硝酸改性秸秆水热炭结构表征与铅吸附机制研究

以玉米秸秆为原料,采用不同质量分数（10%和30%）的硝酸溶液在水热炭化前、后对样品进行改性处理,结合理化结构表征以及等温吸附模型、吸附动力学模型的拟合结果,探究了硝酸改性秸秆水热炭对铅离子的吸附机制。结果表明,经硝酸改性处理的秸秆水热炭均会形成丰富的含氧基团,水热炭化前,经HNO3改性的秸秆炭（10%N-JG和30%N-JG）呈现粗糙多孔的表面形貌和发达的中孔结构,并形成了三维无序的大尺寸微晶结构;水热炭化后,经HNO3改性的秸秆炭（JG-10%N和JG-30%N）产生了大量分布均匀、尺寸相近的微孔,并形成了三维有序的小尺寸微晶结构。通过对比发现,10%N-JG和30%N-JG对铅离子吸附效果最优,分别在3.5h和3h达到吸附平衡,理论最大吸附量可达247.51mg/g和280.09mg/g。10%N-JG和30%N-JG均符合准一级、准二级动力学模型以及Freundlich等温吸附模型,说明物理扩散和化学吸附在铅离子吸附过程中的作用同等重要。研究发现,秸秆水热炭主要依靠含氧官能团的化学吸附作用脱除水中的铅离子,其发达的中孔结构更有利于铅离子进入颗粒内部,增大了内部孔道上含氧基团对铅离子的捕捉机率,从而保证了水热炭对铅离子的高效吸附。     

旱伞草水热炭的稳定性特征及固碳潜能

为探究湿地植物旱伞草水热炭的稳定性特征与固碳潜能,分别在200、220、240℃和260℃下制备旱伞草水热炭,通过元素分析、红外光谱分析、X射线衍射分析、热重分析及化学氧化分析等方法分别探究了水热炭的理化性质及热稳定性和化学稳定性,并对不同温度水热炭的固碳潜能进行评估。结果表明：随着水热碳化温度升高,水热炭产率下降,pH值和灰分含量上升,H/C和O/C降低,—OH、—C—O等不稳定含氧官能团减少,芳香化程度增加。热重分析和稳定性系数（R₅₀）分析结果表明,不同温度制备的水热炭的R₅₀值为0.47~0.59。H₂O₂氧化试验表明,中低温（220℃）制备的水热炭的抗氧化性能最好,其氧化后稳定碳含量为54.14%。此外,固碳潜能分析结果表明,随着碳化温度的升高,旱伞草水热炭的固碳系数在30.21%~31.54%范围内波动,长期固碳潜能的CO₂当量为2.76~2.88 Mt·a^-1。研究表明：200℃和220℃制备的中低温水热炭具有较好的化学稳定性,且在短期固碳效果上具有优势;而260℃制备的高温水热炭具有最佳的热稳定性和长期固碳潜能,在固碳减排方面具有良好的应用前景。     

水热生物炭燃烧特性与动力学分析

采用热重法对锯末、玉米秸秆水热生物炭燃烧特性及动力学进行了研究,考察了不同升温速率(10、20、40℃/min)对燃烧特性的影响,分析了它们的燃烧特性及动力学参数。结果表明:1)水热炭化前后生物质燃烧质量损失集中在挥发分和固定碳燃烧阶段,升温速率快,着火温度、燃尽温度高,整体向高温区转移,综合燃烧特性指数越大;2)40℃/min时,锯末水热生物炭综合燃烧特性指数远大于玉米秸秆,在其余升温速率下区别不明显;3)以20℃/min相同升温速率时,锯末、玉米秸秆水热生物综合炭燃烧特性相对于未炭化生物质下降27%、13%;4)采用一级反应动力学模型和积分法对水热生物炭燃烧动力学进行了研究,一级反应动力学能很好的描述2种生物炭的燃烧动力学,相关系数(R2)均高于0.9,挥发分阶段活化能大于固定碳阶段的活化能。研究结果可为水热生物炭的燃烧应用能提供理论指导。     

