滇池沉积物生物炭的热稳定性及化学稳定性特征

在200和500℃制备滇池沉积物(泥炭土和草海底泥)生物炭,采用热重分析法和氧化剂氧化法,分别研究其热稳定性和化学稳定性,为判断沉积物生物炭的寿命、指导其应用提供数据和理论基础.研究显示,泥炭土和草海底泥中有机组分的损失主要发生在500℃烧制过程(分别为40%和30%);泥炭土和草海底泥热解后灰分含量分别从44.35%、58.25%升高到58.78%、70.05%(500℃),且脂肪性减弱而芳香性增强.随烧制温度提高,碳结构更加致密,沉积物生物炭热稳定性显著提高.不同温度生物炭的化学稳定性未表现出明显差异,是因为大量的灰分对有机组分提供了较强的保护作用,致使原料和低温生物炭也具有较强的化学稳定性.草海底泥及其生物炭因为灰分含量较高、芳香性较强,热稳定性高于泥炭土.本研究指出,沉积物生物炭稳定性规律不同于传统生物质生物炭,灰分可以明显提高生物炭抵抗环境老化的能力.     

过氧化氢氧化对生物炭表面性质的改变及其对双酚A吸附的影响

本研究以H_2O_2作为氧化剂模拟生物炭在土壤中的化学老化过程,并通过其被氧化前后表面性质和对双酚A吸附能力的差异,来评估生物炭在土壤中的稳定性及其老化后与双酚A的相互作用。结果表明,经过为期7 d的氧化,H_2O_2的氧化使200℃下制备的生物炭结构片段流失,其吸附性能降低以及生物炭总量减少;而500℃下制备的生物炭虽然碳损失率较低,但由于其极性增强和芳香性减弱导致其吸附性能减弱。2种生物炭在土壤中长期暴露后都可能导致其吸附双酚A能力下降,相对于200℃下制备的生物炭,500℃下制备的生物炭老化后吸附双酚A的能力下降程度更大。     

林业废弃物生物炭对红壤丘陵区瘠薄土壤碳矿化的影响

生物炭施入土壤的固碳潜力已引起了世界范围的关注,研究生物炭对土壤碳矿化的影响机制对深入理解土壤-生物炭的固碳机理有重要科学意义。选取我国红壤丘陵区广泛分布的典型树种马尾松(Pinus massoniana)和杉木(Cunninghamia lanceolata)为原料制备生物炭,在控制培养条件下,生物炭按照1%、2%和5%的质量比加入土壤,研究生物炭对该区典型瘠薄土壤碳矿化的影响。培养过程中定期测定CO_2碳释放量(CO_2-C),培养结束后测定土壤微生物生物量、p H等性质。结果表明,生物炭促进了CO_2-C累积释放量,其中5%的生物炭效果最明显。采用First-order模型拟合相对碳总量(生物炭碳+土壤碳)的CO_2-C累积释放量,结果表明,该值随着生物炭施用量增加而降低,最高值出现在无生物炭的土壤对照处理。当施用量为5%时,生物炭可显著促进土壤碳总量释放;但施用量为2%时,生物炭对土壤碳释放的影响不明显。此外,土壤硝态氮和铵态氮含量均随生物炭施用量增加而降低。两种生物炭均提高了土壤微生物生物量碳含量且最高值均出现在施用5%的处理(分别为53.93±9.87和43.45±3.44 mg·kg~(-1));两种生物炭按5%比例施用时,可显著提高土壤微生物生物量氮,但施用其他比例时土壤微生物生物量氮变化不明显。因此,对采用林业废弃物生物炭改良红壤丘陵区的土壤而言,应采取较低量的施用策略,在达到土壤-生物炭固碳目标的同时亦可避免短期内的土壤碳损失。     

生物炭尺寸效应对土壤污染修复的差异调控

生物炭是一种富含碳的材料,可以由各种有机废物原料制备,例如木材废料、农业废物和城市污水污泥.生物炭因其碳含量高、阳离子交换容量高、比表面积大、结构稳定等特性而受到越来越多的关注.本文系统地分析和总结了生物炭的原料来源与性质及在污染土壤修复方面的应用.基于生物炭的理化性质差异,重点阐明了生物炭尺寸效应对土壤污染物的作用机理,并对其修复土壤污染物和改善土壤质量进行了深入讨论.此外,在将生物炭实际应用于环境修复时,应更加关注生物炭老化后性能的改变.综上所述,生物炭在环境修复中具有广阔的应用前景,尺寸效应差异调控土壤污染物的作用机理需要更深一步的研究.     

