生物质原料及炭化温度对生物炭产率与性质的影响

本研究以竹片、山核桃壳、水稻及油菜秸秆等4种生物质为原料,通过热重分析研究各生物质材料性质与热解特性及生物炭产率之间的关系;并在300～700 ℃下热解6 h制备生物炭,分析生物炭的元素组成及官能团结构。结果表明,在低温段（300～400 ℃）,生物质材料中的纤维素、木质素等组分对生物炭产率影响较明显,木质素含量高的材料产率较高;而400 ℃以上则是灰分含量对生物炭产率影响较大,水稻及油菜秸秆由于灰分含量高,其400 ℃以上的生物炭产率高于竹片及山核桃壳。随着炭化温度的升高,生物炭灰分含量增加,无灰基的碳含量增大,稳定性增强;仅水稻秸秆炭由于灰分含量较高,在高温（500～700 ℃）条件下仍有部分含氧官能团存在。综上,生物炭在一定温度下的产率取决于生物质材料来源,而生物炭的稳定性则主要由炭化温度决定,且温度越高,性质越稳定。     

不同热解温度对茭白秸秆生物炭性质的影响初探

为评价茭白秸秆生物炭作为生物炭基肥的潜力,以及为茭白秸秆生物炭在农业土壤中的应用提供理论基础,现以茭白秸秆为原料,探索了不同热解温度对茭白秸秆生物炭性质的影响。结果表明,随着热解温度从300℃升至700℃,茭白秸秆生物炭的生产效率从39.8%降至24.1%;茭白秸秆生物炭的炭化程度和极性增加,其在土壤中的残留时间为308.5～1 204.2年;茭白秸秆生物炭的总碳和总养分(N+P₂O₅+K₂O)含量(wt)分别为61.6%～71.4%和9.7%～10.9%,pH为9.4～10.3,总砷、总铅、总铬的含量分别为9.0～12.7、0～1.5、7.9～74.8 mg/kg,总汞和总镉未检出。参照NY/T 3618-2020的行业标准,热解温度300～500℃条件下的茭白秸秆生物炭性质满足其行业标准要求。     

炭化条件对黑沙蒿生物炭产率的影响

【目的】研究炭化温度、炭化时间和升温速率对沙蒿制备生物炭产率的影响,为沙蒿生物炭的应用提供依据。【方法】通过无氧炭化法,研究不同炭化温度(300,400,500,600,700,800和900℃)、炭化时间(5,15,30,60,90和150min)和升温速率(50,100,150,200和250℃/h)对沙蒿生物炭产率的影响,用傅里叶变换红外光谱仪获得红外光谱图,并据此分析生物炭产率变化的原因。【结果】沙蒿生物炭的产率随着炭化温度升高、炭化时间延长和升温速率的增加而降低。温度从300℃升高至900℃时,生物炭产率降低了75.47%,其中由300℃升高至400℃时降幅最大,为31.90%。由红外光谱图可知,沙蒿生物炭中官能团较炭化前发生变化,主要是由于物料中纤维素或半纤维素、脂肪组分和木质素等组分发生分解和转化;600℃下,炭化时间从5min延长到150min时,生物炭产率降低了6.68%;升温速率从50℃/h增至250℃/h时,生物炭产率降低了5.34%,炭化时间延长和升温速率的升高使木质素在整个生物炭分子中的比例下降,从而使生物炭产率下降。【结论】生物炭产率与炭化温度、炭化时间和升温速率均呈负相关,且炭化温度能够最大程度地影响生物炭产率;造成生物炭产率降低的原因是物料中各组分在不同炭化条件下相继分解和转化。     

