关键词：
生物炭
热解反应介质
模拟老化
自然老化
官能团
摘要：
生物炭广泛应用于农业、环保、功能材料、能源等领域,在固碳减排等方面拥有巨大潜力,是农业温室气体减排的有效途径之一,近年来,生物炭在农业领域应用备受国内外学者关注,但生物炭施入土壤后理化性质变化以及在土壤中的长期效应目前仍不明确。本研究选择向日葵秸秆和玉米秸秆为原材料分别在400、500、600℃采用N2和CO2作为热解反应介质制备生物炭。利用两种秸秆生物炭和商品玉米秸秆生物炭在实验室进行模拟物理、模拟化学老化实验,同时采用商品玉米秸秆生物炭进行野外自然老化实验。对比实验室模拟老化和农田自然老化,探究生物炭在不同条件下的微观理化性质变化。具体研究结果如下:
1.玉米秸秆和向日葵秸秆生物炭的比表面积均随热解温度升高而增大,平均孔径均随热解温度升高而减小,两种秸秆生物炭均表现出规则的孔隙结构。向日葵秸秆生物炭C含量随制备温度升高而降低,玉米秸秆生物炭C含量随制备温度升高而增加;两种秸秆生物炭O含量均随制备温度的升高而降低,随着制备温度的升高两种秸秆生物炭的芳香度增加,亲水性和极性降低。
2.向日葵秸秆和玉米秸秆生物炭模拟物理老化后比表面积整体呈现下降趋势,平均孔径整体呈现减小的趋势。干湿交替后生物炭结构遭到明显破坏,发生破碎,大量的碎片会附着在生物炭表面,堵塞生物炭孔隙结构,C含量降低3.22%-13.70%,O含量升高0.23%-0.94%,生成了更多的不稳定组分,芳香度降低,亲水性和极性增强;冻融循环后生物炭会出现许多新的小孔。C含量升高0.47%-9.67%,O含量降低0.23%-0.29%,不稳定组分分解,芳香度增加,亲水性和极性降低。两种秸秆生物炭模拟物理老化后均表现出C-C/C=C键所占比例降低,含氧官能团所占比例增加。向日葵秸秆生物炭模拟物理老化后出现了更多的羟基和碳酸根;玉米秸秆生物炭模拟物理老化后羰基含量增加。
3.酸性氧化后玉米秸秆生物炭表面形成了一层质密的氧化壳,向日葵秸秆生物炭出现了许多围绕原孔隙结构的细微小孔,C含量降低11.14%-23.72%,O含量增加3.53%-8.87%。碱性氧化后两种秸秆生物炭的表面孔隙增大,形成碳骨架结构,C含量降低0.01%-20.39%,O含量增加0.27%-2.63%。酸性氧化引入了-NO2asym和-NO2sym两种新的官能团。两种秸秆生物炭,模拟化学老化后生物炭芳香度降低,亲水性和极性增加,C-C/C=C键所占比例下降,含氧官能团所占比例增加。玉米秸秆生物炭在酸碱氧化后稳定性要强于向日葵秸秆生物炭。
4.利用N2和CO2作为热解反应介质制备出的玉米秸秆生物炭的元素组成、比表面积、平均孔径变化一致,使用CO2作为热解反应介质制备出的生物炭表面官能团含量更高、种类更加丰富,含有更多的酯基、芳香组分、碳酸基团与碳水化合物,非生物老化后在元素组成、微观结构、官能团数量等方面的稳定性均强于使用N2作为热解反应介质制备出的生物炭。
5.商品玉米秸秆生物炭在野外大田中的自然老化始于表面,自然老化中生物炭发生破碎,大量氧化物颗粒富集在生物炭表面,同时形成新的孔隙,介孔结构数量降低,比表面积减小5.33-11.02 m2/g,平均孔径增大1.42-10.00 nm,C含量升高6.48%-8.61%,O含量增加0.93%-0.80%。商品玉米秸秆生物炭自然老化后表面的芳香组分含量下降,羰基、羟基等含氧官能团含量增加。
欢迎来到三峡大学图书馆！
