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。     

高固厌氧消化后的秸秆沼渣与褐煤共制备生物质型煤研究

生物质是可再生能源,合理利用生物质资源,不仅可以实现二氧化碳减排,还可以产生能源。文章以高固厌氧消化(HS-AD)后的秸秆沼渣和褐煤为研究对象,采用中心复合实验设计对影响沼渣型煤的工艺条件进行分析,最后对成型后的生物质型煤进行热重分析,以考察其作为燃料的燃烧特性。结果发现,如果对沼渣型煤的抗压强度要求为700N,最优工艺条件为成型温度为145℃,沼渣含量为23%,保压时间为120s。热重研究发现,生物质型煤热解过程表现为4个阶段,在第3个阶段,生物质型煤发生大规模热解,其中沼渣型煤的质量减少量在20%~30%,玉米秸秆型煤的质量减少量在30%~40%。升温结束后,沼渣型煤和玉米秸秆型煤的质量减少量分别为35%~45%和45%~55%。生物质型煤热解过程为褐煤与生物质的分阶段热解过程,与生物质和褐煤单独热解相比,其特征温度有偏差,在热压处理后褐煤与生物质热解过程可能存在协同作用,有助于褐煤转化。     

玉米秸秆与小麦秸秆共热解特性试验研究

针对当前多原料混合共热解特性研究不清的问题,采用量大面广的玉米秸秆与小麦秸秆进行共热解试验。通过设定不同的炭化温度、升温速率、保温时间以及原料掺混比进行四因素三水平试验,分析不同工艺条件下的生物炭比表面积、固定碳含量、生物炭得率、热值和SEM等指标。结果表明:在炭化温度为550℃、升温速率为2℃/min、保温时间为45min、玉米秸秆与小麦秸秆掺混比为3∶7时,比表面积、固定碳含量、生物炭得率、热值四项指标综合较优。该研究可为生物质共热解工艺优化和设备开发提供参考。     

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。     

生物炭添加对鸡粪厌氧消化产气特性的影响

在(35±1)℃条件下,采用序批式厌氧消化工艺进行了L9(33)正交试验,以生物炭添加量、生物炭粒径和接种量为因素探索生物炭添加对鸡粪厌氧消化产气特性影响,得出了鸡粪添加生物炭厌氧消化产气的最佳工艺组合。结果表明,各因素对鸡粪厌氧消化产沼气特性的影响从大到小依次为:生物炭添加量(极显著)、生物炭粒径(不显著)、接种量(不显著)。最佳处理组合总固体产气率为345.96 m L/g,挥发性固体产气率为420.62 m L/g,比对照组提高了45.24%。生物炭粒径对甲烷体积分数有极显著影响。     

沼渣水热炭添加对猪粪中温厌氧消化的促进作用

为探明沼渣水热炭添加对猪粪中温厌氧消化产气的影响,该研究以190℃水热炭化制备的猪粪沼渣水热炭(H-190)为研究对象,采用批次发酵实验,探讨H-190添加对猪粪中温(37℃)厌氧消化产气特性的影响。结果表明,TS=4.0%的猪粪中温厌氧消化系统中,添加H-190后系统的平均产气量和产甲烷量分别为313.07和191.35 m L·g~(-1)VS,较纯猪粪处理提高了29.81%和26.22%;而TS=8%的体系中,添加H-190后,二者分别为233.59和145.00 mL·g~(-1)VS,较纯猪粪处理提高了12.08%和13.39%。添加H-190可提高TS=4%猪粪中温厌氧发酵系统的消化效率,缩短厌氧消化的延滞期,但对TS=8.0%的系统则相反。沼渣水热炭优良的表面特性是缓解猪粪厌氧消化过程中中间代谢物质的抑制、促进微生物间的电子传递、提高系统消化产气和产甲烷的主要原因。该研究对养殖场粪污厌氧消化高效处理具有工程指导意义。     

生物炭介导的鸡粪厌氧消化产甲烷工艺参数优化

为探究生物炭介导的鸡粪厌氧消化产甲烷最优工艺参数,在前期试验的基础上,以鸡粪添加量、生物炭添加量和碳氮比为参数,在(35±1)℃条件下进行了生物炭介导的鸡粪序批式三因素二次旋转组合厌氧消化试验。以单位挥发性固体(VS)累积产甲烷量为评价指标,通过响应面法获得单位VS累积产甲烷量随三因素变化的二次回归模型。结果表明:回归模型拟合性较好,能较好描述单位VS累积产甲烷量随鸡粪添加量、生物炭添加量和碳氮比变化的规律。通过对模型工艺参数寻优,得到最优工艺参数为鸡粪添加量14.35 g、生物炭添加量4.97%、碳氮比22.02,此条件下单位VS产甲烷量为283 m L/g,为生物炭介导的鸡粪厌氧消化工程应用提供了参考依据。     