热解温度对玉米秸秆生物炭稳定性的影响

为了探究热解温度对生物炭稳定性的影响,选用玉米秸秆作为生物质原料,分别在300、500、700℃条件下热解制备生物炭。利用元素分析仪、傅里叶变换红外光谱(FTIR)和热重分析仪(TGA)表征生物炭的结构和性质,采用H_2O_2和K_2Cr_2O_7氧化法测定生物炭的抗氧化能力。结果表明,生物炭的C含量随热解温度的升高而增加,H和O含量以及H/C和O/C之比则随热解温度的升高而降低,说明了生物炭的芳香化程度增加,稳定性增强。FTIR结果表明,随着热解温度的升高,生物炭中的—OH、C—O—C和—CH等不稳定性集团减少甚至消失。TGA分析表明,随着热解温度的增加,生物炭质量损失由42.9%降低至14.67%,其700℃制备生物炭热稳定性最强。H_2O_2和K_2Cr_2O_7抗氧化结果表明,500℃条件下制备的生物炭的碳损失量最低,分别为7.19%和6.02%,其抗氧化能力最强。     

生物炭对土壤氮磷流失和油菜产量的影响

明确生物炭对土壤氮磷流失和作物产量的影响是生物炭应用技术中的关键问题。采用测筒试验,在20 cm土壤中添加不同比例(0.5%、1.0%、1.5%)的生物炭,并模拟降雨淋溶后收集测筒淋溶液分析氮磷含量,研究生物炭对土壤氮磷淋溶流失和油菜产量的影响。结果表明:(1)与不施用生物炭处理相比,1.5%生物炭处理极显著降低了TN淋溶损失量、TN淋溶浓度比率、NO~-_3-N淋溶损失量、NO~-_3-N淋溶浓度比率、TP淋溶损失量和TP淋溶浓度比率;各处理间NH~(+2)_4-N和PO~-_4-P淋溶损失量差异不显著。(2)油菜生长期间,TN、NO~-_3-N的淋溶损失量随生物炭施用量增加而减少,且以NO~-_3-N的淋溶流失为主;受施肥和作物生长吸收利用的影响,NH~+_4-N、TP和PO~(2-)_4-P的淋溶流失规律不明显。(3)施用生物炭增加了油菜的产量,主要表现为油菜一次有效分支数、单株有效角果数和每果粒数的增加。     

保温时间对不同秸秆生物炭肥料化利用理化特性的影响

试验以水稻、小麦、玉米、油菜和棉花秸秆为研究对象,考察不同保温时间对5种秸秆生物炭的炭产率、组成成分、pH、电导率和孔隙结构的影响,并对不同生物炭理化特性的相关性进行分析。结果表明,保温时间和原料种类对秸秆生物炭肥料化利用的理化特性均有显著性影响(P0.05)。秸秆生物炭产率为41%～61%、碳转化率为53%～65%。保温时间从0 min增加到120 min,炭产率减少而生物炭的固定碳含量增加,pH和电导率增加,孔壁变薄孔径增大。保温时间与秸秆生物炭的炭产率、H、O和挥发分含量呈显著的线性负相关,与固定碳含量呈显著线性正相关。保温时间为60～90 min时,秸秆生物炭的H/C1,芳香化程度较高,性质稳定。生物炭表面光滑,内部具有较大的空腔,且生物炭的pH、电导率较高,挥发分含量低,是一种较好的炭基肥添加剂材料。     

轻度炭化的玉米秸秆生物炭的燃烧行为研究

秸秆的综合利用日益受到关注,为利用轻度炭化技术制备的生物炭以提高玉米秸秆的燃烧值,降低其运输、储存成本,采用微分热重分析仪(DTG)研究了轻度炭化的玉米秸秆生物炭的燃烧行为。结果表明:通过TG-DTG三点法得到生物炭的燃烧点为303.89℃。利用Arrhenius方程,可知玉米秸秆生物炭的燃烧为一级反应,活化能为35.45kJ·mol-1。     

热解材料对生物炭理化性质的影响

生物质的热解材料会对其生物炭的物理化学性质产生较大影响,进而影响其田间应用效果。选取四种乔木(橡树、桑树、樟树和松树)、三种草本植物(芦苇、蒿和蕨类)和两种作物秸秆(玉米秆和油菜秆),在同等热解条件下(550 ℃)制备生物炭,对比其理化性质的差异。结果显示,秸秆生物炭的可溶性Cl^-和K⁺含量、EC和CEC均显著高于乔木和草本生物炭,有效磷也呈现类似规律,而可溶性Na⁺、Ca²⁺和Mg²⁺含量以及pH、SO₄^2-、NH₄⁺-N、NO₃^--N等指标在三类生物炭之间无显著差异。乔木生物炭和草本生物炭之间在各个指标上均无显著差异。这表明,从营养元素、CEC和改良酸性土壤的角度来看,秸秆生物炭比乔木和草本生物炭更适合作为土壤改良剂。     