玉米秸秆水热生物炭施用对土壤重金属Cd生物有效性和微生物群落的影响

为了探究玉米秸秆水热生物炭（简称水热炭）施用对镉（Cd）污染土壤的修复效果及作用机制,通过盆栽试验,分析了不同水热炭在不同添加率下（1%和 3%）对土壤 Cd生物有效性和作物吸收的影响,并探究了不同条件下的微生物群落结构。结果表明：与对照相比,水热炭施用显著提高了土壤有机质和溶解性有机碳含量,土壤中二乙烯三胺五乙酸提取的Cd（DTPA-Cd）和油菜叶片 Cd含量分别降低了 5.01%~20.98%和 10.82%~34.16%。提高水热温度和水热炭添加率有助于降低土壤 DTPA-Cd含量。此外,施用水热炭显著增强了根际土壤细菌的多样性和丰度,且明显改变了微生物群落结构。与对照组相比,施用水热炭显著降低了根际土壤中Actinobacteriota的相对丰度,提高了Proteobacteria和Bacteroidota的相对丰度。冗余分析表明土壤溶解性有机碳含量是影响根际土壤细菌群落结构的关键因素。因此,水热炭对重金属污染土壤有很大的修复潜力,但其对土壤重金属的长期效应有待进一步研究。     

木屑及其水热炭的热解特性和动力学对比

为全面了解木屑及其水热炭的差异,获取更多关于水热炭作为化工燃料的使用特性。该文使用热重分析仪和傅里叶红外光谱仪对比研究了木屑及其水热炭在热解过程(10℃/min升温速率)中的失重特性及其官能团变化,分析了升温速率(10、20、30℃/min)对2种样品热解失重过程的影响,采用DAEM(分布活化能模型)计算了2种样品不同转化率下的活化能。结果表明:1)在200℃反应6 h得到的木屑水热炭,化学结构与木屑相似。2)在热解过程(10℃/min升温速率)中,木屑与水热炭最大失重速率分别为0.817%/℃和1.224%/℃,温度为353.57℃和363.42℃;不同终温下半焦红外光谱分析发现,水热炭更易解聚,其碳化速度更快。3)对比3种不同升温速率下2种样品的失重曲线可知,水热处理没有影响热滞后现象,样品焦炭生成量与升温速率无关,焦炭生成量平均值水热炭大于木屑。4)DAEM模型适用于2种样品热解反应活化能的求解,木屑及其水热炭活化能分别为99.33~252.72 k J/mol和63.77~211.68 k J/mol,当转化率在0.30到0.80范围时,木屑的活化能高于水热炭。研究结果为木屑水热炭热化学转化制备焦炭提供理论依据。     

Hydrochars derived from sewage sludge: effects of pre-treatment with water on char properties,phytotoxicity and chemical structure

Large amounts of labile compounds are adsorbed to the surface of chars produced by hydrothermal carbonization (HTC). The aim of this study was to characterize the core and adsorbed fractions of hydrochars and to gain knowledge about the possibility to remove phytotoxic compounds by washings with water. Chars were produced by HTC of sewage sludge at different temperatures (180 – 200 °C) and over different periods of time (4 – 8 h). For comparison one pyrolysis char produced by thermocatalytic low temperature conversion (LTC) at 400 °C for 1 h was included in the study. The chars and their feedstocks were treated varying the duration (1 x 15, 1 × 30 and 1 × 60 min) and number (2 x 60 and 3 × 60 min) of washings. Physicochemical properties, including the molecular structure of the test materials, and their effects on germination and plant growth were analysed. Element concentrations and phytotoxic effects were reduced and the number of washings had a stronger effect than their length of time. Intensive washings with water reduced the hydrochars’ portion of biodegradable compounds significantly. However, also plant available nutrients were lost by washing with water, decreasing the value of hydrochars as a soil amendment.     

猪粪沼渣水热炭中重金属浸出特征研究

水热炭化(HTC)是处理沼渣等高含水率废弃物的有效途径,为明确猪粪沼渣(M-R)经HTC后其中重金属的浸出特征,以190℃和250℃制备的猪粪沼渣水热炭(M-190、M-250)为研究对象,探讨其中Zn、Cu、As、Pb和Cd的总量及其在不同pH条件下的浸出特征。结果表明:M-190、M-250与M-R相比,Zn分别增加4.12%、18.99%,Cu分别增加7.00%、14.00%,As分别增加26.57%、289.70%,但Pb和Cd的总量经HTC后有所降低。猪粪沼渣水热炭中溶解态重金属含量显著(P0.001)低于M-R,且M-250显著(P0.001)低于M-190,其中M-250中溶解态Zn、Cu、Pb和Cd的含量较M-190降低了50.99%、95.50%、66.47%、100.00%。pH值为2时,水热炭中重金属浸出量最大,但随着pH的增加浸出量急剧下降,当pH在4~10范围内时,各重金属浸出量维持在相近水平。研究表明,HTC对M-R中的Zn、Cu和As有浓缩作用,适当提高HTC温度可降低猪粪沼渣水热炭中溶解态重金属含量。此研究不仅有利于猪粪沼渣水热炭的安全性评价,而且HTC技术为粪污的无害化处理提供有效途径。     