生物质炭施加对新成水稻土碳组分及其分解的影响

将玉米芯热解炭化的生物质炭施加于长江沉积物新成土上发育的稻田土壤中,1 a后采集土壤并进行土壤碳分组及土壤培养;基于生物质炭与土壤的碳同位素丰度差异,量化生物质炭来源的有机质在土壤组分中的分布,分析施用生物质炭对土壤碳组分及其培养过程中分解动态的影响。结果表明,施用生物质炭可显著增加各级团聚体的有机碳含量,大部分(76%~90%)生物质炭以游离态形式存在于大团聚体(250μm)和微团聚体(50~250μm)外,少部分与微团聚体或20μm土壤矿质较紧密地结合。添加的生物质炭未促进土壤团聚体的形成。土壤中生物质炭自身的分解很弱,但不同程度地促进了原有土壤碳的分解。该试验初步证实,生物质炭单独施用未明显促进新成土上发育的稻田土壤有机碳的稳定,反之短期内可能加速土壤原有有机碳的分解。     

氧氟沙星和诺氟沙星在磷酸改性生物炭上的等温吸附行为

本研究考察了不同制备温度下(200℃、350℃、500℃、650℃),磷酸改性前后生物炭的理化性质,及其对氧氟沙星(OFL)和诺氟沙星(NOR)的等温吸附行为.采用N2物理吸附、扫描电镜、热重及元素分析等表征,对离子型抗生素在磷酸改性的生物炭上的等温吸附行为进行了研究.结果表明,随着制备温度的增加,改性生物炭的总孔体积不断增大,孔隙结构广泛形成,比表面积急剧增加.磷酸改性有助于提高生物炭的产率以及保留生物炭的极性官能团.OFL和NOR在改性生物炭上的吸附显著高于原始生物炭,且350℃下制备的改性生物炭具有最大吸附量,其吸附机制归因于吸附剂的大比表面积和孔隙填充作用.由于孔隙的利用率降低和炭的疏水性增强,OFL和NOR在更高温度改性生物炭上的吸附量逐渐降低.因此,在处理以上两种污染物时,350℃可作为磷酸改性生物炭的最佳裂解温度,且有利于减少能耗,节约资源.     

条浒苔与玉米秸秆热解特性及所制生物炭性质对比

为探讨沿海绿潮藻类浒苔的资源化利用潜力,应用热重-差示扫描量热技术(TG-DSC)对条浒苔(Enteromorpha compressa)和玉米(Zea mays)秸秆的热解特性及其在不同温度下制成的生物炭的性质进行对比。结果表明,条浒苔与玉米秸秆热解特性有较大差异,条浒苔热稳定性较差,热解反应温度低,制备相同热解温度的生物炭需热量较少。对2种材料所制备生物炭的性质分析表明,条浒苔基生物炭的w(碳)为33.47%~37.86%,仅为玉米秸秆基生物炭含量的49.07%~65.41%,其芳香化合程度、比表面积均低于相同热解温度下玉米秸秆基生物炭;但条浒苔基生物炭灰分和氮含量却远高于玉米秸秆基生物炭,分别是玉米秸秆基生物炭的3.83~4.53和6.39~30.33倍。     

