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...     

烟气中CO2/O2气氛对稻壳流化床热解制炭的影响规律

烟气常用作流化床热解的气体热载体,而烟气中低浓度的CO₂、O₂等成分对流化床热解制炭的影响少有报道。在自行搭建的小型流化床实验台上开展了不同气氛（不同N₂/O₂/CO₂体积比,简单模拟烟气氛围）下稻壳热解制备生物炭试验研究,获得了稻壳热解三相产物产率分布规律、稻壳生物炭工业分析特性基本特征,通过FTIR、BET手段分析了生物炭表面官能团及多孔结构变化情况,同时探究了不同O₂浓度下稻壳热解制炭能量转移特性。结果表明:提高O₂和CO₂浓度均有利于热解产物由固相向气相转移,会降低炭产率、降低生物炭中有机组分含量,但有利于生物炭表面形成多孔结构和提高表面官能团芳香化程度;稻壳在低O₂浓度下热解能达到80%上的能耗比以及70%以上的能量回收率。     

改性稻壳生物炭对水中反硝化过程和N2O排放的影响

为探究H₂O₂改性和NaBH₄改性稻壳生物炭(BC-H₂O₂和BC-NaBH₄)对反硝化过程和N₂O排放的影响及机理,在制备并测定BC-H₂O₂和BC-NaBH₄理化性质及其表面含氧官能团含量基础上,将未改性生物炭(BC)、BC-H₂O₂和BC-NaBH₄以1%(w/V)的比例分别加入含有厌氧反硝化细菌(DB)的培养体系,开展DB去除模拟废水中低浓度硝酸盐(约10mg/L,以N计)的室内培养实验.结果表明,H₂O₂改性增加了生物炭表面的羧基含量,而NaBH₄改性增加了生物炭表面的内酯基和酚羟基含量.另外,傅立叶变换红外光谱分析表明,与BC相比,BC-H₂O₂的C=O含量明显增加.DB+BC-H     

植物13C标记对生物质炭理化性质的影响

研究了未标记和¹³C脉冲标记的水稻和杨树在不同温度下制备得到的生物质炭理化性质的差异.以水稻和杨树为原料,进行¹³C脉冲标记,分别在300℃和500℃下裂解,得到8种不同的生物质炭,即300℃和500℃未标记水稻生物质炭、300℃和500℃¹³C标记水稻生物质炭、300℃和500℃未标记杨树生物质炭及300℃和500℃¹³C标记杨树生物质炭,分析植物¹³C标记、裂解温度和原料对生物质炭主要理化性质的影响.结果表明,植物¹³C标记后,制备得到的生物质炭TC含量降低,固定碳含量增加,水稻生物质炭的NO₃^--N含量增加.随着裂解温度从300℃升高到500℃,¹³C标记生物质炭的灰分、pH、固定碳含量增加,DOC、TN和NH₄⁺-N含量减少,C/N有所增加.三因素方差分析表明,制备原料是影响生物质炭的灰分、TC和固定碳含量的最重要因素,对变异的解释程度分别...     

不同温度下小麦秸秆生物炭的制备及表征

以小麦秸秆作为生物质原材料,在200、400、600℃温度条件下,采用限氧控温裂解法制备生物炭。采用热重分析、元素分析、红外光谱分析、比表面积分析和扫描电镜分析表征各物质结构特征,并分析不同制备方法对其元素组成、表面结构、表面性质的影响。结果显示:热重、红外光谱分析结果显示小麦秸秆在热解温度升高到350℃时失重率最大,为33.73%,秸秆的热解过程发生化学键的断裂及脂肪性烷基链的消失;小麦秸秆焚烧物的产率、灰分分别为12%、64.78%,灰分较大;生物炭随着碳化温度的升高,其产率降低,灰分含量增大;随着热解温度升高,生物炭逐渐成为"富炭颗粒",其极性降低,芳香性增大,疏水性增强;电镜扫描分析显示随着炭化温度升高,生物炭孔壁逐渐变薄,内部孔结构逐渐增大,甚至出现大量微孔。     

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.     

