不同原料生物炭的理化特性及其作炭基肥缓释载体的潜力评价

生物炭作炭基肥缓释载体的能力与其理化性质密切相关,因此在制备炭基肥前有必要对不同原料和热解温度制备的生物炭的理化性质进行评价.以苹果枝条、棉秆和杜仲枝条为原料,通过生物质干馏设备在400、 500、 600和700℃热解温度下制备生物炭,并对生物炭的pH、比表面积及孔隙结构、表面官能团和矿物组成等理化性质进行表征和灰色关联度分析,结合生产成本评价生物炭用于炭基肥缓释载体的潜力.结果表明,3种原料制备的生物炭的产率均随热解温度的升高而降低,其中400℃制备的苹果枝条生物炭的产率最高（37.4%）.所有生物炭的pH值均>10,表现出强碱性.在400～500℃热解温度范围内,苹果枝条、棉秆和杜仲枝条生物炭的比表面积和总孔容随温度的升高增大,最大比表面积分别为265.262 7、 107.449 1和316.185 4 m²·g^-1;当热解温度>500℃时,比表面积和总孔容减小.FTIR和XRD图谱分析表明,所有生物炭具有丰富的芳香结构,其中苹果枝条和棉秆生物炭含有较多的矿物组分,杜仲枝条生物炭为非晶生物炭.灰色关联分析表明当热解温度为5...     

纳米生物炭的制备方法比较及其特性研究

本研究以常见农林废弃物—果木枝条、玉米秸秆和花生秸秆为原料,在350~550℃条件下热解制得五种本体生物炭;采用离心法、球磨法、球磨+离心法3种方法提取纳米生物炭,进而对本体生物炭和纳米生物炭的比表面积、元素含量、矿物组成和表面化学性质等进行比较,以探究物料来源、热解温度和制备方法对纳米生物炭性质及稳定性的影响.与本体生物炭相比,球磨法制得的纳米生物炭比表面积增大1.36~6.94倍,但产物未达到纳米颗粒级别,且在水体中稳定性较弱;球磨+离心法制得的纳米生物炭直径为70.06~103.43nm,在水体中稳定性强;离心法制备的纳米生物炭各项指标均不如其他两种方法.纳米生物炭的产率为2.27%~34.80%,且产率随温度的升高而降低.与本体生物炭相比,纳米生物炭含有更多的羟基等含氧官能团和更少的脂肪碳链.与果木枝条制备的纳米生物炭相比,玉米秸秆和花生秸秆来源的纳米生物炭产率高,但水稳性较差,易发生凝聚.果木枝条来源的纳米生物炭碳酸盐等碱性矿物含量丰富,且由于颗粒表面含氧官能团数量多而zeta电位绝对值高,悬液可以稳定分散.不同方法制备得到的纳米生物炭优缺点各异：球磨法制得的纳米生物炭比表面积更大;球磨+离心法制备的玉米和花生秸秆纳米生物炭的产率更高;低温热解果木炭提取的纳米生物炭水稳性更强.     

热解温度对畜禽粪便生物炭重金属特征变化的影响

为了揭示畜禽粪便生物炭中重金属的特征变化,以鸡粪、猪粪渣和牛粪为原料,采用低氧控温法制备生物炭,研究了不同热解温度(350、450、550、650和750℃)的畜禽粪便生物炭产率、重金属(Cu、Zn、Cd、Pb、Cr和Ni)含量和相应富集系数的变化,以及原料来源、热解温度和重金属特征的相关性.结果表明,随着热解温度的升高,畜禽粪便生物炭产率逐渐下降,各重金属元素含量(Cd除外)逐渐增加,多数重金属富集系数呈降低的趋势,总体上高温热解虽增加了畜禽粪便生物炭的重金属含量,但也利于炭化过程中重金属的挥发迁移.畜禽粪便生物炭中重金属含量与热解温度、原料来源密切相关,其中与热解温度的相关性均显著,各生物炭的重金属富集能力表现为鸡粪猪粪渣牛粪.综合分析发现,热解温度对畜禽粪便生物炭的重金属特征变化有显著影响,选择低重金属含量和低富集系数的畜禽粪便可避免高温制备的生物炭在实际应用中由自身重金属可能带来的二次污染.     

