升温速率对椰壳热解特性的影响及动力学分析

利用热重分析仪对椰壳在不同升温速率（5、20、40℃/min）下的热解特性及动力学进行了研究,探讨了热解机理。结果表明：椰壳热解过程主要分为脱水、快速热解和缓慢失重;对比不同升温速率下的失重曲线表明,升温速率对热解失重率有明显影响,其最终热解产物的得率随升温速率的增加而减少。运用氮吸附仪测定其吸附等温线,获得不同热解温度对炭化料的孔结构,结果表明：热解温度越高,微孔越发达。使用TG曲线数据,利用分布活化能模型求出相应的活化能,失重率在0.1～0.8之间时,活化能在146～444 kJ/mol,呈“N”形变化。活化能的分布函数,反映了椰壳热解过程中不同阶段反应性能的变化规律,有助于了解椰壳的热解机理。     

金属元素对木屑快速热解的影响

采用傅立叶红外光谱（FTIR）分析,以木屑为研究对象,在管式炉中研究了Al/Ca/Fe/K/Na/Zn金属元素对生物质快速热解过程中热解速率以及CO和CH4析出规律的影响。FTIR分析表明：加入含金属元素添加剂抑制了CO和CH4的产量,添加剂对CO产量和CH4产量的抑制能力依次为Fe2O3＞ZnO＞NaCl＞CaO＞KCl＞Al2O3;Al2O3/ Fe2O3/ ZnO作为添加剂可缩短CO和CH4的析出时间,其中Fe2O3作用最为显著,其他添加剂对析出时间的影响相对较小。对热解速率的统计分析表明：加入金属元素降低了生物质的快速热解速率,热解反应速率大小依次为：不加添加剂＞Al2O3＞ Fe2O3＞ZnO＞KCl＞CaO＞NaCl。     

矿物质添加剂对玉米秸秆粉末催化热解特性的影响

依托自制生物质管式炉热解试验平台,以高速机械掺混的方式将添加剂与玉米秸秆粉末直接混合,在常速热解条件下探究不同添加剂(Na_2CO_3、CaO、Fe_2O_3)对玉米秸秆粉末的原位催化热解影响,分析计算试验数据得出:在玉米秸秆粉末热解过程中,3种添加剂均能不同程度降低液相产物产率,提高热解气中氢气产率,其中Na_2CO_3对液相产物的降低效果是CaO的1.5倍,Fe_2O_3的20倍,Na_2CO_3主要是催化促进热解气的产生,CaO则是促进焦炭的生成,并且二者的热解焦炭均有不同形式的结焦聚团,且CaO作用下的热解气低位热值较高,而Fe_2O_3对液相产物的降低效果较小;通过研究3种添加剂对玉米秸秆粉末的热解影响,为生物质催化热解中催化剂的选择和工矿企业废物利用提供了有价值的数据理论和方向。     

熔融盐-镍协同催化生物质热解制取富氢气体

在固定床反应器中研究了(Na_2CO_3-NaOH)熔融盐和镍对生物质三组分纤维素、半纤维素和木质素热解制氢的影响。结果表明,熔融盐中的氢氧化钠能吸收三组分热解产气中CO_2,从而有利于合成气中的CO转化成H2。熔融盐含有的碱金属Na~+和OH~-分别能促进半纤维素与纤维素、木质素的热解,木质素热解产氢量最高可达到1 148 m L/g,H2体积分数达到90.7%。熔融盐-镍协同作用时可以降低三组分产气中CH_4含量,与单独添加熔融盐相比,纤维素、半纤维素和木质素的CH_4产量分别下降35.0%、24.5%和12.0%。在熔融盐-镍的存在下,纤维素、半纤维素和木质素的最高产氢量分别达到910、714和1 106 m L/g,H2体积分数分别为77.6%,77.8%和91.6%。     