基于活性和污染物排放的生活垃圾热解炭燃烧性能分析

从燃烧活性和清洁性方面综合评价了6种生活垃圾典型可燃组分热解炭的燃烧性能。松木、纸张和橘皮等生物质类热解炭含较丰富的K/Ca等碱金属和碱土金属,碳结构规则程度相对较低,因此燃烧活性及稳定性更优。PVC、轮胎和织物等化石燃料类热解炭产率、孔隙结构、碳结构的差异较大,其中轮胎炭孔隙结构以中孔为主,且含有较多的S和Zn。生物质类热解炭焚烧烟气中NO_x含量相对较高(140.7~385.5 mg/m3),轮胎炭焚烧烟气中的SO₂(1889.8 mg/m3)和焚烧灰渣中重金属Zn(198167 mg/kg)浓度较高,在实际应用中应给予关注。     

基于添加热解炭的干垃圾高效洁净热解研究

干垃圾经过源头分离后,可通过热解实现资源利用和能源回收。为了获得清洁的热解过程,有必要减少焦油的产生。该研究采用了典型的热解添加剂,即CaO、MgO和Fe₂O₃,在800℃,15℃/min的升温速率,40 min的保温时间等条件下进行热解,以制备热解炭,制备的热解炭返回到热解系统中与干垃圾进行热解。研究发现,加入添加剂获得的副产品热解炭,Ca-C、Fe-C、Mg-C作为新的添加剂重新加入热解系统中,Fe-C热解炭可以成为最佳选择,其用量范围为10%～30%。在20%/80%(Fe-C/干垃圾)的情况下,它可以减少约4.52个百分点的焦油,H₂和CO含量分别上升了4.67和2.85个百分点,SO₂和NO_x的去除率分别为85.56%和83.60%,热解炭和铁的结合能促进焦油的分解。将Fe-C作为热解炭添加剂进行干垃圾热解,可能是一种有效的废物处理途径。     

含厨余垃圾的混合污水污泥热解性能及逸出气体分析

为解决厨余垃圾进入市政管网导致的污泥处理问题,利用厨余垃圾制备初沉污泥(PS),与污水处理的残余污泥(RS)混合制备了不同厨余垃圾比例的混合污水污泥(MSS)。采用TG-FTIR评估了含厨余垃圾的混合污水污泥的热解性能及逸出气体特性。质量损失可分为3个阶段:初步脱水阶段、主要分解阶段及连续轻微分解阶段。PS含量的增加导致反应速率提高和热解特性参数CPI增加,反应时间缩短,从而提高了污水污泥的热解性能。不同温度下PS和RS之间的相互作用存在差异,低温区(<300℃)基本不存在相互作用,中温区(300~550℃)为相互促进,高温区(550~850℃)为相互抑制。FTIR主要检测出CH₄、CO₂、H₂O、CO、CO、SO₂ 6种气态产物及官能团,表明CO₂是主要的气态产物,且随着PS含量的增加,逸出气体及官能团的产生均增加。相互作用不仅体现在质量损失过程中,也体现在产物演化过程中,PS50RS50呈现最明显的相互促进效果,可认为是最适合的比例。随着温度增加,产物普遍在500~600℃内达到最大值,可认为是最佳的热解温度。     

不同气氛热解生物炭可溶性有机碳的光谱特征

为探明不同气氛热解生物炭可溶性有机碳(BDOC)的性质特征,在不同热解气氛(CO₂、N₂和空气限制)和热解温度(300～750℃)下制备了一系列小麦秸秆生物炭,通过提取其BDOC并结合紫外-可见光谱和荧光光谱-平行因子分析方法对BDOC性质进行分析.热解温度为300℃时,CO₂和N₂热解生物炭释放的DOC含量高(CO₂:10.55mg/g,N₂:10.17mg/g);而热解温度为450～750℃时,空气限制热解生物炭释放的DOC含量高(0.31～2.88mg/g).生物炭释放DOC含量与生物炭的挥发性物质含量、H/C和(O+N)/C呈正相关关系.空气限制热解BDOC具有更低的分子量,更高的芳香性(SUVA₂₅₄范围:7.66～16.86),腐殖化程度(HIX范围:10.77～52.21)和类腐殖酸物质含量,而CO₂和N₂热解BDOC含有更多的类蛋白物质.此外,CO₂和N...     

农业废弃物基生物炭对水溶液中镉的吸附效果与机制

以畜禽粪便（牛粪、鸡粪、猪粪）为原料分别在300℃和700℃下制备生物炭,以作物秸秆（小麦秸秆、水稻秸秆、玉米秸秆）为原料分别在300℃和500℃下制备生物炭,利用比表面积和孔径分析仪、扫描电镜、傅里叶红外光谱仪、X射线衍射仪和CHN分析仪等对农业废弃物基生物炭的理化性质、表面结构和元素组成进行表征,研究生物炭理化性质差异和其对镉吸附效果和机制.结果表明,不同农业废弃物基生物炭对Cd²⁺的等温吸附符合Langmiur方程,拟合结果发现随着热解温度的升高,牛粪、鸡粪和猪粪基生物炭对Cd²⁺的最大吸附量分别从83.40、19.65和96.74 mg·g^-1增加至106.54、 268.89和164.53 mg·g^-1;而不同热解温度下制备的秸秆基生物炭对Cd²⁺的最大吸附量差异不显著.农业废弃物基生物炭呈碱性,除牛粪生物炭外,灰分含量随热解温度上升而增加.随着热解温度的上升,生物炭孔隙结构变丰富,含氧官能团增加,出现芳香结构.通过定量分析,发现生物炭Cd²⁺总...     