炭化温度对牛粪生物炭结构性质的影响

以牛粪为原料,在不同炭化温度下(200、300、400、500、600、700 ℃)采用热裂解法制备生物炭,借助扫描电子显微镜、元素分析仪、比表面积分析仪,结合Boehm滴定法、碘吸附及亚甲蓝吸附等,对所制得的牛粪生物炭的形貌特征、元素组成、比表面积、孔径、表面官能团和吸附性能等进行分析。结果表明:随着炭化温度升高,产率和挥发分含量降低,灰分和固定碳含量升高,pH值增加,制得生物炭的形貌特征更有规则且孔隙更加紧密。适当的升高炭化温度有利于孔隙的形成及微孔数量的增多,比表面积和孔容逐渐变大,而孔径逐渐减小。随炭化温度升高,牛粪生物炭的C含量增加,而H、O含量减小,N含量先增加后减小,H/C、(O+N)/C和O/C均下降,说明制得生物炭的芳香性和结构稳定性增强,但极性和亲水性减弱。表面官能团中羧基含量随炭化温度升高先增加后降低,羰基含量持续增加,而内酯基、酚羟基含量、酸总量和表面含氧官能团总量逐渐降低。碘吸附值和亚甲基蓝吸附值随炭化温度升高先增加后减小,在600 ℃下吸附值最大。     

玉米秸秆炭与炭化温度和时间的关系

[目的]筛选出最适宜炭化温度和时间条件下的生物炭。[方法]以玉米秸秆为生物质炭制作原料,对比研究不同炭化温度(350、450、550℃)和时间(1.5、2.0、2.5 h)制备的玉米秸秆炭的p H、电导率等特性及有机质、氮、磷、钾等元素含量及其间的相互关系。[结果]玉米秸秆炭有机质含量随炭化温度的升高和时间的延长而降低[62.23%(350℃)48.52%(450℃)35.78%(550℃)];在350℃炭化温度下p H随着时间的延长而增大,450和550℃炭化温度下p H基本保持在10左右;电导率随炭化温度和炭化温度的变化不明显,炭化温度350℃对玉米秸秆炭电导率的影响相对较大。玉米秸秆炭中速效钾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,速效磷含量较高,表现出574.53 mg/kg(450℃)493.75 mg/kg(350℃)283.98 mg/kg(550℃)的变化趋势。[结论]350℃(2.5 h)和450℃(2.0 h)制备的玉米秸秆炭的农业利用预期效应较好,农业价值较高。     

棉秆炭和炭基专用肥对棉花生长及产量的影响

[目的]新疆是我国最大的商品棉生产基地,部分主产区连作时间长,棉秆还田对土壤带来了一定的病虫害,研究棉秆炭和炭基专用肥对棉花生长及产量的影响,为棉花秸秆制备生物炭或生物炭基肥再返还到棉田提供依据.[方法]棉花秸秆长度控制在8～12 cm,在缺氧的环境下燃烧制炭.棉秆炭与化肥按一定的比例加工炭基肥,通过田间试验进行验证.[结果]与对照处理相比,生物炭处理与炭基肥处理提高花蕾数38;、92.3;,果苔数都提高25;,总生物量分别提高25.8;、39;,生物炭处理比对照增产28.9;,炭基肥处理比对照增产25.1;;棉花产量生物炭处理与炭基肥处理比较差异不显著(P＜0.05).[结论]生物炭处理、炭基肥处理、对照处理的株高、SPAD值比较差异不显著,炭基肥处理与对照处理的花蕾数、果苔数比较差异不显著,而生物总量、产量有极显著提高,生物炭处理多项指标表现最好.     

