玉米秸秆生物炭对Cd（Ⅱ）的吸附机理研究

以玉米秸秆为原料,在350℃和700℃热解温度下分别制备了两种生物炭（BC350和BC700）,并对其理化性质进行了表征。在700℃下制备的生物炭芳构化程度更高,疏水性更强,比表面积更大,孔结构发育更加完全。研究Cd（Ⅱ）在两种生物炭上的吸附发现,Two-site Langmuir吸附等温模型比One-site Langmuir吸附等温模型能更好描述Cd（Ⅱ）在生物炭表面的吸附。BC700对Cd（Ⅱ）的吸附容量大于BC350,解吸率远小于BC350,吸附效果更好;离子交换和阳离子-π作用两种吸附机理同时存在并共同作用,前者分别占BC350和BC700总吸附容量的13.7%和1.1%,后者分别占86.3%和98.9%,阳离子-π作用是最主要的吸附机理。红外光谱FTIR分析表明,生物炭表面的含氧官能团和π共轭芳香结构分别提供不同机理的吸附位点。由于具有更多的离子交换位点,BC350对Cd（Ⅱ）吸附受pH影响较BC700更大。     

温度及过筛方式对猪粪和稻秆炭理化特性和镉吸附的影响

该文以猪粪、水稻秸秆为原料,采用2种过筛处理(热解前、后过筛),于300~700℃下制备生物炭,通过电镜扫描(scanning electron microscope,SEM)、X射线衍射(X-ray diffraction,XRD)和傅里叶变换红外光谱(Fourier transform infrared spectroscopy,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,并优选出以修复土壤镉污染为目标的生物炭处理。结果表明:1)稻秆生物炭的镉吸附能力(最大吸附量为69.2 mg/g)显著高于猪粪生物炭(最大吸附量为36.4 mg/g)。制备温度为300℃时,前、后过筛处理的稻秆生物炭对镉的吸附能力分别为10.6和11.5 mg/g;制备温度为700℃时分别增加至61.4和69.2 mg/g。前后过筛方式对稻秆和猪粪生物炭镉吸附的影响规律不明显。2)生物炭的产率与灰分含量显著负相关,与H/C极显著正相关。3)前、后过筛处理的稻秆生物炭以及前过筛处理的猪粪生物炭的镉吸附能力均与产率和H/C呈显著负相关。后过筛处理猪粪生物炭的镉吸附能力与所有理化性质均不显著相关。     

棉秆和油菜秆热解焦炭的燃烧与吸附特性

为了研究生物质热解多联产焦炭产品的应用特性,采用棉秆和油菜秆作为热解原料制备了不同温度(350、550、750和950℃)下的焦炭样品。分析了不同焦样的燃烧特性、水分吸收和保持特性、CO2吸附特性、苯酚吸附特性和抗环境氧化能力。研究结果表明550℃热解棉秆焦炭和750℃热解油菜秆焦炭燃烧特性好,热值高,燃烧快速剧烈,容易燃尽,适宜作为燃料炭;而综合焦样的吸水能力和保水特性,350℃热解棉秆焦炭和550℃热解油菜秆焦炭的吸水量大,保水能力强,适宜用作生物炭。高温下制备的棉秆焦炭和油菜秆焦炭吸附CO2和苯酚的能力更强,其吸附量跟焦炭微孔容积正相关;同时高温热解焦炭具有更好的碳汇效应,相同热解温度下制备的棉秆焦炭比油菜秆焦炭抗环境氧化能力更强。根据不同焦样的燃烧和吸附特性,选择性的制备目标焦炭,将其运用于工农业生产,有利于提升热解多联产的经济效益,保证多联产系统的稳定运营。     