玉米秸秆生物炭和碳骨架的制备及对农田土壤CO2排放的影响

为探明生物炭对黄土高原石灰性农田土壤CO_2排放的影响及机理,于400、600和800℃条件下制备玉米秸秆生物炭(BC),并采用热水浸提法制备碳骨架(BS)。在分析材料基本性质的基础上,将其分别按质量比1%和2%与土壤充分混匀,开展为期50 d的室内静态土壤培养实验。结果表明,随着热解温度的升高(从400℃上升到800℃),玉米秸秆生物炭和碳骨架的pH值和总碱性含氧官能团含量显著增加,而溶解性有机碳(DOC)含量、易氧化有机碳(ROC)含量和总酸性含氧官能团含量则显著降低(P0.05)。碳骨架DOC和ROC含量均显著低于同一热解温度条件下制得的生物炭(P0.05)。随着添加材料(生物炭或碳骨架)热解温度的升高,各处理CO_2累积排放量呈降低趋势,且添加生物炭处理的CO_2累积排放量高于添加碳骨架处理,尤其是BC-2%处理CO_2累积排放量显著高于BS-1%处理(P0.05)。在整个培养过程中,培养体系的DOC和ROC含量均呈降低趋势,但DOC含量降低幅度(87.90%～89.18%)大于ROC含量(19.29%～38.49%);培养过程中400、600和800℃处理DOC和ROC含量均呈BC-2%BC-1%/BS-2%BS-1%对照趋势。在添加生物炭或碳骨架处理中,与ROC含量相比,DOC含量对CO_2排放变化的解释程度更高,且达到显著水平(P0.01)。DOC和ROC含量均是影响黄土高原石灰性农田土壤CO_2排放的重要因素,但相比较而言,DOC含量的影响更加显著。     

生物炭来源、性质及其在重金属污染土壤修复中的研究进展

生物炭在改良土壤、固碳与环境修复等方面的良好特性使其成为农业和环境保护领域的研究热点。然而由于生物炭的稳定性强、比表面面积大,施用到土壤后会改变原有的土壤环境,影响重金属在土壤中的环境行为。本文就生物炭制备、特性、土壤重金属的稳定化机制及影响因素进行综述,在此基础上,对生物炭在土壤中的环境行为及归趋、重金属污染土壤的生物炭修复机理及环境效应、生物炭前体物的环境风险与生物炭作为负载材料等方面进行了展望。     

生物炭/铁复合材料的制备及其在环境修复中的应用研究进展

生物炭/铁复合材料(比如生物炭/纳米零价铁(nZVI),生物炭/硫化亚铁和生物炭/氧化铁),由于其优异的理化性质而被广泛应用于环境污染修复.本文首先总结了生物炭/铁复合材料的制备方法和表征手段,制备方法主要有热解法,水热碳化,沉淀和球磨法等.其次,通过综述生物炭/铁复合材料在有机污染和无机污染修复中的应用,阐明生物炭/铁复合材料的在环境修复中的应用机制以及复合材料中铁与生物炭的协同作用机理.总体而言,由于铁和生物炭之间的协同作用,提高了复合材料的比表面积,官能团和电子传递效率,从而增强生物炭/铁复合材料的性能.最后,提出了未来生物炭/铁复合材料的研究方向,进一步推动生物炭/铁复合材料在环境修复中的应用.     

施用生物炭对土壤微生物的影响

作为生物质材料的热解产物,生物炭被认为是很有前景的环境污染治理与生态修复材料.多方面的研究说明,生物炭的多孔、大比表面积、丰富的官能团等性能,使其具有"锁定"碳,固定土壤污染物,改善土质等功能,从而从土壤物理化学的角度证实了生物炭在土壤污染治理与改良方面的作用,但至于生物炭对土壤微生物的影响及其长期效应尚处于起步阶段.本文总结分析了近年来国内外生物炭与土壤微生物相关的研究成果,得出生物炭能通过改变土壤资源储备(如可利用C、营养物质、水分等)、非生命成分(如p H、CEC等)等理化性质,加快土壤细菌和真菌的生长与繁殖,影响土壤微生物群落结构和功能.可见,生物炭土地利用的优点不容置疑,为了实现其规模化应用,生物炭的施用剂量、生物炭-微生物-污染物的作用机理等问题亟待深入地研究,生物炭对土壤微生物及养分循环的长期影响还有待于系统地展开.     