天然微藻水热炭理化特性及热解动力学研究

为探索天然微藻资源化的利用途径,该文以天然栅藻为原料,采用傅立叶转换红外线光谱分析, X射线衍射分析,X射线荧光光谱分析,环境扫描电子显微镜与热重分析仪对水热炭进行测试分析。研究结果表明,随着水热温度的升高,水热炭产率从47.29%(180℃)降低至43.01%(240%);水热炭的O/C摩尔比从1.45减小至0.28,碳化程度加强,水热炭具有应用于固体燃料的潜力。鉴于水热炭含有大量灰分,其热值为8.43～9.67 MJ/kg,因此脱灰预处理是必要的过程。经过水热碳化处理,天然栅藻的比表面积从4.36 m~2/g增加到35.26 m~2/g。热解动力学结果表明随着水热温度的提高,水热炭的热稳定性增强。研究结果对天然微藻的资源化利用提供了一定的理论参考。     

秸秆微波水热炭和活性炭理化及电化学特性

为了解秸秆微波酸催化水热炭和碱活化活性炭形成机制和理化特性演变规律,该研究开展了不同柠檬酸质量分数下的秸秆微波水热和活性炭的制备试验,并研究了水热炭和活性炭理化及其电化学特性。结果表明,随柠檬酸质量分数的增加,秸秆水热炭的产率、挥发份和H含量减少,而其灰分、固定碳、C和高位热值增加,且酸质量分数为10%后趋于稳定。柠檬酸质量分数为10%时,水热炭的碳微球结构最丰富,其比表面积和孔体积最大,且以中孔为主。10%柠檬酸水热炭在900℃下经KOH活化后的活性炭产率为8%～11%,活化气体产率为32%～35%,且以CO和H_2为主。900℃活性炭的比表面积为1 250～1 570 m~2/g,总孔体积为1.00～1.20 cm3/g,孔径为3.55～4.10 nm,且以中孔和微孔为主。当电流密度为1 A/g,水稻、玉米和油菜秸秆活性炭的比电容分别为160.54、150.12和155.17 F/g,且循环5 000次后的电容保持率分别为91.04%、88.12%和89.06%,表现出较好的循环稳定性。水稻秸秆水热炭和活性炭的产率、灰分、碳转化率、能量转化率、比表面积、总孔体积、比电容和电容保持率最大。     

Hydrochar and Biochar Effects on Germination of Spring Barley

Within the framework of climate change mitigation by sequestrating recalcitrant carbon in soil, biochar is considered as a promising soil amendment. Testing any such soil additives is vitally important, as they should not cause abiotic stress for plants due to chemical constituents they may contain. Thus, germination tests with spring barley (Hordeum vulgare) were conducted to assess phytotoxic effects of biochar, hydrochar and process‐water from hydrothermal carbonization (HTC) as soil amendments. Additionally, single‐component tests with substances found in process‐waters were carried out with cress (Lepidium sativum). While biochars generally had no effect on germination, hydrochars and process‐waters significantly inhibited germination. The dissolved organic carbon content predicted the germination‐inhibiting effects observed. Three compounds resulted in partial (guaiacol) or total (levulinic acid and glycolic acid) inhibition of cress seed germination, and three others (acetic acid, glycolaldehyde dimer and catechol) had a negative impact on growth. Phytotoxic substances in chars appeared to be mostly water soluble and volatile. Pre‐treatments of hydrochars and process‐waters (i.e. storage and washing) were able to reduce germination inhibition. While phytotoxic substances that are generated during HTC stay in the products, biochars from kiln carbonization of the same feedstocks had no negative effects on germination, likely because volatiles evaporate during the conversion. Our study highlights the importance of comprehensively testing carbonized products for their compatibility with agricultural and horticultural systems.