炭化温度对沙蒿生物炭形貌特征和化学性质的影响

沙蒿是半灌木典型沙生植物,作为制炭物料具有其特殊性,而炭化温度决定生物炭形貌特征和化学性质。通过无氧炭化法制备了不同温度(300~900℃)的沙蒿生物炭,研究了炭化温度对沙蒿生物炭形貌特征、表面官能团种类、产率变化和有机组分含量的影响。结果表明:生物炭孔径随着炭化温度的升高而增大,700℃以后生物炭结构有一定程度的破坏;生物质炭化后C–O–C、–COOH、–CH3、–CH2、–OH和C=O逐渐消失;生物炭产率随着炭化温度的升高而降低,尤其是从300℃升高至400℃产率降低最为明显,这与纤维素及半纤维素的分解有直接关系;生物炭中有机组分的C元素含量增加,由701.7 g/kg增加到899.3 g/kg,增加了197.6 g/kg;而H、O和N元素含量则逐渐降低,分别降低了21.4、171.8和6.6 g/kg;生物炭中有机组分的原子比H/C、O/C和(N+O)/C都逐渐减小。总之,生物质升温炭化过程中,炭化温度与生物炭孔径及有机组分的C元素含量呈正相关关系而与生物炭产率、生物炭中有机组分的H、O和N元素含量呈负相关关系,低温和中温炭化时生物炭保留原有的骨架结构,而高温时对其有一定程度的破坏作用,沙蒿生物质含有丰富的官能团,升温裂解过程中多数官能团消失,无机组分Si–O–Si得以保留,此外,生物质升温裂解是一个芳香性逐渐增强,亲水性和极性逐渐减弱的过程。     

热解温度对玉米秸秆炭产率及理化特性的影响

【目的】通过对不同热解温度条件下玉米秸秆炭理化特性的分析,探索玉米秸秆炭具有较高利用价值的炭化温度。【方法】以玉米秸秆为原料,采用低氧升温炭化法,在不同热解温度下 (100℃、200℃、300℃、400℃、500℃、600℃、700℃、800℃) 分别炭化2 h,制备生物炭,收集并测定了固体产物生物炭产率及特性。【结果】生物炭的产率随热解温度的升高逐渐降低。生物炭全碳含量和碳氮比随热解温度升高而升高,全氮含量在400℃以后随热解温度升高而降低。阳离子交换量 (CEC) 在400℃～600℃达到较高水平,为70.87～83.48 cmol/kg。随热解温度升高,玉米秸秆炭表面碱性含氧官能团增加、酸性含氧官能团减少,pH随着热解温度的升高逐渐增加,当温度达到400℃及400℃以上时呈碱性甚至强碱性。红外光谱分析表明,热解温度达到500℃时,纤维素和半纤维素已经完全分解;高温热解使玉米秸秆中–CH₃、–CH₂、–OH、–C=O间发生缔合或消除,促进芳香基团的形成。随着热解温度的升高,玉米秸秆炭的比表面积和比孔容均是先变大后变小,孔径先变小后变大,在400℃～600℃条件下,玉米秸秆炭的孔隙相对较为丰富,不同热解温度下玉米秸秆炭的比表面积和比孔容呈极显著正相关关系(P < 0.01)。【结论】综合各项指标,玉米秸秆的最佳热解温度为400℃～500℃,此温度下制备的生物炭产出率相对较高,氮、碳养分损失少,生物炭的理化性能和养分利用均达到最优。     

沙蒿生物质炭在沙土中的降解特征

为明确不同炭化条件下沙蒿生物质炭的有机组分、炭化过程和降解特性。于不同炭化条件下无氧炭化制备沙蒿生物质炭并进行沙地封存。结果表明:H、O和N元素的质量分数及H/C、O/C和(N+O)/C均随炭化温度的升高和炭化时间的延长呈先降低后稳定的变化趋势,升温速率对其无显著影响。而C则呈相反趋势且均在炭化温度600℃、炭化时间60 min以后基本达定值,上述指标(H、O、N、H/C、O/C、(N+O)/C和C)的稳定值分别约为29.3 g/kg、79.8 g/kg、11.2 g/kg、0.40、0.07、0.08和879.7 g/kg。生物质炭的降解速率随着炭化温度的升高、炭化时间的延长和施用量的增大而降低,其半衰期为2~12年。综上,沙蒿的炭化既是有机组分富碳、去极性官能团的过程,同时也是芳香性增强、亲水性和极性减弱的过程,施用量和炭化温度是影响生物质炭降解的决定性因素。     