基于城市固体废弃物的生物炭制备及其在垃圾填埋场和土壤改良中的应用研究进展

近年来,以城市固废为原料制备生物炭为其资源化利用开辟了新思路,但在制备方式、影响因素及主要应用领域仍缺乏有效阐述。介绍了生物炭的制备方式,系统分析了城市固废原料、生产工艺对生物炭产率和性质等影响;在此基础上,概述了生物炭在垃圾填埋场治理修复(渗滤液处理、垃圾填埋场覆盖、可渗透反应墙材料)和土壤改良(理化性质、营养环境)的应用现状。结果表明:1) 热解和水热碳化是城市固废制备生物炭的常用方式,其形成的生物炭具有较大的比表面积、孔隙率及更丰富的组分,对污染物质(如I-、Cu2+等)具有较强的吸附能力;2) 城市固废自身特性及生产工艺都会对所得生物炭的性质产生影响;3) 以特定城市固废生产的生物炭可用于垃圾填埋场修复和土壤改良,对填埋场造成的土壤、大气、地下水污染均具有良好的处理效果,也能充分提高土壤养分的有效性。该成果可为基于城市固废的生物炭生产及环境治理修复相关研究提供参考。     

热解温度对污泥基生物炭结构特性及对重金属吸附性能的影响

鉴于污泥基生物炭作为重金属吸附剂的研究还缺乏足够的数据,为探讨不同热解温度对生物炭结构性质及其对水体重金属吸附能力的影响,在缺氧条件下于300~900℃范围内以城市污泥为原料制备生物炭,利用元素分析、比表面积测定、电位测定和红外光谱分析等方法对生物炭的理化性质和结构特征进行表征,并选用900℃生物炭进行了吸附重金属Pb、Cr和Cd的试验研究.结果表明:① 300~900℃缺氧条件下制备的生物炭产率为44.39%~69.41%,污泥呈弱酸性（pH为6.35）,热解后的生物炭呈碱性（pH为7.7~10.58）.② 900℃生物炭中w（H）、w（N）大幅降低,分别比干污泥中减少89.50%和77.16%,而w（C）降低29.22%,固碳作用显著.热解后生物炭比表面积明显增大,700和900℃生物炭比表面积分别达到58.48和87.55 m2/g,最佳制备温度为700~900℃.③ 热解后的生物炭具有大量极性基团,热解温度越高,酸性基团越少,碱性基团含量增多.④ 热解作用使生物炭zeta电位升高,吸附能力增强.⑤ 900℃生物炭吸附Pb、Cr和Cd的最佳pH为7~8,对Pb、Cr和Cd的最大吸附量分别为2.38、2.48和1.16 mg/g.⑥ 各因素对生物炭吸附重金属的影响顺序,对于Pb和Cr表现为生物炭投加量>热解温度;对于Cd,表现为生物炭投加量>pH.研究显示,污泥基生物炭对Pb、Cr的吸附能力高于Cd,影响生物炭吸附行为的主导因子为生物炭投加量,影响Pb和Cr吸附的次要因子为生物炭热解温度,而影响Cd的次要因子为pH.生物炭吸附重金属的主要机理是离子交换吸附、络合反应、表面沉淀和竞争性抑制作用.      

