不同裂解温度对水稻秸秆制备生物炭及其特性的影响

以农业废弃物水稻秸秆为原料,采用限氧裂解法不同温度(300℃、400℃、500℃、600℃、700℃)下制备生物炭,利用SEM电镜扫描、比表面测定、傅里叶红外光谱、元素分析等现代分析手段对生物炭的结构、形貌、比表面积、孔径、表面官能团和元素含量等理化特性指标进行分析表征.结果表明:随着热解温度的升高,产率和挥发分比例下降,灰分含量升高,p H值增大,含碳量上升,N、H、O含量下降,H/C、O/C、(O+N)/C下降,这表明生物炭芳香性增强,亲水性和极性减弱.生物炭具有丰富的孔隙结构,随着温度升高,孔隙数量增加,孔结构发育更加完全.稻秆生物炭孔结构主要为中孔,且随着热解温度的升高,平均孔径变小,比表面积有所增大,在600℃达到最大.红外光谱结果显示,随着裂解温度升高,水稻秸秆中烷烃基缺失,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.     

不同裂解条件对生物炭稳定性的影响

在300⁵00℃温度下热裂解水稻秸秆、玉米秸秆制备生物炭,并采用红外光谱(FTIR)和元素分析的方法,以生物炭表面官能团和元素组成为主要考察指标,研究了不同裂解温度、不同保留时间对生物炭稳定性的影响。生物炭红外光谱图结果显示,生物质原材料经过裂解炭化过程,原材料分子结构中所含醚键(C-O-C)、羰基(C=O)等基团消失。随着裂解温度升高,生物炭中甲基(-CH3)和亚甲基(-CH2)也逐渐消失,而芳环结构增加,生物炭芳香化程度增强。延长生物炭制备过程中的保留时间亦有相同结果。生物炭元素组成的结果显示,裂解温度升高及保留时间延长均能使生物炭的H/C比下降,同时裂解温度对生物炭H/C的影响更加显著。相比水稻秸秆生物炭,玉米秸秆生物炭的芳环骨架更加明显,芳香化程度更高。     

裂解温度和离子强度对不同来源生物炭胶体释放行为的影响

近年来环境中生物炭胶体形成受到广泛关注,它是生物炭在环境中物理分解作用的重要过程,对污染物迁移有着重要影响.然而,目前对生物炭胶体释放过程和影响因素的研究甚少,人们对生物炭胶体释放机理的认识还很有限.本研究以小麦秸秆和花生壳为生物质来源,系统地探讨了生物炭的裂解温度(300～700℃)和溶液离子强度(0.1～10 mmol·L^-1)对生物炭胶体产率的影响.结果表明,随着裂解温度的升高,生物炭的耐磨性增强,且在较高的裂解温度下(≥500℃)花生壳生物炭的耐磨性显著强于小麦秸秆生物炭.生物炭的胶体产率受到生物质来源和裂解温度的显著影响,花生壳生物炭的胶体产率低于小麦秸秆生物炭,高温裂解(≥600℃)生物炭的胶体产率显著低于中低温裂解生物炭.在相同溶液离子强度下,生物炭胶体产率与其亚微米级碎片率呈显著正相关(p<0.05),即生物炭中亚微米级碎片率越高,生物炭胶体产率越高.当溶液离子强度从1 mmol·L^-1增加到10 mmol·L^-1时,两种来源生物炭的胶体产率均显著降低,其降低的程度因生物炭裂解温度而异,其中低温裂解...     

裂解温度调控溶解性生物炭光敏化产生活性氧自由基

溶解性生物炭受紫外光辐射产生的活性氧自由基(Reactive oxygen species,ROS)易对环境造成影响,受到环境领域的持续关注.以玉米秸秆为原料,在不同裂解温度(200～600℃)下制备了5种生物炭,并通过水提得到溶解性生物炭(Dissolved biochar,DBC),系统考察了生物炭裂解温度对DBC结构和组分的影响,并利用化学分子探针定量研究了DBC在紫外光辐射下产生常见ROS的能力,如羟基自由基(Hydroxyl radical,?OH)、单线态氧(Singlet oxygen,¹O₂)和超氧自由基(Superoxide radical,O₂?^-).结果表明,DBC主要由有机酸、类蛋白质和纳米级生物炭构成,前两者皆会随生物炭裂解温度上升而减少,后者则会逐渐增多.高温DBC-(400～600℃)具有更强芳香性和疏水性,但荧光物质含量极低.对DBC产生的ROS进行定量研究发现,仅DBC-200℃和300℃产生少量?OH.DBC-300℃的¹O₂     

