生物炭是生物质热解过程的固体副产物。近年来,生物炭在缓解全球变暖、改良土壤及去除污染物等方面得到了较为广泛的应用。本论文研究了生物炭对氧化铜纳米颗粒植物毒性的缓解作用与机理,探究了改性生物炭在膜生物反应器中对膜污染的缓解与机制,最后探索了重金属污染的生物质制备得到的生物炭在储能方面的应用。本研究旨在通过对生物炭与纳米颗粒、生物炭与微生物胞外分泌物的作用、以及生物炭的电子传递性能研究,拓展生物炭在环境和能源领域的新应用,促进废弃生物质的处置与资源回收。论文主要研究内容和结果如下:1.生物炭缓解氧化铜纳米颗粒(CuONPs)植物毒性机理:在小麦萌芽实验和水培生长实验中,研究了不同浓度的氧化铜纳米颗粒对植物生长的影响,分析了生物炭对氧化铜纳米颗粒植物毒性的缓解作用,并通过设计实验对其脱毒机制进行了验证。结果表明,生物炭对氧化铜纳米颗粒的植物毒性具有显著的缓解作用,在水培系统中添加3%的生物炭,可以完全消除高浓度(500 mg L-1)CuONPs对小麦生长的抑制,并降低小麦组织内的铜含量,降低毒性金属在作物内的富集。其脱毒机理主要包括生物炭对纳米颗粒释放铜离子的吸附,以及生物炭的空间阻隔作用,即植物根系表面吸附的生物炭减少了铜离子和纳米颗粒与植物的直接接触,降低纳米氧化铜的毒性。2.生物炭对膜生物反应器(MBR)膜污染的缓解作用与机制:研究了不同改性生物炭对MBR膜污染的影响,分析了不同类型的阻力与污泥性质的相关性,探索了生物炭的抗污机理。跨膜压差(TMP)测试结果显示碱洗生物炭、亲水性生物炭和活化生物炭的投加都能显著缓解膜污染。生物炭的添加能降低系统内的胞外聚合物(EPS)浓度和膜过滤阻力,其中,碱洗生物炭的添加主要降低膜的滤饼层阻力,而亲水性生物炭和活化生物炭的添加主要降低膜的滤饼层阻力和孔堵塞阻力。另外生物炭的亲水性有利于提高污泥的沉降性能,降低膜的滤饼层阻力,缓解膜污染。3.重金属污染生物质制备生物炭的储能应用探索:利用吸收和吸附镍的水葫芦生物质,通过快速热解和活化制备了 Ni,N掺杂的多孔碳材料,并比较了吸收和吸附镍对材料电化学行为的影响。结果表明,通过快速热解和活化水葫芦生物质制备的多孔碳材料具有良好的超级电容器性能,Ni对材料的电容器性能具有明显的促进作用,其中,在生长过程中吸收的Ni相对于吸附的Ni更能提高材料的电容性能。主要原因包括:在热解和活化过程中,吸收的Ni比原位吸附的Ni具有更有效的催化造孔作用;在生长过程中,Ni能促进水葫芦中氮的吸收,增加多孔碳的N掺杂量;并且吸收的Ni在材料中倾向于生成粒径更小的NiO颗粒,提高材料电容性能。