酒糟生物炭的制备及应用研究进展*

李 红，李柏翰，王贤晨**，郑兴雨

(1.茅台学院 食品科学与工程系，贵州 仁怀 564500；2.茅台学院 资源环境系，贵州 仁怀 564500)

随着我国经济的快速发展和生活水平的提高，白酒的消费量不断增加，白酒行业也在持续扩大产能。2022年全国白酒产量(折算为65%的体积分数)671.2万千升，2023年1～4月全国白酒产量(折算为65%的体积分数)158.1万千升[1]。然而，大量的白酒生产也产生了海量的固体废弃物，其中每生产1吨白酒，就会产生3～4吨酒糟[2]，截至目前，我国每年产生的酒糟量最高达3000吨左右[3]。如何在满足社会对白酒需求的同时实现白酒废弃物的高效资源化利用，已成为白酒行业可持续发展的紧迫问题。

酒糟富含有机质、蛋白质以及各种营养元素[4]，是一种高潜值的生物资源。近年来，将酒糟转化成高附加值产品和材料已成为白酒行业资源化利用的新方向。其中，酒糟生物炭作为一种新型生物基功能材料，因其独特的理化性质被广泛研究，在土壤改良、污染控制和废水处理等领域展示出很好的应用前景，成为酒糟高值化利用的新热点。本文的目的是归纳近年来对白酒糟进行研究时所涉及的主要问题，并结合笔者对文献的研读，预测白酒糟固废资源化技术研究的发展趋势。

1 文献检索及结果分析

通过在中国知网中使用关键词“酒糟”“生物炭+改性”或“酒糟+生物炭”进行检索，筛选出北大核心期刊收录的文献。同时，在Web of Science中使用关键词“Distiller’s grains biochar”“distillers grains”进行英文文献检索，并将检索时间范围设置为2020年6月至2023年7月。总共检索到187篇北大中文核心期刊载录的相关文献，并运用VOS viewer软件进行可视化分析。在1346个关键词中，筛选出了28个符合设定阈值的关键词。从可视化结果(如图1所示)可以看出，近年来的酒糟的利用研究主要与酒糟饲料相关。

2 酒糟生物炭研究综述

2.1 制备方法

酒糟生物炭的制备涉及几个关键步骤，包括收集酒糟、预处理、炭化处理、洗涤和净化等[5]。在预处理过程中，酒糟经过清洗和降低水分含量，为后续步骤做好准备。洗涤和净化的主要目的是去除制备过程中的残留物和杂质，以获得纯净的酒糟生物炭。

当前，很多学者致力于研究炭化处理过程，以改善酒糟生物炭的产量和质量。他们通过调整工艺参数和采用新的方法来提高制备过程中的效率。专家学者对酒糟生物炭制备方法进行了广泛的研究。表1列举了几种常用的炭化方法并对其优劣性加以对比分析。

图1 可视化分析图

表1 几种常用的炭化方法

2.2 改性方法

除了以上基本制备步骤，还有一些改性方法被应用于酒糟生物炭的制备过程，以进一步改善其性能和适用性。朱永赵[11]通过化学共沉淀法制备的Fe3O4/酒糟生物炭复合材料，在pH为3的条件下，Fe3O4/酒糟生物炭的质量比为1∶3，H2O2浓度为 1 mmol/L 时，展现出高效的四环素去除能力。该复合材料通过吸附作用和Fenton反应的协同作用，从而提高了四环素的去除效率。Luo，L[12]等在生物炭中掺杂N、S活性位点，制备了多孔碳材料，具有高CO2吸附能力和催化CO2转化的特性。这些低成本碳材料表现出丰富的微孔结构和高比表面积，并在无溶剂条件下实现了高达99%的环状碳酸酯产率。为可持续的CO2捕集和转化提供了可行方案。表2列举了部分学者在该领域的研究成果对比。这些探索和研究的进展为酒糟生物炭的制备提供了更多的可能性和技术支持。

表2 改性酒糟炭部分研究成果

3 酒糟生物炭应用进展

酒糟生物炭是一种具有广阔发展前景的生物质材料，其在环境保护、能源利用和产业转型等领域具有巨大潜力，在推动白酒产业的绿色发展和可持续水平提高方面发挥着重要作用。环境保护方面，酒糟生物炭可以被用作水处理剂，能够有效去除水中的重金属、有机污染物和色素。此外，它还可以作为土壤改良剂，提高土壤肥力和水分保持能力[29]，减少农药和化肥的使用，促进农业可持续发展。能源利用方面，酒糟生物炭可以作为生物质能源的一种有效补充，用于生产燃料[30]、超级电容器等。其独特的孔隙结构和高碳含量使其具有较高的燃烧效率和能量密度。下文主要综述其作为吸附剂、土壤改良剂以及催化剂的相关应用研究。