不同热解温度制备的烟秆生物炭理化特征分析

分别对100 ~ 800 ℃下于马弗炉中低氧炭化制备的烟秆生物炭进行研究,分析其基础理化性质的变化。结果表明,烟草秸秆生物炭微量元素含量在热解温度为100 ~ 400 ℃时呈逐渐上升的趋势,在400 ~ 500 ℃时较为稳定;大量元素含量增加;C含量和N元素含量在100 ~ 300 ℃时逐渐增加,在400 ~ 800 ℃时先增加后下降,C/N在300 ~ 500 ℃时较为稳定。随着热解温度的升高,烟草秸秆生物炭表面水分子、甲基和亚甲基等官能团减少,C＝C含量逐渐增多;烟草秸秆生物炭的BET比表面积、孔径、比孔容均在400 ~ 500 ℃时较大。烟草秸秆生物炭的中孔较多,孔隙内部特征多为墨水瓶状孔。热解温度为400 ~ 500 ℃时,烟杆生物炭大量和微量元素含量相对较高,C/N较为稳定,孔隙结构最为复杂。     

炭化温度和时间与棉杆炭特性及元素组成的相关关系

为了揭示炭化温度和时间对生物质炭特性及元素组成的影响,以棉花秸秆为生物质炭制作原料,对比研究不同炭化温度（300、450、600℃）和时间（0.5、1、2、4、6 h）制备的棉秆炭的pH值、阳离子交换量（CEC）、电导率等特性及有机碳、氮和矿质元素含量及其间的相互关系。结果表明：棉秆炭化出炭率、棉秆炭有机碳含量随炭化温度的升高和时间的延长而降低（出炭率： 48.66%（300℃）>35.39%（450℃）>31.06%（600℃）,有机碳：564.02 g/kg（300℃）>405.94 g/kg（450℃）>259.36 g/kg（600℃）;在300℃下,pH值随着时间的延长而增大,450℃和600℃下基本保持在10.5左右;电导率随炭化温度的升高而增加,在炭化时间内变化不明显,且炭化温度300～450℃对棉秆炭的电导率影响相对较小,600℃影响较大;CEC随炭化温度的升高而降低,在300℃下随炭化时间的延长而增大,450和600℃下则降低。棉秆炭中全磷,全钾,速效钾,钙,镁含量随着温度的升高和时间的延长逐渐增加,全氮和碱解氮则相反,速效磷含量则表现出90.07 mg/kg（450℃）>60.72 mg/kg（600℃）>20.18 mg/kg（300℃）的变化趋势。炭化温度和时间与棉秆炭指标间相关分析表明,炭化温度和时间与出炭率、CEC、有机碳、全氮和碱解氮间呈负相关,与pH值、全磷、全钾、速效磷、速效钾、钙和镁含量呈正相关。综合分析,低温短时间（300℃,1～2h）制备的棉秆炭对农业利用预期效应较好,该研究结论为新疆棉秆炭的制备和农业利用提供理论依据和数据支撑。     

不同热解温度制备的水稻秸秆生物炭理化特性分析

以不同热解温度(100～800℃)制备的水稻秸秆生物炭为研究对象,研究在不同热解温度下制成的生物炭的理化特性。结果表明,热解温度为100～300℃制成的水稻秸秆生物炭呈弱酸性,400℃以上时呈碱性;水稻秸秆生物炭表面碱性含氧官能团数量随着热解温度的升高而增加、酸性含氧官能团则减少;水稻秸秆生物炭中的官能团C=C、C-O-C、-OH和-C=O在较高的热解温度下发生缔合或消除,促进了芳香基团的形成;随着热解温度的升高,水稻秸秆生物炭的阳离子交换量(CEC)、比表面积、孔径、比孔容、氮气吸附量和颗粒表面的分型维数(D1)均先增加后降低,阳离子交换量(CEC)在300～500℃时、其它性状在400～600℃之间达到最大值;以不同热解温度制成的水稻秸秆生物炭颗粒的孔隙结构均以孔隙宽度2～50 nm的中孔为主。随热解温度的升高,水稻秸秆生物炭的产率逐渐降低;400～500℃炭化2 h,生物炭产率最高,其孔隙结构最为复杂,所以可以认为400～500℃是水稻秸秆炭化的最佳温度。     