微藻种类对其热解质量损失规律和产物及动力学的影响

微藻是一种新型的可再生生物质资源,采用快速热解技术,可得到高品质的先进液体燃料和高附加值化学品。该文采用热重-红外联用仪、快速热解-气质联用仪和分布式活化能动力学模型(distribution activation energy model,DAEM)对莱茵衣藻(Chlamydomonas reinhardtii,CDR)、小球藻(Chlorella vulgaris,CRV)和铜绿微囊藻(Microcystis aeruginosa,MCA)的热解行为开展了研究,系统地对比了3种微藻在化学组成、热解失重规律、动力学、热解产物等方面的差异,并对微藻的热解机理进行了探讨。结果表明:1)3种微藻的热解过程可分为3个阶段,分别为干燥段、快速热解段和炭化阶段,其中铜绿微囊藻失重率最大,达到17.34%/min,且随着升温速率的增加,TG/DTG(thermogravimetry/differential thermogravimetry)曲线往高温一侧移动;2)红外光谱分析结果表明微藻热解主要产物为CH4、CO2、含C=O键的脂肪酸、含N-H键和C-N键的酰胺类化合物,其中莱茵衣藻热解产生的CH4质量分数最高,铜绿微囊藻热解产生的含C=O键化合物质量分数最高;3)铜绿微囊藻的活化能数值最高,随着转化率增加,活化能从100增加到680 k J/mol;4)Py-GC/MS分析表明小球藻热解产生的含氧化合物质量分数最高,达到30.89%,铜绿微囊藻热解产生的酚类化合物、芳香族碳氢化合物、胺和酰胺类和其他含氮化合物的质量分数最高,分别达到10.41%,13.46%,13.87%和14.27%。本文可为微藻的能源化利用提供科学和基础数据。     

生物炭在农业土壤中应用的回顾与展望

Soil degradation, characterized by declines in nutrient status and simultaneous accumulation of pesticide residues, is a major problem affecting agricultural ecosystems. Previous studies indicate that biochar application to soil has promise as a practical method to alleviate these pressures: increasing crop yield and enhancing pesticide degradation. Here, we review the roles of biochar in both chemical and biological promotion of pesticide degradation and the potential benefits of biochar relating to the efficiency of fertilizer use, availability of nutrients, and nutrient exchange. Biochar typically has a high surface area featuring many functional groups, a high cation exchange capacity, and high stability. Major factors that impact on the nutrient retention characteristics of biochar (e.g., feedstock, pyrolysis temperature, and application rate) are also discussed herein. Nonetheless, more studies of the long-term impacts on soil properties from biochar addition are still required before it can be possible to accurately quantify the sustainability of this approach to sequester carbon and restore soil function.     

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。     

Effect of wheat and rice straw biochar produced at different temperatures on maize growth and nutrient dynamics of a calcareous soil

The objective of this work was to study the effect of different biochar on alkaline calcareous soil, inherently low in soil organic carbon and fertility. Experiments were conducted in laboratory and greenhouse. Biochar was produced from wheat and rice straws at pyrolysis temperatures of 300°C, 400°C and 500°C (denoted as WSB300, WSB400, WSB500, RSB300, RSB400 and RSB500, respectively). In the first experiment, soil was incubated with biochar (1.0 % w/w) for up to 50 weeks. The results indicate that, WSB300 caused a significant decrease in soil pH and increased the CEC and nutrients (N, P and K) after 50 weeks of incubation. In the second experiment, maize plants were grown in pots containing calcareous soil amended with WSB and RSB for 60 days the results revealed that the application of WSB300 caused a significant increase in shoot (36%) and root (38%) dry matters over the respective control. Moreover, the highest nutrient concentrations (N and P) in shoot and root were observed with the WSB300 compared to other treatments. Therefore, it is concluded that application of wheat straw biochar produced at low temperature (WSB300) could be successfully used to improve soil properties and growth of plants in calcareous soils.     

我国南方3种主要作物秸秆炭的理化特性研究

以我国南方水稻(D)、棉花(M)和玉米(Y)3种主要作物秸秆为研究对象,研究了400、450、500℃温度下制备的作物秸秆炭的主要理化特性。研究结果表明:生物炭的出产率因热解温度和秸秆种类而异,一般低温出产率高,高温趋于稳定,3种物料灰分含量是DYM;生物炭p H值随热解温度升高而增大,且均呈碱性;比表面积总体上随温度增加而增加;有机碳和总氮含量随热解温度升高而降低,总磷和钾含量随热解温度升高而增加;不同秸秆炭所含官能团基本相同,-OH随温度升高呈减弱趋势,而芳香性结构增加。经综合对比,推选500℃下制备的生物炭较好。     

刺桐生物炭对水中氨氮和磷的吸附

本研究以园林绿化废弃物刺桐为原料,在不同的热解温度下（300、500、700 ℃）制备生物炭,用动力学方程和等温吸附方程分别拟合生物炭对氨氮和磷的吸附性能。等温吸附方程拟合结果表明：生物炭对水中氨氮和磷的吸附量均随着氨氮和磷的初始浓度的增加而增大,且均能较好地拟合Langmuir吸附方程,且BC500吸附效果最好;动力学方程拟合结果表明：不同热解温度下得到的生物炭对氨氮和磷的吸附速率较快的过程分别发生在最初的300 min和60 min内,且均能较好地拟合准二级动力学方程;此外,生物炭对不同初始pH下对氨氮和磷溶液的吸附效果分别为pH7 > pH11 > pH3和pH11 > pH7 > pH3。