污泥基生物炭导电性能的构效机制研究

本文通过制备工艺参数的调控,探究芳香化程度、缺陷程度、表面官能团等微结构与污泥基生物炭导电性能之间的构效机制.结果表明:污泥基生物炭芳香化程度越高,其π-π共轭结构越有利于电子的传递,因而导电性能越强.同时,与纯生物质炭规律相反,生物炭的缺陷程度随热解温度的升高而增大.结合XRD对污泥基生物炭成分的分析,该规律可能与污泥中难分解物质在生物炭表面的分布有关.热解温度为900℃,热解时间为30min条件下制备的生物炭电阻率仅为6.834?·cm,已经和纯生物质炭的导电性能极为接近.电化学测试表明低温(≤600℃)下制备的生物炭可能主要通过表面的氧化还原基团或金属完成电子转移,而高温下(>600℃)制备的生物炭则主要依赖其类石墨化结构完成电子的传导.     

热解温度对浒苔基生物炭重金属特征的影响

利用限氧控温炭化法制备浒苔基生物炭,探讨了不同热解温度(200、300、400、500和600℃)对生物炭产率、生物炭重金属(Cu、Zn、Cr、Cd、Pb、As、Hg)总量及其水溶态重金属含量的影响。结果表明:生物炭产率随热解温度升高而降低。生物炭中Cu、Zn、Cr、Cd、Pb含量较原料均有显著增加,而As和Hg含量均低于原料。总体上热解碳化可促进浒苔基生物炭中Cu、Zn、Cr、Cd及As的挥发迁移趋势,但Pb则呈现富集趋势。此外,生物炭水溶态重金属含量低于原料,且热解温度与水溶态重金属含量呈负相关性,表明热解过程可降低这些重金属的溶出。     

挺水植物生物炭对硫丹的吸附及催化水解作用

以美人蕉、菖蒲、芦苇、茭白、再力花、芦竹等挺水植物为原料,在限氧升温（550℃）条件下制备6种不同性质的生物炭,研究其组成及结构对硫丹吸附和催化水解作用.结果表明：550℃下热解,湿地植物生物炭所含灰分高于一般农产品废弃物,介于10.88%~31.11%间.生物炭表面芳香类官能团较多,孔隙部分呈碎片化,以介孔为主.6种生物炭对硫丹都具良好吸附性能.吸附行为主要发生在含致密有机质的生物炭表面,包括疏水、扩散及分配作用等.中/碱性条件下,美人蕉生物炭、菖蒲生物炭及再力花生物炭能有效去除水溶液中的硫丹,去除率为96.77%~98.57%.中性条件下,因生物炭对硫丹的催化,对硫丹的去除率提高约16.57%~72.57%.     

镁改性生物炭制备条件对其氮、磷去除性能的影响

以林木废弃物为原料,通过干式热解和湿式热解,制备镁改性生物炭,并探索其对污水中氮、磷的同步去除性能。研究表明:干式混合热解和湿式浸渍热解制备的生物炭吸附效果无显著差异;MgCl_2浸渍制备改性是生物炭制备的适宜方法,浸渍浓度、热解温度、热解速度及生物炭粒径均会对吸附效果有影响;最优条件下,镁改性生物炭对氮和磷的吸附量分别为35.28,110.29 mg/g。除了吸附作用,镁改性生物炭表面形成了鸟粪石沉淀(MgNH_4PO_4·6H_2O),可作为一种缓释型炭基氮磷复合肥。     

催化剂在生物质水热碳化过程中的应用研究进展

在追求废弃物资源化利用的过程中,生物质转化技术受到广泛关注。水热碳化法目前被认为是将高含水率生物质转化为生物炭的最有效技术之一,其与传统的热解炭相比,获得的水热炭具有灰分低、热值高、比表面积大、吸附能力强等特点。然而,生物质原料的差异需要更高的能耗优化,以此提高水热炭产率和性能。添加催化剂可以克服这一问题,对提高原料的反应速率及水热炭热稳定性具有重要意义,但少有文献归纳总结催化剂在生物质水热碳化过程中的应用。将催化剂分为盐类、酸类、金属氧化物、沸石和组合催化5种类型,探讨添加催化剂对水热炭产率和理化性质的影响,分析各类催化剂的催化反应机理,总结其在水热碳化中的催化特点,并讨论了催化剂在生物质水热碳化中未来重点研究方向。     