食用菌菌糠的热解特性及动力学分析

为考察食用菌菌糠的热解特性和机理,该研究采用热重和热重-红外联用对香菇菌糠在氮气气氛下的热解特性进行研究,考察不同升温速率下菌糠的热重(TG)曲线和微分热重(DTG)曲线的变化规律,并对DTG曲线进行分峰分析,通过计算得到香菇菌糠热分解的反应活化能E、反应级数n及频率因子A,以及热解产物析出特性;在固定床上开展了香菇菌糠的定温热解试验,试验温度分别为500、550、600℃,并对三相产物产率和成分组成等进行了分析。结果表明:香菇菌糠热解可以分为3个阶段,水分析出段,热解段和炭化段,其中主要热解阶段为250～550℃,失质量率达到58%;升温速率对香菇菌糠热解影响不明显,但是随着升温速率的增大,试样的TG和DTG曲线向高温区移动;菌糠热解的表观活化能为66.33 kJ/mol,较低的表观活化能表明菌糠更容易发生热解。固定床定温热解结果表明菌糠热解气的主要成分为CO_2、CO、CH_4、H_2,4种气体成分含量由高到低为:CO_2、CO、CH_4、H_2;随着热解温度的升高,菌糠热解所得生物油成分以CxHyOz为主,表明菌糠热解生成的生物油具有一定的潜在利用价值;香菇菌糠热解半焦的主要成分是固定碳,相较于原料,挥发分的占比大幅度减少。     

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。     

过渡金属添加对香菇菌渣热解行为及所得生物炭的影响

为了寻求高效、可行的食用菌菌渣资源化利用途径。该研究基于热化学转化法,探索了过渡金属添加对香菇菌渣（Mushroom Residue,MR）热解行为的影响,并对所得生物炭理化性质及其在印染废水中应用的潜力进行分析。MR的主要热解区间为197.83～418.22 ℃,最大失重速率对应温度为351.40 ℃。过渡金属的添加能够明显促使MR的主要热解区间向低温区移动,降低其最大失重速率对应的温度。其中,MR经5 mmol/g的FeCl3（MR-FeCl3-5）预处理后,其主要热解区间向低温区移动最明显,活化能最低。同时,MR-FeCl3-5在400 ℃下制备的生物炭（MR-FeCl3-5-400C）对甲基橙的理论最大吸附量达到35.21 mg/g,与大部分碳基吸附剂具有可比性。该研究表明,过渡金属的添加可促使食用菌菌渣转化为高性能生物炭,是一种切实可行的食用菌菌渣资源化利用途径。     

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。     

制炭条件对生物炭碱性基团含量及酸性土壤改良效果的影响

采用不同粒径(0.5,0.25~0.5,0.25mm)的4种原材料(椰糠、木薯秸秆、桉树枝、猪粪),通过不同热解温度(300,400,500,600℃)炭化不同时间(1,2,3,5h)制备生物炭,探讨制炭条件对生物炭碱性基团含量的影响,并探索生物炭改良酸性土壤pH的影响因素。结果表明,不同制炭条件所制备的生物炭均呈碱性,碱性基团含量范围为0.40~1.05mmol/g。不同原材料生物炭碱性基团含量呈现猪粪木薯秸秆椰糠桉树枝的规律。随着热解温度的升高、热解时间的延长及原材料粉碎粒度的减小,生物炭碱性基团含量呈增加趋势。研究还表明,添加生物炭能显著提高酸性土壤pH,其改良酸性土壤的能力随碱性基团含量的增加而增强。原材料粉碎粒度减小、热解温度升高和热解时间延长及用量增加,均能有效提升生物炭改良酸性土壤pH的效果。     

皇竹草生物炭的结构特征及其对（）的吸附性能

以皇竹草茎秆为原料,在限氧控温（300、500、700℃）条件下制备生物炭,研究该生物炭的结构特征及其对Cr（Ⅵ）的吸附行为。结果发现,随着热解温度的升高,皇竹草生物炭的产率下降,而灰分、pH呈上升趋势;电镜扫描（SEM）观察可见不同热解温度下所制备的生物炭结构相似,均具多孔和管状结构,但在700℃条件下所制备的生物炭相对300℃下制备的生物炭孔壁变薄,且孔壁有附着物,切面有突起结构。三种温度下制备的皇竹草生物炭对溶液中的Cr（Ⅵ）都具有较好的吸附作用,且500、700℃下制备的生物炭比300℃下制备的生物炭具有更好的吸附效果。在0~1 h之间,三种热解温度下制备的生物炭对铬的吸附量均随着时间的延长而快速增加,当吸附至1h时,基本达到饱和状态,随后吸附量无明显变化。     

