基于猪粪水热炭化的生物炭性能及残液成分分析

为系统研究不同炭化温度条件下猪粪水热炭化规律,本研究以猪粪和发酵猪粪为供试材料,采用水热炭化工艺在系列温度条件下（180、240℃和300℃）制备生物炭,对其元素含量、热稳定性、孔隙结构、表面官能团等理化性质进行表征,并对水热炭化残液进行成分分析。结果表明,猪粪生物炭和发酵猪粪生物炭均具有发达的孔隙结构、丰富的表面官能团等优良特性,其H/C原子比和热失重率均随炭化温度升高而减小,表明热化学稳定性随炭化温度升高而增强。水热炭化残液的成分主要包括有机酸、醇、酯、醛、吡嗪、苯酚等物质,较高炭化温度条件下残液中化合物种类更丰富。与猪粪相比,发酵猪粪水热炭化残液的成分仍然以酚、烯、酮类物质为主,但呋喃、吡啶、吡嗪类毒性化合物消失。研究表明,发酵猪粪在300℃条件下水热炭化的残液用作液态肥料的安全性更高,在资源化利用方面更具优势。     

铁改性稻壳生物炭对铵态氮的吸附效果研究

[目的]研究稻壳生物炭和3种铁改性稻壳生物炭对铵态氮的吸附特性,为其作为添加剂进行炭基肥料的开发提供参考.[方法]以稻壳为原料,在500℃无氧条件下热解制备稻壳生物炭(RBC),并采用3种工艺制备铁改性稻壳生物炭(FDRBC、FWRBC和FWBC).利用比表面积测定仪(BET)和扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)...     

猪粪炭对茶园土壤硝化过程及微生物酶活性的影响

为探讨猪粪炭对茶园土壤的改良作用,通过35 d的好气密闭培养实验,研究猪粪炭施加对茶园土壤的硝化过程、温室气体N₂O排放及土壤微生物酶活性的影响。结果表明：施加猪粪炭可以改善茶园土壤的酸性环境,显著提高土壤pH,使其更适宜茶树的生长;茶树是典型的喜铵厌硝植物,较高的硝铵比不利于茶树的生长,低、中量猪粪炭施加显著增加土壤pH,并未促进茶园土壤的硝化作用,且显著降低土壤N₂O累积排放量高达41.2%~58.7%;高量猪粪炭施加显著增加茶园土壤净硝化速率,降低N₂O累积排放量62.4%;猪粪炭施加显著提高土壤FDA水解酶、脲酶及脱氢酶活性。研究表明,适量猪粪炭的添加可以改善茶园土壤的酸碱环境和微生物活性,促进土壤的生物化学反应和土壤养分元素的循环,从而提高土壤养分的可利用性和土壤质量。     

羊栖菜生物炭对镉污染土壤性质及镉形态的影响

为了研究生物炭对实际镉(Cd)污染土壤理化性质和Cd化学形态的影响,首先以海洋生物质(羊栖菜)、农林废弃物(水稻秸秆、山核桃壳)为原料制备了三种生物炭,并比较了三种生物炭对水溶液中Cd的吸附效果,从而优选出对Cd吸附最佳的生物炭。通过在Cd污染的土壤中施用不同用量的优选生物炭,测定污染土壤基本理化性质和Cd化学形态的变化,初步探讨了生物炭对实际Cd污染土壤理化性质和土壤Cd污染的钝化效果。结果表明,三种生物炭中羊栖菜炭对重金属Cd的吸附效果最佳。污染土壤添加羊栖菜炭后可以明显提高污染土壤p H、有效磷、速效钾、全氮和有机质,且随添加量增加而幅度增大。不同量的羊栖菜炭的施入均有效降低了污染土壤有效态Cd含量,使得土壤重金属Cd由交换态向碳酸盐结合态、铁锰氧化物结合态、有机结合态和残渣态转化。综上所述,羊栖菜炭显著降低了土壤重金属Cd的生物有效性和生态毒性,从而显著降低重金属Cd的危害。     

生物炭及改性生物炭的制备与应用研究进展

生物炭因具有制备原料来源广泛、比表面积大、孔隙发达、富含碳素、表面官能团丰富等特点而被广泛用于土壤改良、污染物去除、固碳减排等方面。近年来,研究发现将生物炭进行物理、化学或生物改性,会强化生物炭功能,有利于生物炭的高效利用。本文综述了生物炭及改性生物炭的制备,理化性质分析及其在土壤、水体、大气中的应用,并将改性前后生物炭进行比较,客观分析了目前生物炭应用所存在的实际问题,为生物炭及改性生物炭的制备、功能强化及拓展应用提供了一定的理论依据。     

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。     

炭基微生物肥料制备工艺及性质分析

以稻壳炭与氮磷钾肥及枯草芽孢杆菌孢子粉复合,采用掺混法、吸附法、混合造粒法3种工艺,设置10%、20%和30%三种稻壳炭添加水平,小试制备了9个炭基微生物肥料样品,并对其进行电镜扫描及元素含量、pH值、总养分、有效活菌数、缓释效果等的测定与分析。结果表明,采用混合造粒法制备的炭基微生物肥料负载氮磷钾肥和微生物孢子粉最多,其次是吸附法,掺混法最少。9个炭基微生物肥料样品中各元素含量比较丰富,工艺相同时,随着稻壳炭添加量的增加,C、N含量增加而H含量减少。9个炭基微生物肥料的pH值均呈酸性或接近中性,总养分含量均达到了复合肥国家标准的要求。枯草芽孢杆菌孢子粉与稻壳炭及氮磷钾肥复合60 d后,有效活菌数为3.4×10⁵~7.0×10⁵ g^-1,同种工艺制备的炭基微生物肥料的有效活菌数随稻壳炭添加量的增加而增加。炭基微生物肥料的7 d氮素累积水溶出实验表明,9个肥料样品均有一定的缓释功能,同种工艺制备的炭基微生物肥料的氮素累积释放率随稻壳炭添加量的增加而降低。稻壳炭添加量相同时,缓释效果混合造粒法>吸附法>掺混法。综上,添加30%的稻壳炭、采用混合造粒工艺制备的炭基微生物肥料具有最优的性质,可进一步验证其效果并推广应用。     

