猪粪和猪粪渣生物炭理化性质及镉吸附性能研究

为研究不同处理方式对生物炭理化性质、表征及镉吸附性能的影响,以猪粪、猪粪渣为原料,采用2种不同的前处理方式(热解前、后过筛),分别于300~700℃制备生物炭,通过SEM、XRD和FTIR对其进行表征并分析其理化性质,探讨不同处理生物炭理化性质及镉吸附能力之间的相关关系。随着热解温度的升高,生物炭的产率、H/C减小,pH值、灰分含量、BET比表面积增加。猪粪生物炭的化合物的种类比猪粪渣生物炭复杂,且在热解温度较高时(500~700℃),猪粪生物炭镉吸附量(最大吸附量为36.4 mg/g)显著高于猪粪渣生物炭(最大吸附量为23.5 mg/g);4种不同处理生物炭的产率与灰分含量呈极显著的负相关关系,与H/C比值呈显著的正相关关系,灰分含量也与pH值有较强的正相关关系;生物炭的镉吸附量关键因子是H/C,其次是BET比表面积、灰分含量、O/C等。     

慢速热解条件下生物炭理化特性分析

生物炭可以作为优质燃料、土壤改良剂以及生物有机肥料等,不同用途的生物炭特性差异较大。为此,针对在慢速热解条件下产生的生物炭特性,如固定碳、热值、比表面积、孔隙等进行分析,得出温度是影响生物炭理化特性最重要参数,升温速率、滞留时间等对各特性也有一定影响。同时,结合目前各种类型热解设备综合比较认为:窑式热解设备适合生产质量不高、固定碳含量较高的生物炭;固定床式热解设备根据加热方式不同可以生产各种生物炭,适应范围较广;移动床式热解设备适合生产固定碳、比表面积较高的生物炭。另外,现有各设备在结构参数、自动控制方面、生物炭冷却方面还有待提高,设计出规模化、自动化的成套设备是未来的发展趋势。     

秸秆水热炭与热裂解炭结构表征及铅吸附机制研究

以玉米秸秆为原料,在不同温度下（280℃和320℃）,分别采用水热炭化法和热裂解炭化法制备秸秆水热炭和热裂解炭,对比分析了两种生物质炭的结构差异,并结合等温吸附模型和吸附动力学模型研究了秸秆水热炭和热裂解炭对铅离子的吸附机制。结果表明：随着反应温度的升高,水热炭的脱氢效果更显著,形成了无序的晶体结构及丰富的表面含氧官能团;热裂解炭的脱氧效果更显著,其表面含氧官能团较少,且形成了有序的晶体结构。水热炭的孔隙率先增大、后减小,呈现致密、平滑的表面形貌;热裂解炭的孔隙率持续增加,具有显著的中孔结构特征,呈现粗糙多孔的表面形貌。秸秆水热炭和热裂解炭分别在4h和10h达到吸附平衡,理论平衡吸附量分别可达214.16mg/g和133.99mg/g。秸秆热裂解炭对铅离子吸附符合准一级动力学模型和Freundlich等温吸附模型,表明其吸附反应为多分子层吸附过程;而秸秆水热炭对铅离子吸附符合准二级动力学模型和Langmuir等温吸附模型,表明其吸附反应为单分子层吸附过程。结合两种生物质炭的结构特征可知,热裂解炭主要依靠铅离子在其孔隙内的扩散运动进行物理吸附,其中大尺寸中孔的存在更有利于铅离子克服空间障碍进入孔隙,但吸附能力相对较弱,且容易脱附。络合反应是水热炭脱除水中铅离子主要机制,即含氧官能团与铅离子结合形成络合物的化学吸附,其吸附能力较强,且不容易脱附。     