不同产地水稻秸秆制备生物炭结构特征及其理化性质

以江苏丹阳、黑龙江哈尔滨产地水稻秸秆为原料,采用限氧裂解法,在不同温度(300,500,700℃)下制备生物炭,利用SEM电镜扫描、元素分析、比表面积测定、傅里叶红外光谱(FTIR)、XRD衍射等分析手段对两产地生物炭结构特征进行全面表征和比较分析。结果表明:1)裂解温度升高,丹阳生物炭和哈尔滨生物炭各项理化性质表现出大体一致的变化趋势。2)裂解温度升高,两产地生物炭均呈现产率下降,pH增大,C含量升高,比表面积和总孔容增大,芳香化程度增加的趋势;丹阳生物炭中C含量低于哈尔滨生物炭;700℃丹阳生物炭孔隙结构发育程度最高。在300,500℃的制备温度下,丹阳生物炭的芳香族C-C、芳香族C—H含量明显高于哈尔滨生物炭,500,700℃的制备温度下丹阳生物炭的SiO_2、KCl含量高于哈尔滨生物炭。     

热解温度对生物炭强化镉污染土壤治理的影响

为了探究污泥生物炭对Cd污染土壤的钝化修复效果,采用人工模拟Cd污染土壤进行盆栽实验,并探究了生物炭对Cd污染土壤pH、有机碳、Cd含量及价态、玉米株高、富集系数及生物转化系数的影响。结果表明:热解温度为800℃时制备的生物炭的修复效果优于300℃时制备的生物炭,且生物炭的最佳剂量为9.0 g/kg。施用800℃下制备的生物炭时,土壤中Cd含量也增加至7.9 mg/kg,较热解温度300℃增加约1.0 mg/kg。污泥生物炭显著降低了土壤中酸可提取态及还原态Cd的含量,升高了氧化态及残渣态Cd含量。当热解温度为800℃时,酸可提取态和还原态Cd含量分别降低至0.68,0.45 mg/kg,氧化态及残渣态Cd含量分别升高至0.76,1.72 mg/kg,从而降低了土壤中可生物利用Cd的含量。此外,生物炭能够降低Cd的生物富集系数及转化系数。     

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。     

生物炭对农田土壤-植物系统有机碳储量的影响

为探究生物炭对农田土壤有机碳储量以及作物固碳量的作用效应,在长江中下游地区地带性土壤黄棕壤上设置田间小区试验,采用玉米-小麦轮作方式,在不同生物炭用量[0.0 kg/(m~2·a)-(CK)、0.5 kg/(m~2·a)-(BC1)、4.5 kg/(m~2·a)-(BC2)]条件下,对土壤有机碳含量、作物生物量、作物光合固碳量等指标进行了测定分析,并估算了试验条件下农田土壤-植物系统有机碳储量。结果表明:(1)在0~20cm土层,BC2处理两季玉米收获时的土壤有机碳储量(3.72和3.77 kg/m~2)分别比CK处理增加18.93%和19.23%。小麦季BC2的土壤有机碳储量达3.43 kg/m~2,也比CK增加了12.83%。BC1处理比CK虽有增加,但未形成显著差异。土壤有机碳含量是土壤有机碳储量增加的基础。(2)两季玉米收获时其BC1处理的单株固碳量未显著高于对照,BC2处理的玉米单株固碳量(80.06和80.69 g/株)则分别比对照提高6.46%和7.16%。在小麦季,2个生物炭处理的植株单株固碳量均高于对照,尤以BC2处理较为突出,其单株固碳量达到3.06 g/株,比对照显著提高16.17%。作物生物量对植株单株固碳量有显著贡献。(3)就土壤-植物系统有机碳储量而言,BC2处理下,在两季玉米收获时该值分别为4.42和4.50 kg/m~2,显著高于CK处理,增幅达16.75%和17.09%。小麦季BC2处理的土壤-植物系统有机碳储量也达到了3.70 kg/m~2,比CK显著提高13.07%。在三季作物中,土壤有机碳储量占整个土壤-植物系统有机碳储量的80%~93%,土壤是农田生态系统碳增汇的主要来源,减少土壤碳排放可以使整个农田生态系统固定更多的碳。     