铁修饰生物炭的制备及在砷污染土壤修复中的应用

生物炭因具有较大的孔隙度、比表面积以及较强的吸附能力等优点,在环境污染修复、土壤改良和固碳方面应用广泛.由于大多数生物炭表面带有负电荷,而土壤中的无机砷主要以砷酸盐和亚砷酸盐等阴离子形式存在.因此,生物炭对砷的吸附效率通常较低,需要对生物炭进行改性以提升其对砷的吸附效果.零价铁和氧化铁等铁基材料对砷吸附能力强且来源广泛,通过沉淀法、热解法、球磨法和微生物法等方法将铁基材料与生物炭负载形成铁修饰生物炭,可将二者的优良特性相结合,拓展生物炭材料在环境修复中的应用.在对近年来有关铁修饰生物炭的文献进行系统分析的基础上,综述了常见的铁修饰生物炭的制备方法,比较分析了生物炭基底、铁修饰材料以及两者对砷的协同作用机制,并简要阐述了铁修饰生物炭在土壤污染修复中的应用现状,最后对铁修饰生物炭的未来研究方向提出了展望.     

制备温度对竹炭基生物炭理化特征的影响

生物炭作为新型环境功能材料,在环境污染修复、土壤改良、温室气体减排、强化污水生物脱氮方面应用前景广阔。为探究不同制备温度对竹炭基生物炭理化特征的影响,以竹粉为原料在不同温度条件下制备生物炭,并对其得失电子能力（EEC）、表面官能团及元素组成等进行表征。结果表明:当热解温度从300℃升高到700℃的过程中,电子供给能力（EDC）总体呈先升高再降低的规律,其中300,400℃下热解得到的生物炭EDC最高,分别为0.33,0.35 mmol e-/g,具有更高的强化生物脱氮潜能;600℃下制备的生物炭EDC最低,为0.07 mmol e-/g。由元素含量计算所得的平均氧化度C_ox与EDC的结果相对应。随着制备温度的升高,热解所得生物炭的平均氧化度由负值变为正值,300,400℃下热解得到的生物炭的C_ox为负值,表明300,400℃条件下比500~700℃下所得生物炭还原性更强,氧化性更弱,即电子供给能力（EDC）更大,电子接收能力（EAC）更小。傅里叶红外光谱结果显示,300,400℃下热解所得生物炭羟基含量最高,与其EDC的结果相吻合。     

荷梗生物炭理化性质及其对水中Cd的吸附机制

为探究HBC（荷梗生物炭）的基本理化性质及其对水中Cd2+的吸附机制,以荷梗为原料,在300~700℃热解温度下制得HBC,通过灰分分析、元素分析、SEM（扫描电镜）分析及FTIR（傅里叶红外光谱）分析初步探明HBC的基本理化性质并确定其最优热解温度,同时利用经典的吸附动力学模型和等温吸附模型对HBC吸附水中Cd2+的内在机制进行分析.结果表明:HBC的最优热解温度为400℃,灰分物质显著影响了HBC的pH,进而对其吸附性能产生影响.SEM分析结果显示,HBC具有发达的多孔结构,其中400℃下制备的HBC（记为HBC-400）多孔结构最优.元素分析结果显示,HBC中φ（C）逐渐升高而H/C[φ（H）/φ（C））]、O/C[φ（O）/φ（C）]下降,表明随热解温度升高HBC逐渐失水且炭化程度逐渐增强.FTIR分析表明,HBC表面存在大量羟基、羧基和羰基等含氧官能团,随热解温度升高,HBC芳构化程度增强而表面官能团丰度降低.试验条件下,HBC对Cd2+的平衡吸附量已达39.239 mg/g,吸附平衡时间为600 min.通过对吸附动力学及等温吸附模型拟合结果分析可知,水中Cd2+在HBC上的吸附是发生在多相异构表面的多分子层混合吸附.综合考虑HBC的理化性质及模型拟合结果可以推测Cd2+在HBC上的吸附可分为3个过程:① Cd2+在浓度梯度力作用下由溶液迅速扩散到HBC表面.② Cd2+与HBC表面官能团发生络合、离子交换反应,与金属氧化物、碳酸盐等发生共沉淀反应.③ Cd2+扩散到HBC的多孔结构中,与苯环上普遍存在的π电子结构发生阳离子-π作用.研究显示,HBC具有碱性、发达的多孔结构、丰富的表面官能团和高稳定性等优良性质,HBC对水中Cd2+的吸附是在其多孔介质表面进行的化学主导吸附过程,因此,可为生物炭类环境功能材料的研制提供选材依据.      