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。     

沼气工程残余物资源化利用研究

沼气规模化与工业化生产在解决能源问题的同时也产生了大量的发酵残余物沼液沼渣,国内外现有的沼液沼渣处理和利用方式不能及时、高效地消纳沼气工业化生产过程中所产生的大量沼液沼渣,由此产生了资源浪费和二次污染问题,已制约了沼气工业的发展。沼液沼渣富含植物生长所需的营养物质,是一种优质的有机肥。农田沼液沼渣暗灌工艺可快速、高效和大量地利用沼液沼渣,实现沼液沼渣的资源化利用。     

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。     

飞灰添加量对沼渣、牛粪共堆肥的影响

为改善沼渣、牛粪共堆肥低磷和低钾等问题，向共堆肥肥堆中添加生物质飞灰，对堆肥过程中堆体理化特性进行分析。选取飞灰添加量为8%、12%、20%和25%，按四分法每10天取样记录含水率、电导率、总碳、总氮、总磷和总钾等变化，分析研究飞灰添加量对沼渣、牛粪共堆肥的影响。结果表明：当飞灰的添加量由8%增加到25%，堆体的含水率增加，但是当添加量超过12%时，对含水率影响不大，最终维持在58%左右；飞灰中的碱金属等物质的存在，中和好氧发酵过程产生的酸，提高堆体的pH值，同时还提高堆体的电导率，改善堆体的发酵环境；飞灰中的生物炭和钾等成分提高堆体的总碳和总钾含量，60天腐熟后，堆体的总碳含量由37.37%增加到47.81%，总钾含量最大值为35.74 g/kg，但是对总氮和总磷含量的影响不明显。然而过高的飞灰添加量会抑制微生物的生长，从而降低发酵速率和产品质量。     

玉米秸秆及其发酵沼渣热解动力学研究

为研究厌氧发酵过程对秸秆类生物质热解特性及动力学的影响,以玉米秸秆及其厌氧发酵沼渣为研究对象,分析了二者热解特性,分别采用Flynn-Wall-Ozawa(FWO)法和Starink法对热解活化能分布进行研究,并结合Malek法对其主要热解阶段的最概然机理函数进行了探讨。原料基本特性分析结果表明,玉米秸秆经过厌氧发酵后,挥发分含量减少19.48%,固定碳含量增加27.87%,半纤维素与纤维素相对含量分别降低了39.94%与30.96%,木质素相对含量增加了109.14%。热重试验结果表明,与玉米秸秆相比,发酵沼渣最大失重速率减小,且残炭率较高。对二者热解动力学分析结果表明,发酵沼渣的活化能主要分布于91~130 k J/mol之间,低于玉米秸秆原样;二者机理函数可采用两阶段理论描述,当转化率小于0.6时可由反应级数n=2机理模型进行描述;当转化率大于0.6时,玉米秸秆更符合圆柱形对称三维扩散机理(D4),发酵沼渣更符合球形对称三维扩散机理(D3)。本研究为发酵沼渣热解制备生物燃料工艺条件优化和工业化应用提供了理论依据。     

生物炭与凹凸棒对土壤水力特性的影响

选取生物炭、凹凸棒两种土壤改良剂，以纯土为CK，设置3种生物炭质量比(0%、2%、4%)与3种凹凸棒质量比(0%、2%、4%)，通过测定土壤水分特征曲线，并结合电镜试验，分析不同生物炭与凹凸棒添加比例下土壤当量孔隙分布、比水容量、水分常数及土壤微观结构变化，研究生物炭与凹凸棒对土壤水力特性的影响。结果表明：与CK相比，生物炭与凹凸棒均能增强土壤持水能力。不添加凹凸棒时，土壤持水能力随着生物炭的添加而增强；添加2%凹凸棒时，土壤持水能力随着生物炭的添加而减弱；添加4%凹凸棒时，土壤持水能力随着生物炭的添加而增强。单独添加生物炭可以增大土壤比水容量，单独添加凹凸棒会减小土壤比水容量。添加凹凸棒后，施加2%生物炭可以明显增大土壤比水容量。施加生物炭与凹凸棒的土壤残余含水率较CK增大15.6%～103.1%；重力水较CK降低0%～7.1%。不添加凹凸棒时，极微孔隙随着生物炭的添加而增加；添加2%凹凸棒时，极微孔隙随着生物炭的添加而减少；添加4%凹凸棒时，极微孔隙随着生物炭的添加而增加。通过微观结构分析得出生物炭与凹凸棒会使得土壤颗粒接触紧密，出现桥接状垒结。以期为西北旱区土壤环境改善提供一定的...     