不同烧制温度下玉米秸秆生物炭的性质及对萘的吸附性能

以玉米秸秆为原料,在300、500和700℃这3个温度下烧制生物炭,使用元素分析仪测定其元素组成,扫描电镜观测其表面特性,并采用批量吸附实验研究了生物炭对萘的吸附特性.结果表明,随烧制温度升高,玉米秸秆生物炭的碳元素含量从66.79%上升到76.30%,氢和氧元素从4.92%和19.25%下降到3.18%和9.53%;H/C、O/C和(O+N)/C值降低,芳香性和疏水性增强,极性降低.扫描电镜结果显示玉米秸秆生物炭主要是片状颗粒,孔隙少,生物炭表面粗糙程度随温度升高增加.对萘的动力学吸附曲线符合Lagergren准二级模型,初始吸附速率与平衡吸附量随烧制温度上升而上升;等温吸附曲线可用Freundlich模型进行描述,生物炭的吸附能力随烧制温度升高而增强,非线性先下降后上升.玉米秸秆生物炭表面形态上具有显著特点,且不同烧制温度对其元素组成、表面特征和对萘的吸附行为有显著影响.     

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.     

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.      

生物炭碳封存技术研究进展

生物炭(biochar)是一种在无氧或者限氧的条件下,对生物质原料进行高温热解而得到的一种细粒度、多孔性的碳质材料,其稳定的芳烃结构使之在土壤中对生物和非生物氧化具有较强的抗性,成为一种有效的碳封存技术,并受到越来越多的关注.通过对生物炭碳封存机制的阐述,重点评述了生物炭的制备、稳定性及植物生长和土壤有机碳对生物炭添加的响应等方面对生物炭碳封存潜力的影响,并初步考察了生物炭碳封存潜力和经济性等方面的研究进展.最后针对目前关于影响生物炭碳封存潜力因素以及这些因素之间相互关系等方面的研究中存在的问题和不足,提出了进一步研究的方向,为我国生物炭技术的研究和应用提供有益参考.     

生物炭对褐土理化特性及真菌群落结构的影响

为了探讨生物炭施用对土壤理化及生物学特性的影响,在田间条件下研究了不同用量(0、10、20、40 t·hm~(-2))生物炭施用3a后植烟褐土真菌的群落结构特征,并分析了其与土壤环境因子的关系.结果表明,土壤添加生物炭3 a后显著提高了土壤pH、含水率、总有机碳(TOC)和总氮(TN)含量,而降低了土壤容重和溶解性有机碳(DOC)含量.Illumina Mi Seq测序结果表明,生物炭的添加对土壤真菌α多样性影响不大,但能显著改变真菌群落结构.物种注释结果表明,所有样本中真菌优势菌群均为子囊菌门(Ascomycota)、接合菌门(Zygomycota)和担子菌门(Basidiomycota),其相对丰度之和占所有可注释真菌丰度的90%以上.生物炭提高了子囊菌门和担子菌门的相对丰度,降低了接合菌门的相对丰度.在属水平上,生物炭增加了链格孢属(Alternaria)、锥盖伞属(Conocybe)和曲霉属(Aspergillus)真菌的相对丰度,降低了放射毛霉(Actinomucor)和赤霉菌(Gibberella)的相对丰度.冗余分析(RDA)及Mantel检验结果说明,土壤DOC、pH和含水率是影响褐土真菌群落结构的主要环境因子.综上,生物炭施用3 a后对土壤理化特性有显著的影响,这些环境因子的改变驱动了土壤真菌群落的生态演替.     

生物炭施用对微塑料污染石灰性土壤理化性质和细菌群落的影响

微塑料广泛分布在土壤环境中,威胁着土壤生态环境系统,改变了土壤理化性质和微生物特征.生物炭因其特殊的孔隙结构具有良好的土壤养分保持能力,常被作为改善土壤质量的土壤改良剂.然而,目前关于生物炭施用对微塑料污染土壤理化性质和细菌群落的影响及其机制研究还非常有限.因此,进行为期21 d微观土壤培养实验,利用16S rRNA高通量测序技术分析生物炭的施用对不同浓度微塑料污染土壤理化性质和细菌群落变化的影响.结果表明,生物炭的施用减缓了微塑料污染土壤硝态氮和速效磷含量的降低,增加了全磷含量.生物炭的添加增加了微塑料污染石灰性土壤酸杆菌门(Acidobacteriota)、放线菌门(Actinobacteriota)和拟杆菌门(Bacteroidota)等微塑料耐受菌门相对丰度.在第7 d和第21 d各处理的优势细菌为变形菌门(Proteobacteria)、酸杆菌门和放线菌门.与第7 d相比,第21 d各处理土壤变形菌门和厚壁菌门(Firmicutes)的相对丰度显著降低,酸杆菌门、放线菌门、拟杆菌门、绿弯菌门(Chloroflexi)和粘菌门(Myxococcota)的相对丰度增加.施用生物炭...     