3.1 吸附剂

研究表明，酒糟生物炭具有较高的吸附选择性和容量，可用于废水、废气的处理。Xu[18]等通过控制酒糟的热解和蒸汽活化，制备一种低成本的活性生物炭。其具有较大的比表面积和孔容积，以及显著的亲水性和亲脂性。且能高效吸附低度白酒中的浑浊物质，尤其是长链疏水成分，同时保留风味酯类成分。Luo[19]等利用酒糟制备了一系列超微孔活性炭，其CO2吸附性能卓越，最高可达到 6.34 mmol/g，同时具有良好的可再生性。并发现了活性炭的吸附性能受到超微孔结构、孔径分布、孔容及生料中的杂原子影响，为酒糟资源利用提供了新的途径。

3.2 土壤改良剂

酒糟生物炭对土壤理化性质、重金属形态以及作物产量存在影响，其在促进土壤无机磷释放[20]、修复土壤重金属污染[21]及作物生产[22]中已有应用。根据Zhang[23]等的研究，酒糟生物炭具有更多的芳香环结构，低H/C和O/C比值。应用时，它改善了不同深度黄土的养分含量，影响了真菌群落。最佳效果是使用4.0%的生物炭，可促进表层土壤中的总氮、速效钾和微生物量。同时，在改善深层土壤微生物群落方面也有优势。因此，在岩溶地区，酒糟生物炭是改善土壤肥力和微生态环境的理想选择。Zhu[24]等研究发现，酒糟生物炭具有较大比表面积、总孔容量以及高含量的羧基和羟基基团。其Pb2+吸附容量为 79.12 mg/g，吸附平衡时间为30～60 min。在pH 3～6范围内，溶液pH值升高会增加酒糟生物炭对Pb2+的吸附容量。Cheng[25]等通过将酒糟转化为钾负载生物炭研发了一种创新型的控释钾肥，这种生物炭在CO2和 400 ℃ 条件下制备后，在长期释放实验中，可释放出82.35%的钾离子，并能持续释放约0.5%的钾离子达到25天的时间。盆栽实验也证实了该钾负载生物炭对植物生长的促进作用。Zhou[26]等采用湿法磷酸处理和热解技术，将酒糟转化为可溶性悬浮肥料和生物炭缓释磷肥。这种肥料具有高浓度、高稳定性和良好的缓释特性，可以在60天内缓慢释放出多种营养元素。

3.3 催化剂

部分学者考察了酒糟生物炭的催化性能，并探索了催化机理，表明酒糟生物炭具有一定的催化活性。张佑君[27]通过水热预处理和化学活化，制备了高氧含量的酒糟炭催化剂，在苯甲醇氧化反应中表现出较高的活性，通过优化催化剂的条件和结构，最终实现了高苯甲醛产率。Hu[28]等使用酒糟制备的氧掺杂多孔生物炭，配合电芬顿系统能在30分钟内快速去除 20 mg/L 的双酚A，经过四个循环后仍具有高效去除的稳定性。其反应途径包括羟基化、酮化、氧化和苯环断裂，最终分解为无害的CO2和H2O，提供了一种将废弃生物质资源化解决水污染问题的新思路。

4 结语

酒糟生物炭作为一种可获得的生物质炭材料，在制备方法和改性方法上呈现出多样化的趋势。热解炭化和水热法是常用的制备方法，它们各有优势和劣势，需要根据具体需求进行选择和优化。在改性方法方面，通过复合材料和化学共沉淀等方法，可以改善酒糟生物炭的吸附性能和去除能力。同时，酒糟生物炭在吸附、改良土壤和催化等领域具有广泛的应用前景。它可以有效吸附重金属、染料和酚类有机污染物，修复污染土壤，减少重金属污染，并促进作物产量。此外，酒糟生物炭还表现出一定的催化活性，可以在甲醇转化和废水处理等反应中发挥作用。酒糟生物炭研究取得一定进展，但尚需深入开展其制备工艺优化、吸附机理、催化机理与调控、产业化进程研究等，特别是应加强成本控制和节能减排研究，促进酒糟生物炭产业的可持续发展。