不同生物炭制备条件对重金属在秸秆生物炭中存留的影响

项目研究了重金属修复基地水稻、玉米、油菜、高粱4种修复材料秸秆的热重反应,并首次探讨了重金属修复材料在制备生物炭过程中,不同生物炭制备条件对重金属在生物炭中留存的影响。结果表明:四种秸秆热重反应变化趋势基本一致,失重主要发生在200～400℃之间,而在400～600℃区间,基本保持恒重。水稻秸秆失重率90%明显高于其他三种秸秆失重率75%。在不同终点温度条件下(350～550℃),重金属在生物炭中浓度有增加趋势,其百分比例均随温度的升高而降低,原料利用热值则在400℃最高。在不同升温速率和保温时间下,重金属在生物炭中的含量随升温速率升高和保温时间的延长而升高,生物炭得率和秸秆综合利用热值却随之下降。因此,秸秆生物炭制备过程中为获得较低重金属含量和高热值的生物炭,建议以400℃为终点温度,升温速率不宜过快,保温时间不宜过长,分别在1℃min^-1和1 h左右即可。     

不同秸秆混合生物炭对盐碱土壤养分及酶活性的影响

研究不同秸秆混合生物炭对盐碱土壤养分含量和酶活性的影响差异,为盐碱土壤改良和资源的合理利用提供理论参考。以玉米秸秆、玉米芯、芦苇分别和剩余活性污泥混合在450℃裂解得到的混合生物炭为添加材料,以内蒙古盐碱土壤为供试土壤,研究不同混合生物炭添加对盐碱土壤pH值、阳离子交换能力、养分含量及土壤脲酶活性、蔗糖酶活性、过氧化氢酶活性的影响。结果表明:不同混合生物炭表面化学官能团种类一致,含量有差异;混合生物炭的添加能够小幅度降低土壤pH值;三种混合生物炭的加入大幅度提高了土壤阳离子交换能力,且随着混合生物炭添加量的增加而增强;混合生物炭的添加显著提高了盐碱土壤的养分含量,由玉米秸秆和污泥制备的混合生物炭主要增加总磷和速效磷含量,而添加芦苇和污泥制备的混合生物炭显著提高了土壤速效钾水平;添加混合生物炭对土壤蔗糖酶和脲酶活性有显著的促进作用,尤其是高添加量(25g/kg)对2种酶的促进作用显著高于低添加量(10g/kg,20g/kg);混合生物炭对土壤过氧化氢酶活性的影响表现为中、低添加量(20g/kg,10g/kg)的生物炭对过氧化氢酶的促进作用显著高于高添加量(25g/kg)。     

不同温度下水稻秸秆多孔生物炭结构与电化学性能

针对一步热解活化技术制备的秸秆多孔生物炭的表面活性位点偏少、孔隙结构不发达和电化学性能欠佳的问题,该研究以水稻秸秆微波磷酸水热炭为前驱体,开展了500～900 ℃下多孔生物炭的制备试验,探讨了不同温度下多孔生物炭的结构及电化学性能。结果表明,随着活化温度的升高,水稻秸秆多孔生物炭产率由50.31%降低到33.47%,800 ℃多孔生物炭的C含量最高,为74.09%。多孔生物炭表面上含有的-OH、C-O-C等含O基团和吡啶氮、吡咯氮、石墨氮和氮的氧化物等含N基团,有利于其在电解质中的润湿性,降低离子转移电阻。随着活化温度的升高,多孔生物炭的碳的无序度和缺陷程度先增加后降低。800 ℃多孔生物炭的表面缺陷较多,其比表面积为1 002.20 m2/g,总孔体积最大为0.79 cm3/g,中孔体积率为45.57%。在三电极的KOH电解质体系下,800 ℃多孔生物炭电极的比电容最大,倍率性能较好,电阻较小,且其在1 A/g电流密度下的比电容为312.81 F/g。800 ℃多孔生物炭制备的对称电容器在228 W/kg功率密度下的能量密度达到10.73 W·h/kg,且在10 A/g电流密度和5 000次循环充放电后,其比电容保持率为95.82%。     

温度对玉米秸秆成型颗粒烘焙制备生物炭及其特性的影响

采用低温烘焙技术制备玉米秸秆成型生物炭,可解决玉米秸秆带来的环境污染及资源浪费。研究以玉米秸秆成型颗粒为原料,利用固定床反应器,制备了不同烘焙温度(250～400℃)成型生物炭,采用元素分析、工业分析、能量产率、质量产率、机械性能、疏水性、红外光谱(Fourier transform infrared spectroscopy,FTIR)、扫描电镜(Scanning electron microscopy,SEM)、元素K含量等分析生物炭特性。随烘焙温度升高,热值增加,能量产率降低,400℃时,成型生物炭热值为21.86MJ/kg,能量产率为50.17%。成型生物炭颗粒表面裂纹增多,机械性能降低,350℃烘焙成型生物炭(CSP350)机械性能好于400℃烘焙成型生物炭(CSP400),低于成型生物质颗。烘焙生物炭疏水性提升,可贮藏于室外。成型玉米秸秆经烘焙热解发生了脱水、脱羰基、脱甲基反应,纤维素、半纤维素热解剧烈,木质素开始热解。随温度升高,其孔径呈下降趋势,比表面积增大。结果表明,玉米秸秆成型烘焙生物炭可作为优质生物燃料,适宜制备温度为300～350℃。     