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℃。     

短波紫外线处理对采后香菇褐变的影响

为了控制采后香菇在贮藏过程中的褐变并提高其贮藏品质,本试验采用不同剂量(2、4、6和8 kJ·m^-2) 短波紫外线(UV-C)对新鲜香菇进行预处理,研究不同剂量UV-C处理对香菇色泽、总酚含量、多酚氧化酶(PPO)活性、过氧化物酶(POD)活性、超氧化物歧化酶(SOD)活性、过氧化氢酶(CAT)活性、苯丙氨酸解氨酶(PAL)活性、可溶性蛋白含量、还原糖含量、游离氨基酸含量以及香菇表面微生物的影响。结果表明,UV-C处理延缓了香菇色泽的下降,保持了较高的总酚含量,并且有利于POD、SOD、CAT和PAL活性维持在较高水平,抑制了PPO活性,同时可以保持较高的还原糖和可溶性蛋白含量,在一定程度上延缓了蛋白质的降解,而且可以有效抑制微生物的生长,其中4 kJ·m^-2 UV-C处理效果最佳。综上所述,UV-C处理可以有效地抑制香菇褐变,延长其贮藏期。本研究结果为香菇的贮藏保鲜提供了理论依据。     

60Co-γ射线和电子束辐照对鲜香菇保鲜效果的初步研究

为研究⁶⁰Co-γ和电子束2种射线的不同剂量对新鲜香菇采后保鲜效果的影响,本试验通过测定鲜香菇的硬度、呼吸强度、电导率、感官品质等指标,筛选2种辐照射线的最优剂量,并对比分析最优辐照处理下香菇细胞的微观结构。结果表明,⁶⁰Co-γ射线中,2 kGy剂量组香菇硬度降幅为37%,呼吸强度为10.81 mg·kg^-1·h^-1,相对电导率为0.268%,均小于其他剂量组;电子束射线中,3 kGy剂量组香菇硬度降幅为38%,呼吸强度为10.39 mg·kg^-1·h^-1,相对电导率为0.241%,均小于其他剂量组。综合感官分析可知, 3 kGy电子束组和2 kGy ⁶⁰Co-γ射线组香菇的保鲜效果分别优于同类射线其他剂量组。显微分析可知,与2 kGy ⁶⁰Co-γ射线相比,3 kGy电子束辐照能够较好地保持新鲜香菇的菌丝形态,延缓其进一步降解,从而延长其贮藏期。本研究探索了辐照在香菇保鲜过程中的可行性,为推动电子束辐照技术和⁶⁰Co-γ辐照技术在香菇保鲜领域的应用提供了可靠的理论依据与技术支持。     

香菇营养品质评价体系的构建

为构建香菇营养品质评价体系,本研究测定了46个不同来源香菇菌株的15项营养品质指标,通过相关性分析、因子分析和聚类分析对营养品质评价指标进行了简化,通过灰色关联度分析和主成分分析建立了香菇营养品质综合评价函数,并通过概率分布建立了香菇营养品质综合评分标准。结果表明,香菇营养品质指标之间离散度不同,变异系数介于8.72%~70.52%之间。综合分析结果将15项营养品质评价指标简化为10项指标(即灰分、粗蛋白、粗多糖、维生素C、Na、Ca、Fe、Cu、Zn、Mn),并建立了香菇营养品质综合评价函数和香菇营养品质综合评分9级标准。本研究为香菇营养品质评价提供了一定的数据支持和方法。     

培养条件下生物炭对土壤锌的吸附作用

将稻壳分别在350℃和550℃热解温度下制备成生物质炭,按土壤质量的1%、3%和5%的添加量施入土壤中,保持一定的土壤含水率,探究施入生物炭的土壤对重金属锌吸附的影响。结果表明,土壤中施入生物炭之后,会提高土壤对重金属的吸附固定能力,生物炭的添加量越高,土壤对锌的最大吸附量越大。在试验开始阶段,随着生物炭的老化,土壤对锌的吸附性能会增强,同时土壤对锌的解吸率降低,随着时间的延长,生物炭与土壤发生的共腐殖化过程,导致土壤对锌的吸附性能逐渐降低,同时土壤对锌的解吸率提高。     