水葫芦/污泥共热解法制备生物炭粒及其对Cr3+的吸附特性

为了促进水葫芦和污泥的资源化利用,探究水葫芦/污泥生物炭粒的基本理化性质及其对水中Cr3+的吸附机制,以水葫芦、污泥为原料,在300~500℃热解温度下制得生物炭粒,通过产率分析、灰分分析、比表面积和孔径分析及SEM（扫描电镜）分析,同时利用吸附动力学模型和等温吸附模型对生物炭粒吸附水中Cr3+的内在机制进行研究,最后采用TCLP（毒性浸出法）测定了不同生物炭粒中重金属的浸出毒性.结果表明:随着热解温度从300℃升至500℃,生物炭粒的产率从14.93%降至11.75%,生物炭粒的灰分含量逐渐升高,比表面积增大.SEM结果显示,水葫芦与污泥质量比为1:10时,生物炭粒比表面积较大,孔隙结构明显.当水葫芦与污泥质量比为1:10、热解温度为500℃时生物炭粒对Cr3+的吸附量最大,为44.96 mg/g.热力学分析显示,生物炭粒对溶液中Cr3+的吸附以化学吸附为主,且为单层吸附.TCLP试验表明,水葫芦/污泥生物炭粒中各重金属（Cd、Zn、Cu、Pb、Ni、Cr）的浸出浓度均低于GB 5085.3-2007《危险废物鉴别标准浸出毒性鉴别》的限值.研究显示,添加水葫芦能改善生物炭粒的理化性质,使得生物炭粒对Cr3+的吸附量增大,以化学吸附为主,且为单层吸附,水葫芦/污泥生物炭粒浸出毒性较低,可为生物炭类环境功能材料的研制提供选材依据.      

Enhanced removal of Cr(VI) by biochar with Fe as electron shuttles

Biochar is extensively used as an effective soil amendment for environmental remediation. In addition to its strong contaminant sorption capability, biochar also plays an important role in chemical transformation of contaminant due to its inherent redox-active moieties. However, the transformation efficiency of inorganic contaminants is generally very limited when the direct adsorption of contaminants on biochar is inefficient. The present study demonstrates the role of Fe ion as an electron shuttle to enhance Cr(VI) reduction by biochars. Batch experiments were conducted to examine the effects of Fe(III) levels, pyrolysis temperature of biochar, initial solution pH, and biochar dosage on the efficiency of Cr(VI) removal. Results showed a significant enhancement in Cr(VI) reduction with an increase in Fe(III) concentration and a decrease of initial pH. Biochar produced at higher pyrolysis temperatures (e.g., 700°C) favored Cr(VI) removal, especially in the presence of Fe(III), while a higher biochar dosage proved unfavorable likely due to the agglomeration or precipitation of biochar. Speciation analysis of Fe and Cr elements on the surface of biochar and in the solution further confirmed the role of Fe ion as an electron shuttle between biochar and Cr(VI). The present findings provide a potential strategy for the advanced treatment of Cr(VI) at low concentrations as well as an insight into the environmental fate of Cr(VI) and other micro-pollutants in soil or aqueous compartments containing Fe and natural or engineered carbonaceous materials.     

