热解温度对生物质炭性质及其在土壤中矿化的影响

以苹果树修剪的枝条为原料,分别在300、400、500、600℃条件下热解制备生物质炭,在采用扫描电镜、红外光谱、物理化学吸附仪等手段研究其性质、结构差异的基础上,通过培养试验研究不同温度制备生物质炭的矿化特征及其对土壤有机碳组分的影响。结果表明,随着热解温度的升高,生物质炭的碳含量、比表面积及碱性官能团的含量增加,O、H及H/C、O/C和酸性官能团、总官能团的含量则降低,生物质炭的芳香族结构加强,稳定性升高。添加生物质炭可以增加土壤呼吸速率、微生物量碳(MBC)及可溶性有机碳(DOC)的含量,且随着添加比例的增加而增加,但随着热解温度的升高而降低。生物质炭的矿化率随着热解温度升高和添加比例增加而降低。利用双库模型揭示了生物质炭对土壤活性碳库、惰性碳库及其分解速率的影响。施用生物质炭后土壤有机碳的半衰期在24.09~44.76 a之间,且随生物质炭制备温度升高而增大。考虑到生物质炭制备过程中有机碳的损失,且从提升土壤有机碳含量方面考虑,500℃为制备苹果枝条生物质炭的最佳温度。     

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。     

玉米秸秆水热炭化产物特性演变分析

为了研究玉米秸秆水热炭化过程及固体目标产物特性的演变规律,在高温高压反应釜中,进行反应温度为180~290℃、停留时间为8 h的水热炭化实验研究。研究发现,随反应温度的升高,玉米秸秆固体水热焦产率从180℃时的71%逐渐下降至290℃时的36%,而C质量分数从玉米秸秆原料中的44.86%增加至72.36%,O质量分数从原料中的44.2%下降至15.36%,明显提高了其能量密度。至290℃时,水热焦的H/C和O/C原子比分别为0.88和0.16,接近于煤的H/C和O/C原子比,高位热值高达29.79 MJ/kg。水热焦中特征官能团随温度升高而减少,而C=C、C=O和芳香特征峰红外吸收逐渐增强,同时热重分析表明水热焦热稳定性逐渐提高。元素组成和傅里叶红外光谱分析表明玉米秸秆经水热炭化处理,低于230℃时主要经历脱水和脱羧反应,而高于230℃以后,以缩聚反应和芳香化为主。     

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。     

秸秆水热生物炭燃烧特性评价

为推动水热生物炭燃料化利用,以不同水热炭化温度（200、240、280、320、360℃）下得到的小麦秸秆水热生物炭为原料,利用生物炭化学组成、动力学参数、燃烧指数对水热生物炭燃烧特性进行了评价,并研究了水热炭化温度对燃烧特性的影响。研究结果表明,随着水热炭化温度由200℃增加到360℃,由于脱水、脱羧反应的发生,水热生物炭的燃料比由0.34增加到1.2,O/C和H/C物质的量比分别由0.5、1.17降至0.07、0.67,水热生物炭的煤化程度升高;水热生物炭在低温段、高温段的活化能分别由14、67kJ/mol增加到41.4、76.5kJ/mol,水热生物炭燃烧反应活性降低;无量纲燃烧指数Z由3.49×10-2降至6.64×10-3,表明燃烧反应活性降低,这与化学组分和表观活化能的评价结果一致,指数Z可用于衡量水热生物炭的燃烧活性。     

秸秆生物质旋转床反应器热解载气试验

为研究旋转床反应器在不同载气条件下的秸秆生物质热解影响,在无载气、以尾气作为载气、以N2作为载气的情况下,进行了秸秆生物质在旋转床反应器中的热解反应。分别收集了生物炭、生物油以及合成气,进行了产量测算;对生物炭进行了热值与元素分析,对生物油进行了热值、含水率和元素分析;分析了合成〖JP2〗气有机物组成与含量。结果表明：通尾气能够减少生物炭产率,增加生物油产率,并且生物炭的热值、含碳量较高,分别为22.99MJ/kg、51.24%;生物油的含水率降低30.45%、有机物质量分数升高11.11%,但是生物油的热值下降,合成气中轻质有机物质量分数最高,为67.04%;尾气能够更加快速带走热解气或者参与热解的二次反应,生物质反应最充分,能够增加H的活性,减少水含量,但是无法去除氧元素,氧元素保留在生物油中;通N2能够减少生物炭产率,增加生物油产率,并且生物炭的热值较高,为22.28MJ/kg,含碳量较高,为55.86%,生物油的含水率和有机物含量变化不大,但是生物油的热值升高到12.25MJ/kg;合成气中轻质有机物质量分数最小,为64.07%;通N2能够减少热解二次反应的发生,热解气能够快速离开反应器。     