硝酸改性秸秆水热炭结构表征与铅吸附机制研究

以玉米秸秆为原料,采用不同质量分数（10%和30%）的硝酸溶液在水热炭化前、后对样品进行改性处理,结合理化结构表征以及等温吸附模型、吸附动力学模型的拟合结果,探究了硝酸改性秸秆水热炭对铅离子的吸附机制。结果表明,经硝酸改性处理的秸秆水热炭均会形成丰富的含氧基团,水热炭化前,经HNO3改性的秸秆炭（10%N-JG和30%N-JG）呈现粗糙多孔的表面形貌和发达的中孔结构,并形成了三维无序的大尺寸微晶结构;水热炭化后,经HNO3改性的秸秆炭（JG-10%N和JG-30%N）产生了大量分布均匀、尺寸相近的微孔,并形成了三维有序的小尺寸微晶结构。通过对比发现,10%N-JG和30%N-JG对铅离子吸附效果最优,分别在3.5h和3h达到吸附平衡,理论最大吸附量可达247.51mg/g和280.09mg/g。10%N-JG和30%N-JG均符合准一级、准二级动力学模型以及Freundlich等温吸附模型,说明物理扩散和化学吸附在铅离子吸附过程中的作用同等重要。研究发现,秸秆水热炭主要依靠含氧官能团的化学吸附作用脱除水中的铅离子,其发达的中孔结构更有利于铅离子进入颗粒内部,增大了内部孔道上含氧基团对铅离子的捕捉机率,从而保证了水热炭对铅离子的高效吸附。     

柠条生物炭结构与表征

生物质炭化过程结构变化可以通过有机元素含量和官能团加以表征。以柠条为试验对象，分析柠条生物质原料，以及分别在200、300、400、500和600 °C温度下炭化处理得到的生物炭中C、H、O、N和S共5种有机元素的含量变化，研究了生物炭有机元素在热裂解过程中的变化规律；分析原料和不同温度下生物炭官能团的组成，研究了热裂解温度对生物炭结构的影响。结果表明，随着炭化温度的升高，C元素含量增加，H和O元素含量均显著下降，N和S元素含量则基本保持不变，H/C和O/C物质的量比均下降。有机官能团的变化表明，随着炭化温度的升高，生物炭逐渐由线型多糖向稠环芳烃结构转变，最终形成类似于石墨烯的结构。      

不同炭化温度和时间下牛粪生物炭理化特性分析与评价

高含水率是牛粪现有处理方式的限制性因素之一。水热炭化技术不受牛粪高含水率的限制,是安全处置与资源化利用牛粪的极具潜力的技术措施之一。将新鲜牛粪在190℃和260℃下水热炭化处理不同时间(1、6、12h),收集并测定生物炭性质,并用熵权TOPSIS模型评价其农学应用价值。结果表明,牛粪生物炭理化性质因炭化温度和时间而异。炭化温度从190℃升高到260℃,反应时间由1h延长至12h,牛粪生物炭碳、全磷、全钾含量分别增加17.88%、39.06%和85.19%,而产率、氢与碳原子比、氧与碳原子比、氧氮与碳原子比、铵态氮含量、交换态磷含量和交换态钾含量则分别降低26.65%、24.00%、68.42%、64.29%、98.91%、89.26%和42.30%,炭化程度显著提高。牛粪生物炭红外谱图官能团吸收峰位置变化较小,随着炭化温度升高和时间延长,含氧官能团吸收峰强度降低,金属-卤素化合物吸收峰强度增加。提高炭化温度,延长反应时间,牛粪生物炭表面电荷量及其pH值依变性减弱,比孔容和比表面积也降低。整体而言,炭化温度对牛粪生物炭性质影响大于反应时间。低温短时间处理制备牛粪生物炭的农学应用潜力较大,更适宜作为土壤调理剂。     

不同活化剂活化木质素基活性炭选择吸附分离CH_4/CO_2的性能比较北大核心

文章以糠醛渣为原料,分别采用CO_2,H_3PO_4和KOH活化,通过正交实验,确定了各活化法下获得最大比表面积活性炭的工艺和样本;并对3种不同活化方式下获得的活性炭样本进行了选择性吸附分离CH_4和CO_2的实验研究。实验结果表明,CO_2活化和H_3PO_4活化可以制备出微孔居多,但中孔也占一定比率的活性炭,选择性吸附分离CH_4和CO_2效果更好。而KOH活化制备出的活性炭样本基本为纯微孔活性炭。     