废旧轮胎热解过程的温度效应

通过废旧轮胎热解产物的分布研究该过程的温度效应,发现温度升高、燃料油产率增加,炭黑产率减少,即热解温度从４５０℃～５５０℃上升到６５０℃～７５０℃,燃料油产率从３３．１％～３５．４％增加到４３．２％～４５．１％,炭黑产率从４６．２％～４５．１％,炭黑产率从４６．２％～４９．２％下降为３５．１％～３７．１％,采用ＧＣ／ＭＳ分析燃料油,确定出其中仍１４０多个组分,整个油品中芳香烃化作物占了７５％以上,     

原料和热解温度对生物炭中可溶性有机质的影响

以水稻秸秆和杉木凋落物为原料,选择不同热解温度（350、500和650℃）制备生物炭,研究原料与热解温度对生物炭中可溶性有机质（dissolved organic matter,DOM）含量和光谱特征的影响.结果表明,随着热解温度的升高,两类生物炭pH值分别从8.10和6.56上升至10.53和8.23;热解温度对生物炭全碳（TC）含量的影响并不明显,但原料及其与温度交互作用的影响显著（P<0.05）.两类生物炭中可溶性有机碳（dissolved organic carbon,DOC）含量呈先降低后升高的趋势,相同热解温度下水稻生物炭的显著高于杉木生物炭的（P<0.05）.原料对DOM芳香化指数（SUVA₂₅₄值）无显著影响,但温度及其与原料交互作用的影响显著（P<0.05）,在500℃时该值最大,芳香化程度最高.三维荧光光谱表明,DOM组分以类富里酸和类腐殖酸为主,但这两种物质对热解温度的响应不同.傅里叶红外光谱分析发现,两类生物炭DOM在5个区域的相似位置存在吸收峰,其中,脂肪族C-H的伸缩振动随着热解温度的升高逐渐减弱.因此,高温（500℃和650℃）与低温（350℃）制备的生物炭相比,DOC含量降低,但其芳香化和腐殖化程度升高,稳定性增强.     

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.      

控氧热解过程中污染稻草生物炭的组分特性及其重金属累积特征

热解是实现重金属污染生物质无害化资源化的重要手段之一.以重金属污染稻草为原料,研究了控氧热解生物炭的组分特性及其重金属的累积特征.结果表明,低氧热解可有效利用污染稻草制备生物炭,提高重金属在生物炭中的稳定性.氮气氛条件下,稻草生物炭产率为29.4%～34.9%;可溶性有机质(DOM)以类腐殖酸物质为主,其芳香化指数(SUVA₂₅₄)随热解温度升高呈先升后降趋势;生物炭中Ca主要以CaCO₃形式存在.与氮气氛相比,10%和20%(体积分数,下同)氧气氛条件下生物炭(热解残渣)的产率分别降低5.6%～13.5%和14.9%～15.7%,但pH值提高0.5个单位以上;有氧气氛加速了热解过程中木质素组分的降解,生物炭中DOM的SUVA₂₅₄值随热解温度升高逐渐降低.随热解气氛中氧体积分数提高,DOM中类腐殖酸物质向类富里酸物质转化;生物炭中Ca以CaO形式存在,这可能是导致生物炭pH值升高的原因之一.与氮气氛相比,10%氧气氛和400℃条件下,生物炭中Cu、 Cd、 Pb、 Ni和As的可交换形态占比降低了5.2%、 3.7%、...     

黑炭分解的影响因素及其激发效应机制研究进展

黑炭是生物质和化石燃料不完全燃烧形成的富含C的固体有机材料,广泛存在于环境中,具有长期存储C的潜力,在全球C循环中具有重要作用,并且被作为减缓气候变化的重要策略。然而,当前我们有关黑炭分解及其激发效应机制的知识是有限的。因此,需要全面深入了解影响黑炭分解的控制因素及其激发效应的可能机制。本文首先对黑炭分解研究进行综合分析,详细评述了气候/培养条件,土壤特征、黑炭性质以及干扰因素对黑炭分解的影响及其机理。其次,介绍了黑炭激发效应的测定方法,重点综述了黑炭激发效应大小与方向的影响因素及其可能机制。最后,指出了黑炭分解及其激发效应研究的不足,并提出了未来研究需要关注的问题和方向,以期为将黑炭融入到土壤有机质和生态系统模型提供借鉴。