生物质连续式分段热解炭化设备研究

针对目前连续式炭化设备的热解温度场难以梯级调控,不能满足多种热解温度工艺试验要求,采用分段式加热技术,设计了5段独立热解炭化炉,并结合连续式输送原理,集成生物炭循环水冷技术、热解气二次催化裂解技术和油气二级冷凝分离技术等,研发了连续式分段热解炭化设备。以粉碎的玉米秸秆为原料开展了热解炭化试验,结果表明,本炭化设备实现了连续炭化和分段加热,当5段炉温设为550℃、600℃、600℃、600℃、550℃时,生物炭得率29.97%,低位热值26.21 MJ/kg,固定碳含量55.63%,热解后的油气能较好地实现分离,达到了设计要求,实现了生物质的分段控温加热和连续热解。     

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。     

棉秆炭吸附糠醛机理研究

以不同热解温度(400℃、600℃、800℃)制得棉秆炭(棉-400、棉-600、棉-800),研究热解温度对棉秆炭孔隙特征与表面性质的影响,以及棉秆炭对糠醛的吸附特性。结果表明:棉-400表面含有大量有机基团,孔隙结构较差;随着热解温度的提高,含氧有机成分进一步分解,棉秆炭表面酸性官能团逐渐减少,而类吡喃酮结构的碱性官能团不断增加,孔结构得到改善;棉秆炭中氢碳摩尔比、表面酸碱官能团含量是影响其对糠醛吸附的主要因素;随着炭化程度的提高,酸性官能团含量减少,碱性官能团含量增加,使得棉秆炭表面石墨层与糠醛分子间的π-π色散力作用增强,所以棉-800对糠醛脱除率最高。     

基于炭气原位耦合重整的秸秆热解设备的研制

针对当前生物质热解炭化设备存在产物质量较差、能量损耗严重等问题，采用多级布风搅拌和气体回流重整等方法，提出生物质炭气原位耦合重整工艺路线，并对炉体、压实机构和多级布风搅拌出料机构进行设计，研发立式移动床生物质炭化设备。以花生壳为原料开展热解炭化试验，结果表明，原料处理能力1312 kg/h，生物炭得率27.8%，热解气热值6.3 MJ/m3，焦油转化率71.3%，各项性能指标均达到设计要求。      

水气双向分离式生物质连续热解中试设备的研制

针对现有生物质热解设备存在的热解气中水分含量高及设备密封性差等问题,结合农业废弃物原料特征,提出了水气双向分离热解工艺方案,在此基础上,对水气双向分离热解反应器、进料和冷却出炭装置进行了专门设计,开发了水气双向分离式生物质连续热解中试设备。设备运行检测结果表明,以玉米秸秆为原料,原料处理能力27.6 kg/h,生物炭得率32.2%,热解气产率0.41 m3/kg,热解气热值15.3 MJ/m3,热解气含水率6.82%,各项技术指标均达到设备设计目标与要求。该中试设备的开发为设备示范应用提供了基础支撑。      

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。     

谷朊粉颗粒热风干燥动力学模型及水分迁移规律

为了探究谷朊粉颗粒热风干燥过程中的干燥特性及水分迁移规律，开展了谷朊粉颗粒2因素3水平全因素热风干燥试验，考察不同干燥温度（50、60、70 °C）和颗粒厚度（4.24、9.15、15.52 mm）下的干燥特性，运用低场核磁共振技术分析了干燥过程中的水分迁移规律，并建立干燥动力学模型和水分预测模型。结果表明:谷朊粉颗粒干燥速率和水分比随温度升高而显著降低（P＜0.05）；有效水分扩散系数随温度升高和颗粒厚度增加而增大。决定系数（R2）、离差平方和（\begin{document}$ {\chi }^{2} $\end{document}）、均方根误差（RMSE）计算结果表明，Modified Page薄层干燥模型对谷朊粉颗粒的干燥试验数据具有较高的拟合精度，而且建立了模型参数（k、n）与干燥温度（T）、颗粒厚度（H）的回归模型（R2＞0.926）。低场核磁共振横向弛豫时间（T₂）反演谱显示，随干燥时间的增加，各水分峰面积逐渐减小，而且峰位置逐渐向结合水靠近，并建立了含水率（M）与干燥时间（t）、颗粒厚度（H）、干燥温度（T）、弛豫反演图谱总峰面积（A）之间的回归关系，结果表明预测效果较好（R2=0.933）。研究结果可为谷朊粉颗粒干燥工艺提供参考。      