温度对生物质三组分热解制备生物炭理化特性的影响

以纤维素、木聚糖和木质素为研究对象,利用真空气氛炉热解制备生物炭,探究温度对生物质三组分热解制备生物炭理化特性的影响规律,为生物炭的性能调控和机理研究提供理论依据。结果表明:纤维素和木聚糖的热解温度范围主要集中在300~500℃,纤维素生物炭产率由35.38%下降至20.93%,木聚糖生物炭产率由46.28%下降至29.40%,木质素热解温度范围主要集中在300~600℃,木质素生物炭产率由81.22%下降至51.53%;热解温度对生物质三组分制备生物炭的C、H、O、N元素含量的影响规律基本相同,即C元素含量逐渐升高,H、O、N元素含量逐渐降低,C元素质量分数分别由69.42%、72.92%、54.75%升至96.39%、77.26%、67.97%;热解温度对生物质三组分制备生物炭的灰分、挥发分、固定碳和热值的影响规律基本相同,即挥发分逐渐降低,而灰分、固定碳和热值均逐渐升高,挥发分分别由50.67%、44.89%、39.99%降至7.63%、5.52%、14.41%,固定碳分别由47.95%、55.03%、35.41%升至90.18%、94.11%、53.70%,热值分别由25 652.58、26 681.81、21 173.29 k J/kg升至34 602.52、33 965.15、24 142.62 k J/kg;热解温度对木质素生物炭的比表面积和孔径分布影响明显,对纤维素和木聚糖生物炭的影响较小,500℃时纤维素和木聚糖达到最优的比表面积和微孔体积,600℃时木质素达到最优的比表面积和微孔体积;热解温度在500℃时,纤维素和木聚糖制备的生物炭达到最大的碘吸附值,纤维素生物炭碘吸附值为422.46 mg/g,木聚糖生物炭碘吸附值为115.06 mg/g,热解温度在600℃时,木质素制备的生物炭达到最大的碘吸附值,为460.35 mg/g。     

微波预处理对水稻秸秆糖化率与成分和结构的影响

利用微波辐照对水稻秸秆进行预处理,研究了优化条件下以水为媒介的微波辐照对秸秆酶解糖化率及酶吸附能力的影响。通过预处理前后秸秆主要化学成分的变化,以及FTIR、XRD和AFM对其表面形貌结构的表征,研究了微波促进水稻秸秆酶解的机制。结果表明:微波辐照可以破坏水稻秸秆表面特殊的"角质-双硅层"结构和木质素-半纤维素复合体,去除部分硅和木质素含量,因此能有效减少秸秆对酶的吸附,同时提高纤维素酶的酶解效率。     

生物炭吸附水体中重金属机理与工艺研究进展

生物炭因其良好的表面特性和孔隙结构,广泛的原料来源和广阔的产业化发展前景,已成为当今环境、农业和能源等领域的研究热点。针对生物炭对水体重金属的吸附研究,本文基于生物炭原料和制备工艺的多样性,综合分析了国内外生物炭重金属吸附机理的研究成果,详细阐述、分析了5种吸附作用机制(物理吸附、静电作用、离子交换、络合反应和化学沉淀)及其相关表征手段;同时评述了吸附工艺条件和重金属种类对生物炭吸附重金属的影响;指出生物炭重金属吸附领域未来的研究中,应开展针对重金属吸附的生物炭原料特性及吸附产物的多维、微纳尺度表征方法研究。     

基于近红外光谱的土壤氮含量模型及生物炭对土壤光谱的影响

采集添加生物炭的土壤（标记为ABS）和不添加生物炭的土壤（标记为CS）,获取其近红外光谱,通过预处理算法和偏最小二乘法（partial least squares,PLS）建立两种土壤氮含量预测模型。试验结果显示,CS和ABS分别经过Baseline和Smoothing预处理的预测模型效果最好,定向系数（determination coefficient,R2）分别为0.913和0.753,预测均方根误差（root mean square error of prediction,RMSEP）分别为0.093和0.753,利用近红外光谱可对两种土壤氮含量建模预测。研究了生物炭对土壤光谱及建模的影响,结果表明,添加生物炭会改变土壤成分含量,使近红外光谱和建模不同于普通土壤,而联合建模可减小差异的影响,取得较好的预测效果,联合建模结果显示,经过Smoothing预处理的预测效果最好,R2为0.907,RMSEP为0.086。      

金属盐添加剂对生物质微波热解特性的影响

采用微波热解反应器系统与气相色谱和质谱分析仪以及等温吸附仪等研究了NaCl、K2CO3、MgCl2的添加对农业废弃物棉秆微波热解特性的影响.结果表明,3种金属盐添加剂均使液体产物产率下降,固体产物产率增加,且添加剂的加入对简化生物油组分以及提高生物油品质效果显著,产物中酚类物质含量明显降低,乙酸的相对含量由11.87％提升至37.57％,固体焦炭的表面孔隙结构也得到了明显改善.     