制炭温度对玉米和小麦生物质炭理化性质的影响

通过缓慢高温裂解方式生产不同温度的小麦和玉米生物质炭,并对其性质进行分析.结果显示,生物质炭性质受裂解温度和生物质种类的影响而表现出差异.当裂解温度从300℃升高到500℃时,小麦生物质炭产率从44.3％降低到38.4％,其生物质炭碳含量从617.9 g/kg升高到674.0 g/kg;玉米生物质炭产率从42.8％(300℃)降低到29.7％(500℃),其生物质炭碳含量从574.8 g/kg(300℃)升高到651.1 g/kg(500℃).生物质炭pH、灰分含量、全磷含量等也随制炭温度升高而升高,小麦生物质炭pH从7.59(300℃)上升到10.51(500℃),灰分含量从186.1 g/kg(300℃)升高到268.2 g/kg(500℃),全磷含量从0.70 g/kg(300℃)升高到1.10 g/kg(500℃);玉米生物质炭pH从9.35(300℃)升高到10.12(500℃),全磷含量从2.34 g/kg(300℃)升高到4.37 g/kg(500℃).说明制炭温度和生物质种类对生物质炭理化性质具有决定性作用.     

生物炭概念的内涵及语词辨析

多年来国内学术界对英文词汇biochar的中文应表述为"生物炭"还是"生物质炭"存在争议.本文根据逻辑学关于概念及语词、定义及划分的基本方法,试图剖析生物炭(生物质炭)概念的内涵与语词的混乱现象,澄清当前生物炭定义及划分等方面存在的逻辑问题,旨在深入理解生物炭的专业术语、促进科学知识的传播和科技成果的推广应用.     

Preface—Biochar and agricultural sustainability

Journal of Soils and Sediments -     

土壤及生物炭对草甘膦的吸附作用

为了确定生物炭修复草甘膦污染土壤的可行性,通过添加不同比例和种类的生物炭到土壤中,研究土壤对草甘膦的吸附效果。采用吸附动力学拟合、等温吸附分析、红外光谱测定分析方法。结果表明:草甘膦能强烈地吸附在红壤及稻壳炭、竹炭、竹柳炭中,相比于红壤,3种生物炭达到吸附平衡时间短。吸附动力学符合准二级动力学方程,等温吸附符合Freundlich吸附等温方程。Freundlich吸附等温方程中1/n数值均<1,表明红壤和3种生物炭对草甘膦的吸附方式是非线性吸附,且非线性程度大小为竹柳炭>竹炭>红壤>稻壳炭。生物炭添加到红壤中,可以提高红壤吸附草甘膦的量,生物炭添加比例越高,土壤吸附草甘膦的量也越高。土壤中添加生物炭比例相同时,竹炭使土壤吸附草甘膦的量最高,竹柳炭次之、稻壳炭最低。3种生物炭吸附草甘膦前后的红外光谱分析阐明了酚、胺、芳香烃、羧酸、羧酸盐、脂肪醚等在吸附过程中起重要作用。     

生物炭陈化的研究进展

有关生物炭短期效应的研究已很多,然而对于生物炭长期效应的研究还缺乏理论基础,尤其是对于生物炭陈化的研究成果更少。综合国内外现有生物炭陈化研究成果,总结生物炭陈化方法,分析陈化处理对生物炭理化性质的影响,探索陈化生物炭施入对土壤性质的影响机制,阐明现有生物炭陈化研究方法的不足,提出未来生物炭陈化研究的发展方向,以期对生物炭陈化的研究具有参考意义。     

生物质炭改良土壤及对作物效应的研究进展

生物质炭是作物秸秆等有机物质在限制供氧的条件下加热而成。生物质炭具有养分含量丰富、碱性和高稳定性等特点,因此可以降低土壤酸度,有效截留土壤养分,并在一定程度上促进养分吸收而提高作物产量。本文主要综述了生物质炭制备的影响因素及其施用后对土壤理化性质、作物生长发育和养分吸收等方面的影响。由于生物质炭在国内外的研究仍处于起步阶段,研究过程中所采取的方法、所用不同来源的生物质炭以及研究的具体对象等不尽相同,研究的结果显示生物质炭在某些方面的作用仍存在不同结论。目前,生物质炭的研究多集中在表面宏观现象上,对其深入的机理研究仍较欠缺,因此,需要科技工作者的进一步探索,文章最后阐述了未来对该领域研究的一些观点。