两类生物炭的抗氧化性比较

通过对有机碳损失率及其半衰期的考察,探讨了植物及沉积物两类生物炭在4种不同的氧化剂NaClO、H2O2、Fenton试剂和KMnO4氧化时的稳定性.结果表明,木质素的含量是影响植物及其生物炭抗氧化性的主要因素;而对于沉积物及其生物炭,无机矿物对有机碳的保护作用是其稳定的主要机理.与原生物质相比,所有生物炭均表现出较高的稳定性,可以更加稳定地固定碳.     

不同秸秆材料与制备工艺下生物炭性质及对土壤重金属的钝化效应

以芦苇、玉米秸秆为原材料,采用正交实验设计方法制备不同处理生物炭,并将其应用到重金属污染土壤修复中,以寻求最佳的生物炭制备工艺并探讨其对土壤中Cd和Pb的钝化效果.结果表明,对生物炭制备影响最大的因素是炭化温度,温度升高会使炭产率下降,pH和灰分含量增加,比表面积在一定范围内也会大幅增加;其他因素如原料含水率、升温速率...     

生物炭降低土壤中2,4,6-TCP有效性能力的评估

2,4,6-三氯苯酚(2,4,6-TCP)作为杀菌剂、除草剂、防腐剂被广泛应用于农业,土壤中2,4,6-TCP污染引起了人们的关注。采用批平衡实验研究了2,4,6-TCP在4种土壤(乌栅土、红壤、黑土、潮土)中的淋溶迁移性,以及在生物炭和土壤中的吸附效果。结果表明,2,4,6-TCP在土壤中淋溶迁移性大小顺序为潮土乌栅土黑土红壤。2,4,6-TCP在4种土壤中吸附等温线采用Freundlich方程拟合最佳,在乌栅土、红壤、黑土和潮土中的吸附常数Kf分别为0.775 9、75.01、100.3和0.904 7。红壤和黑土对2,4,6-TCP有很强的吸附能力,吸附曲线呈较为明显的非线性,可能为表面吸附;而乌栅土和潮土的吸附能力很差,吸附曲线呈较为明显的线性,可能为分配作用。由不同原料(稻杆、果壳、椰壳)制备的生物炭对2,4,6-TCP吸附量有明显的差异,其中椰壳生物炭吸附效果最好。添加椰壳生物炭后,土壤对2,4,6-TCP吸附能力增强,生物炭在土壤-生物炭混合体系吸附2,4,6-TCP中起主导作用,且受土壤类型的影响。并通过模型评估生物炭修复2,4,6-TCP污染土壤的可行性,其中椰壳生物炭修复效率最高,去除土壤中50%的2,4,6-TCP所需椰壳生物炭用量为2 675 kg·hm-2。研究结果为生物炭降低土壤中2,4,6-TCP有效性的评估和修复2,4,6-TCP污染土壤提供了科学依据。     

黑碳对土壤和沉积物中菲的吸附解吸行为及生物可利用性的影响

利用淡水单孔蚓Monopylephorus limosus的生物富集实验,研究了黑碳对土壤和沉积物中多环芳烃类有机化合物菲生物可利用性的影响,同时研究了黑碳对菲吸附和解吸行为的影响,并用"双元平衡解吸(DED)模型"对解吸行为进行了预测.结果表明,土壤和沉积物中黑碳的存在直接导致了菲在颤蚓体内的生物累积因子(BSAF)的降低,其原因在于菲在黑碳沉积物样品中的不可逆吸附程度的显著增强.研究发现,土壤和沉积物中菲的生物可利用性与土壤和沉积物中菲的吸附相浓度无关而与孔隙水浓度密切相关.     