生物炭添加量对冬小麦花后干物质积累及转运的影响

【目的】提高微咸水灌溉效率并降低土壤盐渍化风险。【方法】以冬小麦为研究对象,设计避雨条件下不同微咸水-生物炭处理(CK,淡水;B0,5 g/L微咸水;B15,5 g/L微咸水及15 t/hm²生物炭;B30,5 g/L微咸水及30 t/hm²生物炭;B45,5 g/L微咸水及45 t/hm²生物炭)的田间试验,探讨了微咸水灌溉下生物炭添加量对土壤特性和冬小麦花后干物质积累及转运的影响机制。【结果】生物炭添加后土壤表层(0~20 cm)体积质量降低了2.27%~8.33%,总孔隙度增加了4.52%~13.47%,有机质量增加了30.02%~111.12%,土壤表层(0~20 cm)及主根区(0~40 cm)钠吸附比降低了23.88%~33.27%和22.34%~30.80%;15 t/hm²能够促进盐分淋洗,降低了微咸水灌溉下土壤含盐量,然而高剂量时将加剧盐分累积。单独微咸水灌溉下冬小麦生长受抑,最终产量下降了12.04%。生物炭能够缓解盐胁迫下叶片早衰,促进光合作用能力,并增加花前干物质转运量及花后干物质积累量,进而获取了更高的籽粒质量和收获指数。B15、B30、B45处理的最终产量较B0处理分别增加9.18%、7.73%、2.74%。【结论】15 t/hm²添加量的生物炭效果最佳,可促进微咸水资源的农业利用。     

沼渣对土壤理化性质和糜子品质的影响

为研究不同比例的沼渣添加量对土壤理化性质和作物糜子品质的影响,笔者考察沼渣用于有机肥的可行性,为以后沼渣的资源利用方面提供参考。文章以内蒙古托克托县野外大田为试验样地,采用鲁如坤所著土壤农业化学分析方法测定土壤理化指标,参照国家食品标准测量作物糜子品质的各项指标。结果表明,添加沼渣后土壤的水分呈现递增的趋势;CH1的速效磷和速效氮变化显著,分别增加了115.37%和28.59%;CH6的有机质增多了51.31%。同时,添加沼渣后作物糜子的品质有明显提升。在生产品质中地上部生长量和地下部生长量提升显著,分别增长了78.78%和87.5%;而在营养品质中CH2中的水分和总糖的含量增长了22.26%和44.81%,CH6的灰分达到108.7%,CH1脂肪增长24.89%,直链淀粉增加18.89%,CH4支链淀粉提升16.37%。添加沼渣后使得土壤肥力增强,同时对提高糜子品质方面效果显著,说明沼渣可用于有机肥,并得出最适糜子生长的沼渣添加量,为今后糜子产量的增幅奠定了基础。     

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。     

茶园施用沼渣的效果试验

沼渣含有大量的有机质和植物生长所需的营养元素,是一种优质的有机质肥料。本项目是分别利用沼渣和化学肥料作茶园基肥,进行肥效中区对比试验,观察沼渣的增产效果和经济效益,为山区茶叶种植业合理利用沼渣提供依据。     

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。     

酱油渣中油脂的亚临界流体提取及酶法脱酸的研究

酱油渣是酱油生产中的副产物,含有多种营养成分,但还未得到资源化利用。本研究就采用亚临界流体提取技术低温提取酱油渣中的油脂,采用生物脱酸技术解决酱油渣提取的油脂酸值高、精炼困难的问题进行了探讨。结果表明:在提取温度40℃、酱油渣含水量8.0%、提取次数2次的条件下,以丁烷为介质亚临界提取酱油渣中的油脂,提取率达到96.1%;提取得到的酱油渣毛油的酸值达到23.4(KOH)/(mg/g),在甘油添加量为理论所需的甘油量,加酶量为油质量的5%,反应温度65℃,真空条件1200Pa、反应8h的条件下,固定化脂肪酶Lipozyme RMIM催化的酯化反应能将油样的酸值降到4.0(KOH)/(mg/g)。     

紫茎泽兰与马铃薯淀粉加工废渣混合产沼气及沼渣毒性研究

文章通过使用外来入侵植物—紫茎泽兰的茎杆和马铃薯深加工废渣为原料,探究该两种原料不同比例、沼气底液和温度对其厌氧发酵沼气产气量的影响。试验结果表明:在紫茎泽兰茎杆与马铃薯深加工废渣的比例为1∶2,沼气底液为100 m L和温度为30℃的厌氧发酵条件下,混合发酵的产气速率和累积产气量出现最高峰。并利用产气后的沼渣做饲料毒性研究,以小白鼠为试验对象,进行长达65天的观察。试验结果表明:当沼渣含量在10%范围内时,试验组小白鼠的生长发育情况与对照组相近。为紫茎泽兰和马铃薯深加工废渣的资源化利用提供了新的方法。