不同生物炭对氮的吸附性能

为探究不同类型生物炭对氮的吸附性能,寻求最佳的氮素吸附材料,本文选择稻壳炭、山核桃壳炭和竹炭作为吸附剂,开展不同pH环境、反应时间、初始浓度及生物炭添加量条件下的吸附实验,研究生物炭对硝酸铵溶液中氮的最佳吸附条件,并对结果进行等温吸附拟合与吸附动力学研究。结果表明:3种生物炭对硝酸铵溶液中的氮均有一定的吸附效果,且pH环境、反应时间、初始浓度及生物炭添加量均影响生物炭对氮的吸附量。生物炭添加量为0.05 g时,在pH环境为9、吸附时间为3 h、初始浓度为100 mg·L-1的条件下,平衡吸附量达到最大,稻壳炭、山核桃壳炭和竹炭在此条件下的最大吸附量分别为23.79、13.00 mg·g~(-1)和17.60 mg·g~(-1),表明稻壳炭对氮的吸附效果最佳;Langmuir方程能更好地拟合3种生物炭对氮的等温吸附过程,表明生物炭对氮的吸附主要是单分子层吸附;准二级动力学模型能更好地描述3种生物炭吸附氮的动力学过程,表明生物炭对氮的吸附为化学吸附。综上说明,稻壳炭在最佳吸附条件下可吸附较多氮素,有望作为一种良好的吸附剂应用于土壤和水体氮素污染治理。     

蛭石改性水稻秸秆生物炭在土壤中的短期降解

稳定性是生物炭发挥固碳功能的基础,探究生物炭在土壤中的降解特征具有重要的现实意义。以水稻秸秆为生物质原料,在不同炭化温度和蛭石改性条件下制得一系列生物炭,探索其稳定性变化规律,并通过实验室恒温培养试验,研究了蛭石改性和未改性水稻秸秆生物炭在红壤、水稻土中的短期降解行为及其影响因素。水稻秸秆生物炭的碳含量随炭化温度的升高而增加,经蛭石改性后降低了20.3%～32.6%。当炭化温度从300℃升高至700℃时,生物炭的可溶性有机碳(DOC)含量表现为先增后减的变化趋势,在400℃时为最大值,700℃时为最小值。蛭石改性降低了所有生物炭的DOC含量。生物炭的H/C随炭化温度升高而降低,且经蛭石改性后有所降低。与300℃生物炭相比,700℃未改性和蛭石改性生物炭的热损失量分别降低了56.1%和56.8%。蛭石改性使生物炭的热损失量降低14.8%～45.6%。水稻秸秆生物炭的含碳官能团主要由芳香碳、烷氧碳与非取代脂肪烃组成,其中芳香碳含量最高;随着炭化温度的升高,生物炭中的芳香碳含量增加,烷氧碳与非取代脂肪烃含量下降;蛭石改性增加了生物炭中的芳香碳含量。与红壤相比,水稻土中生物炭的碳含量更低;与淹水条件相比,干旱条件下土壤中生物炭的碳含量更低。结果表明,蛭石改性在降低生物炭中碳含量的同时增加了生物炭的稳定性。相比于红壤,生物炭在水稻土中的碳降解速度更快;相比于淹水条件,干旱条件下生物炭的碳降解速度更快。综合来看,蛭石改性为显著影响生物炭在土壤中发生碳素降解的最主要因素,其次为土壤类型,水分状况的影响相对较弱。     

生物炭-凹凸棒土复合材料对水稻土锌镉的钝化及土壤养分和酶活性的影响研究

为了比较生物炭、凹凸棒土以及生物炭-凹凸棒土复合材料3种钝化剂对锌镉复合污染水稻土的钝化修复效果,本研究利用傅立叶红外光谱(FT-IR)、X射线衍射(XRD)、比表面积表征(BET)和扫描电镜(SEM)等技术手段对稻壳生物炭和凹凸棒土样品进行表征,并采用土培试验研究稻壳生物炭、凹凸棒土及生物炭-凹凸棒土复合材料对实际重金属锌(Zn)、镉(Cd)污染水稻土钝化效果及理化性质的影响。结果表明,凹凸棒土比稻壳生物炭具有更大的比表面积,且表面更不规则、更粗糙。土培试验表明,3种钝化剂均降低了水稻土中Cd和Zn的生物有效性,并在不同程度上改善了土壤理化性质。单独添加2.0%凹凸棒土和2.0%稻壳生物炭处理,分别使土壤Zn有效态含量降低了86%和51%,Cd有效态含量降低了25%和8%。2.0%生物炭-凹凸棒土复合材料施加后,土壤中Zn和Cd有效态含量分别降低了83%和23%,且土壤pH值提高至5.8,有机碳含量提高了39%。说明稻壳生物炭-凹凸棒土复合材料比单独使用凹凸棒土和生物炭更能有效地固定Cd和Zn,同时能改善复合污染水稻土的理化特性。因此,生物炭-凹凸棒土复合材料具有作为一种新型钝化材料用于土壤修复的潜力,为土壤重金属原位钝化修复提供了一种新思路。