生物炭的老化及其对温室气体排放影响的研究进展

生物炭是生物质在无氧或限氧条件下经高温热解后产生的多孔富碳物质,其被广泛施加到土壤中改良土壤性质,调节温室气体排放。生物炭施入土壤后,长期受外界物理、化学和生物等环境作用导致生物炭性质发生缓慢改变,这个过程称为生物炭的老化。文章综述了原位生物炭自然老化和实验室模拟老化的方法以及老化后生物炭理化性质的变化,从理化性质变化的角度论述了生物炭老化过程对二氧化碳(CO_2)、甲烷(CH_4)和氧化亚氮(N_2O)这3种温室气体排放的影响,并初步解释生物炭老化过程对增加或减少温室气体排放的可能机制。主要内容如下:生物炭老化方法可以分为自然老化和人工模拟老化,模拟老化方法包括生物、物理和化学老化。生物炭发生老化后,生物炭的比表面积(SSA)和孔容根据老化强度而有不同变化,自然或人工模拟的温和老化方法使生物炭表面上有新的纳米微孔生成,生物炭SSA增加,而使用强酸或强氧化剂的强烈老化方式可破坏生物炭孔隙结构,导致SSA和孔容下降。从化学性质方面来讲,生物炭C/N比随老化过程而降低,但是O/C比却随老化过程而升高;此外,当生物炭老化时,生物炭表面含氧官能团增加,例如羧基、羰基和酚基等,这些含氧基团可以和阳离子结合形成羧酸盐和酚盐,同时释放H~+,导致老化生物炭的pH值降低。基于有限的研究报道,老化生物炭仍然具有一定的CH4减排潜力,这得益于土壤通气状态的改善和甲烷氧化菌氧化CH_4潜力提升。相反,由于生物炭极性增强和pH值降低,生物炭老化过程有促进土壤有机质矿化增加CO_2和N_2O排放的趋势。然而为了辅正这一论断,准确评估生物炭老化的环境效应,长期原位生物炭老化并同时设置新鲜生物炭对照的研究需要进一步开展,以探明生物炭老化过程对温室气体排放的影响机制,为生物炭生产和合理施用提供科学应用指导。     

生物炭及其复合材料在土壤污染修复中的应用研究进展

人类活动产生的重金属与农药残留的有机污染物在土壤中的积累致使土壤遭受严重污染,引发了一系列生态问题。生物炭及其复合材料因其独特的表面结构使其可通过物理或化学等作用吸附土壤中的污染物,限制其在生态系统中的迁移与传递过程,进而改善土壤理化性质,因此生物炭在土壤污染治理方面的应用研究越来越多地引起关注,但多数研究局限于实验室水平。文章对近年来生物炭及其复合材料在自然土壤环境中的应用的相关研究进行了整理,从重金属与有机污染物两个方面切入,阐述了不同生物炭材料在污染土壤中对两类污染物的作用机理;介绍了生物炭的改性和复合方法及其应用优势,同时对生物炭材料在污染土壤修复中的研究重点进行了展望。复合材料可以显著增强生物炭对污染物的吸附性能。从吸附机理上看,生物炭及其复合材料对重金属污染多以静电作用、离子交换作用、表面官能团作用为主;对有机污染物则主要以分配作用、吸附作用、孔隙填充为主,但在实际应用过程中,这些机理往往共同发挥作用,只是贡献程度不同。另外,生物炭及其复合材料也可通过提高土壤质量间接增强土壤对污染物的抗性等。虽然纳米材料能够增强生物炭的性能,但其对土壤中微生物的毒性机理尚不完全清楚。综上所述,生物炭及其复合材料在自然土壤环境中的应用能显著降低污染物的毒性,但新型生物炭复合材料的作用机理有待进一步的研究和论证。     

利用苯多酸生物标记物表征生物炭的含量及特性

生物炭一旦施用到环境中以后,其物理化学性质可能会发生改变.然而,由于生物炭难以从土壤颗粒中分离出来,从而制约了对其施用后性质和功能的动态描述.苯多酸(BPCAs)是稠环芳烃的氧化产物,其作为生物标记物质能对炭黑的含量和特性进行描述.本研究尝试将苯多酸生物标记物技术用于生物炭性质研究中,以不同生物质(玉米秸秆和松木屑)在不同温度(200—500℃)下制备的生物炭为研究对象,通过元素分析及BPCAs生物标记物测定,对生物炭含量及特性进行描述.研究结果表明,BPCAs与元素分析对生物炭性质和特性的描述结果一致,BPCAs的含量随制备温度增加而增加,玉米秸秆生物炭中BPCAs含量从109 mg·g~(-1)C增加到426 mg·g~(-1)C,松木屑生物炭中BPCAs含量从21 mg·g~(-1)C增加到456 mg·g~(-1)C.B6CA所占百分比也随制备温度增加而增大,表明生物炭芳香缩合度随制备温度增加而增加.这一结果显示,BPCAs生物标记物方法有可能对生物炭的含量和特性进行一定的描述,生物标记物技术的引入,将为动态理解生物炭性质提供有力的工具.     