水稻秸秆生物质炭对土壤磷吸附影响的研究

本文以水稻秸秆为原料,分析了不同热解温度下生物炭的性质,并利用批处理实验,分析了生物炭添加量和热解温度对土壤磷吸附特性的影响。结果表明：随着热解温度的升高,生物炭的碳化程度、比表面积和磷含量增加。生物炭添加显著减少了土壤对磷的吸附量,而且随着生物炭热解温度的增加,土壤对磷的吸附量显著增加。Langmuir方程和Freundlich方程都能够较好地拟合生物炭对土壤磷的等温吸附。准一级动力学方程和准二级动力学方程可较好地描述生物炭对土壤磷吸附动力学的行为。通过以上研究结果可知,水稻秸秆生物炭可以减少土壤对磷的吸附并增加土壤有效磷的含量,因此在土壤改良方面具有一定的应用潜力。     

溶液初始pH值及裂解温度对玉米秸秆基生物炭吸附Cr（遇）的影响

以玉米秸秆为原料,在300、450益和600益下裂解得到3种生物炭,通过批处理实验讨论了溶液初始pH值和裂解温度对玉米秸秆及其生物炭吸附Cr（遇）的影响,并用吸附动力学模型和等温吸附模型对实验结果进行拟合。结果表明：对于同种吸附材料而言,溶液初始pH值越低,玉米秸秆及其生物炭对Cr（遇）的吸附量越大;当溶液初始pH值为3或5时,对Cr（遇）的吸附性能大小顺序为：玉米秸秆>生物炭300益>生物炭450益>生物炭600益;当溶液初始pH=1时,对Cr（遇）的吸附性能大小顺序为：生物炭300益>玉米秸秆>生物炭450益>生物炭600益,且生物炭300益对Cr（遇）的最大吸附量约为141.24 mg·g-1。可见,溶液初始pH值越低,生物炭的裂解温度越低,越有利于生物炭对Cr（遇）的吸附。     

镉污染水稻秸秆生物炭对土壤中镉稳定性的影响

中国农田土壤镉等重金属污染问题突出,对其生产过程中产生的镉污染水稻秸秆进行无害化和资源化利用研究具有重要意义。该研究通过连续提取试验、风险评价指数法、吸附动力学/热力学、土柱试验,以及X射线衍射分析、傅里叶变换红外光谱分析等手段,探究了不同热解温度下制备的镉污染水稻秸秆生物炭对土壤中Cd的稳定特性。研究结果表明,镉污染水稻秸秆热解制备的生物炭可有效吸附土壤镉。热解温度显著影响生物炭对Cd的吸附能力（P<0.05）,高温生物炭对Cd吸附容量大,700 ℃下制备的生物炭对Cd的吸附容量可达72.57 mg/g。生物炭对Cd的吸附主要通过含氧官能团表面络合和碳酸盐共沉淀吸附,其吸附过程符合Langmuir方程和准二级动力学模型,吸附过程受化学速率控制。土柱试验表明,镉污染水稻秸秆生物炭能有效降低土壤Cd的下渗迁移能力,其作用机制主要是将土壤Cd从酸可提取态转化为残渣态,施入高温生物炭的土壤中Cd的残渣态比例最高。上述结果表明,热解可有效处理镉污染水稻秸秆,制备的生物炭可用于Cd等重金属污染土壤的稳定修复,有效解决镉污染水稻秸秆的潜在二次污染问题并实现其安全利用。     

柠条生物炭对土壤中敌草隆的吸附性能

以柠条为原料,分别在200、300、400℃和600℃进行炭化处理制备柠条生物炭,分析柠条粉末和生物炭的组分,用扫描电镜观察柠条生物炭的形貌,比表面积分析仪绘制柠条生物炭的吸附等温线,研究柠条生物炭的孔容、孔径以及比表面积等结构参数。使用土柱实验装置将柠条生物炭与土壤混合,通过淋溶试验检测柠条生物炭对土壤中的除草剂敌草隆的吸附效能。结果表明,柠条炭化的吸附等温线属于典型的Ⅰ型吸附线,随着炭化温度的升高,柠条生物炭的炭得率不断降低,在600℃进行炭化处理可以得到44.71%的柠条生物炭,其比表面积可达到187.56 m2·g~(-1),平均孔径4.83 nm,微孔体积占总孔体积的52%。土壤中添加1%的柠条生物炭就可以对土壤中的敌草隆产生显著吸附效果,添加3%的柠条生物炭可以获得最佳的经济效益。