生物炭及炭肥对玉米苗期性状的影响

本文采用盆栽试验,研究施入化肥、生物炭、生物炭肥对玉米苗期性状的影响。研究表明:生物炭肥、生物炭、化肥对玉米出苗率、植株和根系鲜重、干重、根系活力均较对照有促进作用,且这种促进效应表现为生物炭肥化学肥料生物炭。     

畜禽粪便与秸秆混合热解制备生物炭研究

以牛粪和猪粪为原料,玉米芯秸秆为辅料,采用管式反应器制备生物炭,研究热解温度(200、300、400、500℃)和秸秆添加量(20%、40%、60%、80%)对畜禽粪便生物炭产率和理化特性的影响。结果显示,随着热解温度的升高,混合料生物炭产率降低,挥发分含量逐渐降低,而灰分含量、pH、全磷和全钾含量均呈递增趋势,全氮含量呈先增后减趋势;添加秸秆有利于改善畜禽粪便生物炭的pH,调节养分含量;秸秆添加量为20%时,牛粪秸秆混合生物炭的孔隙特性在400℃表现最好,猪粪秸秆混合生物炭的孔隙特性较差。牛粪秸秆混合生物炭相比猪粪秸秆混合生物炭有更好的炭产率、pH和孔隙特性,其较好的孔隙特性有利于其作为吸附剂等使用,猪粪秸秆混合生物炭具有更好的养分特性,可作为磷肥生产辅料或土壤改良剂使用。     

水稻秸秆生物炭和猪粪生物炭对镉的吸附性能

以猪粪和水稻秸秆为原料,在300 ℃和600 ℃的条件下制备生物炭,研究其对Cd²⁺的吸附性能,分析溶液初始pH值、吸附时间和Cd²⁺浓度对吸附的影响。结果表明:溶液初始pH值对生物炭吸附Cd²⁺有影响,当pH值从2.0升高至7.0时,生物炭对Cd²⁺的吸附量表现为先升高后趋于稳定。生物炭对Cd²⁺的吸附过程可以用准二级动力学方程较好地拟合(R²>0.99)。水稻秸秆生物炭对Cd²⁺的吸附约4 h达到平衡,而猪粪生物炭吸附对Cd²⁺的吸附约6 h达到平衡。生物炭对Cd²⁺的等温吸附过程可用Langmuir方程较好地拟合(R²>0.95),生物炭对Cd²⁺的吸附量随着热解温度的升高而增加,600 ℃制备的水稻秸秆生物炭的吸附量最大,达到59.84 mg·g^-1。     

秸秆及其生物炭添加对土壤酶活性的影响

为明确土壤酶活性对不同外源炭添加的响应,采用培养试验,分别添加0、1％、2％、3％、4％、5％土壤质量分数的秸秆和生物炭.结果 表明:生物炭对土壤pH、全碳、全氮、速效磷、速效钾含量的提升作用大于秸秆添加,但未对速效氮含量产生显著影响.秸秆添加显著提高了土壤酸性磷酸酶(AP)、β-葡萄糖苷酶(βG)、纤维素水解酶(CB...     

生物炭基肥对大豆生长及产量的影响

为研究生物炭基肥对大豆生长及产量的影响,以化肥处理为对照,设置生物炭基肥3 t(T1)、3.75 t(T2)、4.5 t(T3)和5.5 t(T4)4个处理,研究大豆干物质积累量、根瘤数量、根瘤干重、产量及产量构成因素.结果表明:生物炭基肥能够提高大豆干物质积累量、根系根瘤数和根瘤菌干重,且在生育后期,生物炭基肥效果显...     