施加生物质炭对盐渍土土壤结构和水力特性的影响

以江苏省沿海围垦区盐渍土为研究对象,基于Micro-CT图像扫描技术,分析施加生物质炭后改良盐渍土土壤孔隙度、土壤水分特征曲线以及非饱和导水率等土壤特性的变化,并建立分形模型预测土壤水力性质,以此揭示施用生物质炭对于海涂围垦区盐渍土土壤结构和水力特性的影响。试验设置0、2%、5%(与表层0～20 cm土壤质量比) 3个生物质炭添加水平,重复3次。结果表明:施加5%生物质炭显著降低盐渍土土壤容重,增加土壤总孔隙度和大孔隙度;大于0. 25 mm水稳性团聚体质量分数显著增加,增加土壤孔隙分形维数;提高土壤饱和含水率和饱和导水率;结合Micro-CT图像扫描技术和孔隙分形理论预测改良盐渍土土壤水分特征曲线和非饱和导水率,预测效果精度高,能够用于实际问题的研究。     

生物炭施用模式生态效益与经济效益耦合协调度研究

为探究黑土区坡耕地不同生物炭施用模式的生态效益、经济效益以及二者的耦合协调度,以东北黑土区3°坡耕地径流小区为研究对象,设置不施加生物炭的常规处理（C0）和生物炭施加量分别为25t/hm2 (C25)、50t/hm2 (C50)、75t/hm2 (C75)、100t/hm2 (C100)5个处理,于2015—2018年开展试验研究,采用熵值法和耦合协调度模型测算不同生物炭施用模式的生态效益、经济效益以及二者的耦合协调度。结果表明：生物炭能够有效改善土壤结构、增强土壤肥力、提高土壤蓄水保土能力,连续施用2年、施炭量为50t/hm2时,生物炭的生态效益最佳。同时,生物炭能够有效提升作物节水增产性能,提高生物炭的收益和利用效率,施炭1年、施炭量为75t/hm2时,生物炭的经济效益最佳。耦合协调度测算结果表明,施用生物炭能有效改善生态效益与经济效益的阻抑程度,黑土区最佳的生物炭施用模式为连续施用3年、施炭量为50t/hm2,此时生物炭的生态效益指数与经济效益指数均较高且二者的协调度达到最佳,分别为0.6849、0.6345、0.5741。研究结果可为黑土资源的高效利用以及黑土区实际生产提供理论依据。     

