、不同需求的生物炭，仍是需要探究的课题。
如今能源问题和环境问题是全世界都在关注的焦点，我国坚持可持续发展战略，重视生态文明建设，如何保护环境和治理污染成为了当今社会热议的话题。生物炭在重复利用废弃生物质和改善环境上都有优势，相信不久之后，会有更成熟的生物炭制备体系，生物炭也能在环境方面得到更广阔应用。