盐酸改性松木屑生物炭吸附海洋溢油的模拟研究

海洋石油开采和运输过程中发生的溢油事故会对周边海洋生态环境造成严重威胁。以松木屑为原料,分别在300 ℃、400 ℃和500 ℃条件下,热解2 h制备生物炭,然后用盐酸对其改性,分析了改性前后生物炭对海水中石油的吸附性能。结果表明,热解温度和盐酸浓度对生物炭吸油性能的影响较显著,当热解温度为400 ℃、盐酸浓度为5 mol/L时生物炭对海水中石油的吸附量最大,达到1.96 g/g;改性后的生物炭比表面积和总孔容减小,表面官能团种类未发生明显改变,含氧官能团数量减少;改性生物炭对海水中石油的吸附符合准二级动力学方程（R2=0.998）和Freundlich等温模型（R2>0.999）。研究结果将有助于开发经济、环保和除油效率高的海洋溢油吸附材料。     

污泥生物炭制备与其对土壤环境影响的研究进展

污泥生物炭由于具有优异的孔隙结构和较大的比表面积,吸附能力强,在环境污染修复、土壤改良和固碳方面得到广泛研究。从污泥生物炭的来源与性质出发,探讨了污泥生物炭施入土壤后对土壤结构改良、营养成分提升等方面的作用机制,分析了污泥生物炭的制备工艺与相应污泥生物炭的特性以及返还土壤的效用状况。通过对作为肥料的污泥生物炭的品质分析,针对性地评价了其安全性及对土壤环境的积极影响,并对存在典型问题的土壤进行归类,从土壤改良需求与污泥生物炭特性适配的角度,为污泥生物炭制备工艺的选择提供指导。污泥生物炭应用对促进污泥资源化利用、实现碳减排具有重要现实意义,优化污泥生物炭制备工艺、客观评价污泥生物炭土地利用环境风险、强化污泥生物炭改性、重视污泥生物炭综合效益评价等是未来重点研究方向。     

生物炭纳米复合材料去除环境中有机污染物研究进展

近年来,生物炭在环境修复、固碳、土壤改良等方面的得到广泛应用,与纳米材料联合制备的新型生物炭纳米复合材料使原生生物炭的比表面积、孔隙结构、官能团、催化降解能力等方面都有了较大改善,具有更好的可持续性和高效性,对环境中有机污染物具有良好的去除能力。本文介绍了生物炭纳米复合材料的不同制备工艺,重点阐述了生物炭纳米复合材料对不同环境介质中有机污染物的去除机理及应用,为后续生物炭纳米复合材料在环境修复应用的工程化和商业化提供理论依据和技术参考。     

原污泥与脱脂污泥制备生物炭的比较及其特性分析

污泥中的脂质提取后可制备生物柴油,或者是层析出其中的神经酰胺都是重要的资源化途径。污泥提脂后剩余的残渣可通过热解制备成具有吸附作用的生物炭。采用原污泥、脱脂污泥（原污泥索氏提取脂质后的剩余物）,在500,600,700,800℃且绝氧条件下制备生物炭,对其成分进行了分析比较,通过扫描电子显微镜（scanning electron microscope,SEM）、傅里叶红外吸收光谱分析（Fourier transform infrared,FT-IR）、BET比表面积分析对其进行了表征,探究了原污泥和脱脂污泥制备的生物炭随温度条件变化的规律。研究发现:脱脂污泥制备得到的生物炭随温度上升,其微观表面更加粗糙,孔径增大,比表面积减小,表面官能团数量减少。相比于原污泥而言,脱脂污泥基生物炭表现出较弱的吸附性能,但依然具有进一步研究的价值和应用潜力。