关键词：
生物炭
理化性质
溶解性有机碳
稳定性
孔隙结构
摘要：
生物炭是含碳有机质在无氧或者限氧条件下经过热解转化而形成的富碳固体物质。生物炭施加于土壤后可以有效改善土壤理化性质,增加土壤肥力,同时还可以促进植物生长。另外生物炭具有多孔特征和高稳定性的特点,可以降低环境中有机污染物和重金属的生物有效性,减缓气候变化等,在环境科学方面具有重要的研究意义。当前,国内外关于生物炭的基本理化性质的研究已经开展很多工作,但对于不同原料来源和不同制备条件得到的生物炭的理化性质以及结构特征的研究,尤其是在生物炭中溶解性有机质、不同碳组分的稳定性以及孔隙发育过程的方面鲜有报道。因此,本研究选取不同类型的生物质为原料,在不同的温度下制备得到一系列的生物炭,对其基本理化性质和结构特征进行系统研究,着重探讨了生物质原料类型和热解温度对生物炭的生成、生物炭中不同碳组分的稳定性以及孔隙结构特征变化等的影响。研究结果为生物炭基础研究以及在农业和环境领域的应用提供了数据支持和理论依据。首先对我国3种主要农作物秸秆(稻秆、玉米秆和麦秆)在不同温度下制备的生物炭的理化性质进行了系统研究,结果显示:随着热解温度的升高,不同来源的秸秆生物炭的产率不断下降,灰分不断增加。3种农作物秸秆制备的生物炭的C含量均比较高,并且随着制备温度升高,C含量逐渐增加,而生物炭表面的官能团数量呈下降趋势。秸秆中半纤维素和纤维素组分在300℃时基本分解完成,随着热解温度的升高,生物炭内部碳组分不断聚合导致生物炭的芳香化程度增加。研究结果还表明,虽然3种秸秆生物炭呈现出相似的元素组成和结构特征,但仍然存在一些差异。热解温度和原料种类对生物炭的物理化学性质和结构均有重要影响,而热解温度的影响要比原料的种类的影响要大。低温(<300℃)制备的生物炭的产率较高,并且保留原料中丰富官能团如羧酸、羟基和羰基等,这对改善土壤质量有很大益处。而在500℃以上,秸秆生物炭表面的活性官能团基本上被去除,生物炭中主要以稳定的高度芳香化碳结构物质为主,较适用于碳的封存上。对不同原料来源的生物炭(稻秆、松木、猪粪和污泥)中不同碳组分的研究结果表明,原料种类和制备温度对生物炭理化性质均有很重要的影响。随热解温度的升高,稻秆和松木生物炭的C含量均呈现逐渐增加的趋势,而H和O含量则逐渐减小;与之相比,猪粪和污泥生物炭的C,H和O含量均表现为逐渐减小的特征。另外,随着热解温度的升高,4种生物炭中溶解性有机碳(DOC)的含量均逐渐减小。冷水、热水萃取的DOM芳香性均要高于弱碱萃取的芳香性。4生物炭中的稳定碳组分的百分含量随着热解温度的升高而增加。稳定碳的比例大小顺序为:松木>稻秆>猪粪>污泥。如果生物炭是以封存为目的,生物炭的制备温度设为500℃是比较好的选择。生物炭的来源和热解温度对其形貌和孔隙结构特征均有重要的影响。稻秆和松木生物炭表面具有比较明显的孔隙结构特征,并且随着热解温度的升高,孔径逐渐变大、孔壁逐渐变薄,在高温阶段甚至发生坍塌。而猪粪和污泥生物炭表面形貌特征相似,并且孔隙尺寸随热解温度的增加而增大。随着热解温度的增加,稻秆、松木、猪粪和污泥生物炭的比表面积(SSA-N2)逐渐增加,变化范围分别为3.88-249.6 m2/g、0.22-462.8 m2/g、1.21-74.9 m2/g和4.52-14.4m2/g。生物炭的微孔体积和累积孔体积也均随温度的增加而增加,平均孔径则逐渐减小。生物炭中微孔对总孔体积的贡献均比较小,总孔体积主要来自大于10 nm的介孔和大孔的贡献。稻秆、松木和猪粪生物炭的比表面积来自小于10nm孔隙的贡献,而污泥生物炭主要来自介孔(2-50 nm)的贡献。4类生物炭的微孔孔径分布在0.4-0.7 nm和0.7-0.9 nm之间均显示出双峰分布的特点。二氯甲烷抽提作用对低温制备生物炭的微孔有些影响,而对较高温度制备的生物炭中的微孔结构影响不大。采用热解气相色谱–质谱联用技术(Py-GC/MS)对不同类型黑碳进行研究,结果显示:不同类型黑碳裂解产物组成具有一定的相似性,均以芳香化合物为主,还包括含氮化合物、呋喃类化合物、酚类化合物和含硫化合物等,表明黑碳都是以高度芳香性的结构为核心,并连接有含氧、氮等杂原子基团等组成。此外3种生物质soot样品包含更多的来自原料本身如蛋白质类、木质素类和多糖类结构信息,而charcoal样品则具有更强的芳香性结构。本研究结果对于理解不同类型黑碳的分子结构和组成具有重要的意义。
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