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。      

黄金榕枝干物理力学特性参数研究

为给黄金榕切割机构设计提供一定的理论依据及建立黄金榕有限元力学模型,需要研究黄金榕力学性能参数。以黄金榕枝干为试验材料,测量其含水率,并对其进行径向压缩、轴向压缩、三点抗弯和抗剪试验。结果表明:枝干稍部、上部和中部的径向平均抗压弹性模量依次为65.27、80.01和118.30 MPa;枝干轴向平均抗压弹性模量依次为20.64、22.78和26.72 MPa;枝干平均抗弯弹性模量依次为120.10、180.34和221.56 MPa;枝干中部最小抗剪强度为5.60 MPa,最大抗剪强度为16.95 MPa。研究发现,同一部位的枝干所能承受的最大载荷随含水率增加而减小,因此在设计绿篱机时可增设洒水装置,或在黄金榕具有一定湿度时进行修剪。      

不同豆腐废水添加量下芦苇秆水热焦燃烧特性研究

为研究豆腐废水添加量对生物质水热碳化行为的影响,以芦苇秆为原料,纯水溶剂为参照,在反应温度250℃、停留时间240 min、液固比5~30条件下进行了水热碳化实验,分析了水热焦元素组成和燃烧特性的变化规律。结果表明,随着液固比的增加,豆腐废水溶剂中水热焦产率从49.27%增至63.53%,而纯水溶剂中水热焦产率从46.30%下降至38.30%,两者变化趋势相反;豆腐废水中水热焦的C和N质量分数变化范围分别为68.35%~70.30%和1.48%~3.26%,高于纯水中水热焦的相应参数,且随着液固比增加,豆腐废水中水热焦的C和N质量回收率增加;豆腐废水促进了芦苇秆的脱羧反应,水热焦H/C原子比和O/C原子比均与褐煤相近,高位热值最高为29.53 MJ/kg,能量密度约为1.80,能量回收率从0.85增至1.17,而燃料比从1.09减小至0.78。在液固比不大于10时,豆腐废水溶剂中的芦苇秆水热焦有与纯水溶剂水热焦相近的燃烧特性,其燃烧性能良好。     

桦褐孔菌复合饮料配方优化及抗氧化能力评价

以桦褐孔菌为原料,经超声波辅助方法提取了多糖及三萜类物质,通过单因素和多因素试验优化了桦褐孔菌复合饮料的配方,并以DPPH自由基清除率为指标评价了桦褐孔菌复合饮料的抗氧化能力。试验结果表明:桦褐孔菌提取液多糖含量为2.5 mg/mL,三萜含量为248 μg/mL;桦褐孔菌复合饮料的最优配方为桦褐孔菌提取液35%、白糖10%、明胶0.4%、柠檬酸0.2%、茉莉花茶提取液5%,该配方制得的桦褐孔菌复合饮料对DPPH自由基清除率为52.12%。桦褐孔菌复合饮料呈焦糖色、澄清无沉淀,具有桦褐孔菌特有的风味和清淡的茉莉花香味,无其他异味,具有较好的稳定性和抗氧化活性,是一款具有较好市场发展前景的功能性饮料。      

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。     

基于载La半焦基催化的松木热解试验

采用浸渍法,以松木热解半焦为载体,制备了载La半焦基催化剂,利用自行设计的两段式生物质催化热解固定床反应系统进行松木燃料棒催化热解试验,研究不同重整温度下载La半焦基催化剂对生物质热解气、焦油、焦炭三相产物的影响规律.通过气体组分的变化、焦油FTIR谱图的变化以及催化剂SEM、XRD表征特性测试,探讨载La半焦基催化剂...