热解温度对猪粪生物炭中Cu和Zn生物有效性的影响

为探究热解温度对猪粪中Cu和Zn生物有效性的影响,以猪粪为原料,明确了不同热解温度(300℃、500℃和700℃)下制备猪粪生物炭中Cu和Zn有效性的变化,并评价了施用该猪粪生物炭对水稻Cu和Zn吸收的影响。结果表明,与猪粪原料相比,热解显著提高了猪粪生物炭中Cu和Zn的浓度,但显著降低了猪粪生物炭中有效态Cu和Zn(DTPA-Cu和DTPA-Zn)的浓度。与施用猪粪相比,施用猪粪生物炭均显著提高了水稻根中Cu和Zn的浓度;施用300℃制备的猪粪生物炭对穗中Cu和Zn的浓度均无显著影响;施用500℃制备的猪粪生物炭显著降低了穗中Zn的浓度,而对穗中Cu的浓度无显著影响;施用700℃制备的猪粪生物炭显著降低了穗中Cu和Zn的浓度。与施用猪粪相比,施用300℃制备的猪粪生物炭显著增加了根中Cu和Zn的积累量,而显著降低了茎叶和穗中Cu和Zn的积累量;施用500℃和700℃制备的猪粪生物炭均显著降低了茎叶和穗中Cu和Zn的积累量,但两种生物炭之间无显著性差异。因此,在考虑制备成本的基础上,研究认为猪粪生物炭的最适热解温度为500℃以降低猪粪中Cu和Zn对水稻的生物有效性。     

高温秸秆生物炭对苯酚的吸附特性研究

为使农作物秸秆得到资源化利用,研究采用慢速热解技术于650℃条件下制备茄子秸秆生物炭和玉米秸秆生物炭吸附剂,以去除废水中的苯酚。吸附实验结果表明,废水中苯酚的初始浓度、吸附温度和时间等因素均能影响生物炭对苯酚的吸附效果。两种秸秆生物炭对苯酚的吸附能力表现为玉米秸秆生物炭茄子秸秆生物炭。两种生物炭对苯酚的等温吸附线符合Langmuir模式和Freundlich模式。     

水稻秸秆生物炭制备硅酸钠及白炭黑工艺研究

为有效利用水稻秸秆富硅特性并解决水稻秸秆资源化利用问题,以水稻秸秆生物炭为原料,利用碱溶酸沉方法制备硅酸钠溶液并进一步生产白炭黑。通过单因素试验及中心组合设计响应面法分析硅酸钠溶液及白炭黑最佳制备条件。结果表明,在NaOH溶液浓度2 mol·L^-1、液料比7 mL·g^-1、反应温度90℃、反应时间4 h条件下水稻秸秆生物炭制得硅酸钠模数为0.69,SiO₂溶出率为61.3%;在反应温度80℃、硫酸溶液浓度11%、反应终点pH 9,陈化时间2 h条件下制备的白炭黑纯度为94.68%。通过X射线衍射及红外光谱分析发现制备的白炭黑为无定形水合二氧化硅结构。优化水稻秸秆生物炭制备硅酸钠以及进一步生产白炭黑最佳反应条件,对水稻秸秆高效循环利用具有较高参考价值,为低模数稻秆基硅酸钠制备高纯度白炭黑提供理论依据和技术支撑,对水稻秸秆资源化利用具有积极作用。     

生物炭对盐碱土氮淋溶的影响

生物炭对某些高度风化的热带土壤和温带酸性土壤有改善土壤结构,减少营养元素淋失的作用,但关于温带干旱区的盐碱土的改良效果却很少报道。以新疆绿洲盐碱土为对象,研究玉米秸秆生物炭对氮淋溶的影响。采用室内土柱淋滤试验,土柱包含炭土比(W/W)0%、1%、5%和10%四个处理,模拟大气降雨,定期收集淋滤液,分析其中的氮素指标。结果显示,5%和10%添加比例分别减少了土壤氨态氮的淋失量31.14%和52.43%,1%的添加比例增加了铵态氮淋失。对比空白,10%处理的铵态氮、硝态氮和总氮减少淋失量分别达到52.43%、50.01%和33.83%,1%和5%处理土柱的硝态氮和总氮在试验10 d内(降雨量140 mm)就基本淋失完,而10%处理土柱则显得较为平缓,几乎到25 d(降雨量290 mm)时才基本淋失完。四个土柱的铵态氮的淋失都较为平缓。另外,生物炭可以减少土柱的溶液淋失量(20.95%),增加土壤持水能力。上述结果表明,生物炭施用于干旱区盐碱土能明显减少硝态氮和总氮淋失并延长其在土壤中的停留时间,增强土壤的持续供氮能力。