裂解温度对稻秆与稻壳制备生物炭表面官能团的影响

以稻秆和稻壳为原料,在不同温度下(300、400、500、600、700℃)采用热裂解法制备生物炭,利用比表面积及孔径分析仪测定各生物炭比表面积,以傅里叶红外光谱图(FTIR)和Boehm滴定法分别定性和定量分析不同生物炭表面官能团的种类和数量,分析不同温度对不同原材料制备生物炭的表面官能团种类和数量的影响.结果表明,中、低温裂解条件(300、400、500℃)下,同温度稻壳生物炭(RC-H)比表面积显著高于稻秆生物炭(RC-S);高温裂解(600、700℃)条件下,同温度RC-S比表面积则更大.随裂解温度升高,两种原材料制备的生物炭比表面积均呈显著增大的趋势,其中稻秆在600℃下制备的RC-S比表面积最大,稻壳在700℃下制备的RC-H比表面积最大.FTIR分析结果显示,同一温度下两种材料制备的生物炭特征吸收峰基本相同,且表面基团种类大致相同,但RC-S较RC-H表面官能团更丰富,在热解过程中均形成了芳香环结构,且芳香化程度随裂解温度升高而增加.不同裂解温度下两种材料的生物炭表面官能团变化规律相似,主要表现为烷烃基随裂解温度升高而缺失,甲基(—CH3)和亚甲基(—CH2)逐渐消失,而芳香族化合物增加,芳香化程度增强.Bohem滴定结果表明,各裂解温度下RC-S的表面官能团总量和碱性官能团数量均高于RC-H,而各裂解温度下RC-S的酸性官能团含量均小于RC-H.随裂解温度升高,两种材料制备生物炭的表面官能团变化规律相似,表现为表面官能团总量均减少,酸性官能团含量降低,碱性官能团含量增加.     

生物炭对土壤中微生物群落结构及其生物地球化学功能的影响

生物炭是由生物质在完全或部分缺氧的情况下经热解炭化产生的一类高度芳香化难熔性固态物质,具有改善土壤理化性质、调控营养元素循环、防治重金属、多环芳烃等污染物迁移转化等功能,因此,在土壤改良与修复领域具有较好的应用前景。但是,生物炭的施用将对土壤中的微生物群落结构组成带来影响,从而改变整个生态系统的物质循环过程。本文综述了近年来国内外有关生物炭对土壤微生物分布影响的研究进展,探讨了生物炭对土壤微生物生长代谢的作用机制,阐述了生物炭对于微生物主导的土壤生物地球化学过程产生的影响作用。相关研究发现,土壤总微生物生物量在生物炭施用后或增加,或不变,或呈现下降趋势;不同种类微生物对于生物炭的响应非常复杂,从而呈现出各异的土壤微生物群落结构组成。生物炭对微生物生长代谢的影响源于改变p H环境、影响水分分布、调节养分循环等多种机制的协同作用,而生物炭在对环境物质的吸附以及对微生物的直接吸附方面扮演着重要角色。同时,生物炭对于土壤微生物群落结构组成的影响还会随着时间的推移而发生变化。生物炭对土壤中微生物分布的改变还会进一步影响微生物的生物地球化学功能,对温室气体排放、碳氮循环和有机污染物降解等生物地球化学过程产生重要影响。因此,有待开展更多关于生物炭对于土壤微生物分布及其生态功能的影响的深入研究,以期更全面地评价生物炭对土壤环境质量的影响作用,为生物炭的实际应用提供依据。