杨木炭对东北黑土吸附猪粪沼液氮素特性的影响

为探究杨木炭对东北黑土吸附猪粪沼液氮素特性的影响,明晰其吸附机理,选取杨木炭和壤质、砂质两种黑土,以活性炭作为标准比较炭,系统研究活性炭、杨木炭的粒径及添加比例、初始质量浓度、振荡时间、温度对黑土吸附、解吸猪粪沼液中氨态氮、硝态氮特性的影响规律,并拟合等温吸附模型和吸附动力学模型。结果表明:黑土对猪粪沼液氮素的吸附能力随着活性炭和杨木炭粒径的减小、添加比例的增加而显著增加;当粒径为0. 25 mm、添加比例10%时,添加杨木炭的黑壤土和黑砂土的氨态氮、硝态氮的吸附量为224. 8、107 mg/kg和212. 4、104 mg/kg,比空白纯黑壤土和黑砂土提高388. 7%、296. 3%和453. 13%、333. 33%,比添加活性炭的黑壤土和黑砂土降低19. 71%、10. 08%和12. 38%、7. 14%,但添加杨木炭比添加活性炭对吸附平衡后沼液中氨态氮、硝态氮浓度变化影响的差异均不超过2. 5%;添加活性炭黑土、杨木炭黑土、空白纯黑土和纯炭对猪粪沼液中氨态氮的吸附过程为吸热反应,而对硝态氮的吸附过程为放热反应,且所有吸附过程均经历快速、缓慢、趋于平衡3个阶段,硝态氮快速吸附的时间更短; Freundlich、Langmuir模型和准二级模型均能较好描述其等温吸附过程和吸附动力学过程,Freundlich模型比Langmuir模型相对更优,吸附反应过程同时存在不均匀的多分子层表面物理吸附和均匀的单分子层化学吸附;添加活性炭、杨木炭黑土对沼液中氨态氮、硝态氮的吸附量越大,解吸率也越大,但解吸量远小于有效吸附量,添加杨木炭的黑壤土和黑砂土对氨态氮、硝态氮的有效吸附量比添加活性炭的黑壤土和黑砂土减少14. 57%、9. 19%和5. 34%、5. 74%。杨木炭在提高黑土对猪粪沼液氮素的吸附能力、减少猪粪沼液氮素损失方面的效果优良,可为杨木炭和猪粪沼液在东北黑土改良方面的深入研究提供理论依据。     

秸秆生物炭对玉米农田温室气体排放的影响

通过大田试验,采用静态暗箱-气象色谱法研究玉米农田不施生物炭(C0),施生物炭分别为15 t/hm2(C15)、30 t/hm2(C30)和45 t/hm2(C45)后温室气体(CO_2、CH_4和N_2O)的排放特征,并估算CH_4和N_2O的综合增温潜势(GWP)及排放强度(GHGI)。结果表明:添加生物炭显著降低CO_2和N_2O的季节累积排放总量,与C0处理相比,CO_2最大降幅为24.6%(C15),N_2O最大降幅为110.35%(C45),且其随着生物炭施用量的增加而降低;CH_4的季节累积排放总量由小到大依次为:C15、C30、C0、C45,其中,C15处理较C0处理降低幅度最大为259.62%,添加生物炭同时也降低CH_4和N_2O的综合增温潜势(GWP)及排放强度(GHGI),处理C15、C30和C45的GWP值较对照C0分别降低88.2%、123.2%和109.9%,GHGI分别降低88.86%、121.60%和100.03%。施用适量的生物炭可以有效增加玉米产量,处理C15、C30和C45的增幅分别为6.28%、7.27%和1.69%。处理C30显著降低CH_4和N_2O的综合增温潜势及其排放强度,并且产量的增幅最大。因此,在当前玉米农田管理措施下,生物炭施用量为30 t/hm2时可实现玉米增产和固碳减排的目标。     

棉秆生物炭去除水中Zn(Ⅱ)的试验研究

为探究棉秆生物炭(棉秆炭)对重金属Zn(Ⅱ)的去除作用,利用水平管式炉分别在400℃、500℃、600℃热解温度下制备棉秆炭,进行Zn(Ⅱ)的吸附试验。对比棉秆炭、木质和煤质活性炭对不同浓度溶液中Zn(Ⅱ)的去除效果。分析棉秆炭的元素含量和官能团变化等性质,以揭示吸附机理。结果表明,棉秆的DTG曲线在327℃出现最大值,温度高于600℃时,DTG曲线趋于稳定,棉秆的热解基本完成。随热解温度的升高,炭产率、H/C和O/C元素比均下降,说明棉秆炭芳香化程度和碱性增强,含氧极性官能团数量减少,红外分析印证了以上结论。去除率上,棉秆炭与Zn(Ⅱ)初始浓度和热解温度负相关,木质活性炭与Zn(Ⅱ)初始浓度正相关;吸附量上,棉秆炭、木质和煤质活性炭与Zn(Ⅱ)初始浓度正相关,棉秆炭与热解温度负相关。当Zn(Ⅱ)溶液浓度为2 mg/L时,棉秆炭的吸附性能优于木质和煤质活性炭,当Zn(Ⅱ)溶液浓度为10 mg/L、50 mg/L时,木质活性炭的吸附性能优于棉秆炭和煤质活性炭。棉秆炭吸附Zn(Ⅱ)的机理包含配位反应和离子交换。