北京市垃圾分类后厨余垃圾与分类前生活垃圾性质变化分析

2020年5月1日起,北京市正式实施了《北京市生活垃圾管理条例》。为了解北京市垃圾分类后厨余垃圾与分类前生活垃圾性质变化,对居民区垃圾分类收集点厨余垃圾桶内的垃圾进行了采样分析,并与北京市分类前混合收运的生活垃圾性质进行比对。结果表明,北京实施垃圾分类后,厨余垃圾桶内厨余组分占比逐渐增加,实施1年后,厨余组分占比可达99%;含水率和容重较分类前明显增加,可燃分和热值明显降低,故不适宜采用焚烧处理;pH和C/N呈下降趋势,电导率呈小幅度增长趋势,有机质、总氮(以N计)、总磷(以P₂O₅计)和总钾(以K₂O计)含量上升,垃圾资源化利用潜力增大。Cd、Pb、Cr、Hg、As、Cu和Zn 7种危害较大的重(类)金属元素中,除As外其余的金属元素含量均呈下降趋势;Na、Ca、Mg、Fe、Mn等金属元素,除Na外均呈下降趋势。故垃圾源头分类可以有效控制厨余垃圾中金属含量,使其种子发芽指数升高,减小对植物的生物毒害作用,降低环境风险。该研究结果可为北京市垃圾资源化利用和处理设施规划提供参考和依据。     

厌氧发酵对废弃钙基生物炭制备温度的影响及对水体中除磷研究

水体中磷的高效去除是降低水体富营养化的有效手段.以废弃蛋壳为碳酸钙源，以厨余垃圾为生物质，采用厨余垃圾和蛋壳混合厌氧发酵进行预处理，制备钙改性生物炭(ES-BC)，并用于水体中磷的去除.结果表明，当m(厨余垃圾)∶m(蛋壳)=3∶1，发酵温度为55℃，发酵7 d天后，在600℃条件下煅烧可制得除磷性能优异的ES-BC；发酵过程产生的有机酸可促进碳酸钙的预分解，进而降低后续材料的煅烧温度，保持生物炭良好的孔隙结构，有利于钙的分散和磷的去除；在较优条件下制得的ES-BC复合材料对不同浓度(1～100 mg·L^-1)的磷污染液均具有较好的去除效果，反应产物主要包括Ca₅(PO₄)₃OH、Ca₁₀(PO₄)₆OH₂(HAP)和Ca₈H₂(PO₄)₆·H₂O(OCP)等.     

大粒径厨余垃圾水热碳化制备炭燃料

开展了不同温度条件（150～300℃）下大粒径（>2 cm）厨余垃圾水热碳化实验,研究了水热炭的理化性质、燃烧特性和关键元素迁移规律.实验结果表明,当水热温度过低,厨余垃圾颗粒尺寸影响水热碳化效果;大粒径厨余垃圾碳化需更高的水热温度;水热温度250～300℃产生的水热炭具有高热值(24.48～26.9 MJ·kg^-1)、高燃料比（0.44～0.56）、高含碳量（59.6%～65.6%）和低含灰量（8.51%～4.35%）的特点.随着水热温度提高,水热炭中碳含量升高、灰含量下降;水热炭的着火温度、燃烬温度、挥发分释放特性指数VI、可燃性指数CI和综合燃烧特性指数CP均上升,提高了燃烧稳定性;同时水热炭中K、Na浓度降低,有利于降低水热炭燃烧结焦;N、S在水热炭中分布比例下降,这将减少水热炭燃烧的烟气污染物排放.因此,水热碳化能实现大粒径厨余垃圾的燃料化利用.     

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%、...     

生物质基活性炭负载金属催化还原NOx

为研究生物质材料的脱硝性能,利用木质素与纤维素2种生物质基活性炭作为还原剂,用碱金属与过渡金属作为催化活性相,制备了一系列生物质基活性炭负载金属催化剂用于富氧环境中催化还原NO_x,考察了生物质原料种类、炭化温度以及催化剂组分对脱硝效率的影响.结果表明:①当反应温度低于250℃时,炭表面主要是NO_x的吸附过程;而当反应温度高于250℃时,炭还原NO_x行为占主导,并伴随N₂、CO₂与CO的生成.炭化温度对炭反应活性的影响主要依赖于炭化温度对炭材料表面含氧官能团、比表面积以及炭表面金属还原性的影响.②研究中考察的金属（K、Cu、Fe、Ni）均对还原NO_x与O₂有催化作用,其中,K对C-NO_x反应具有明显促进作用,但对C-O₂反应并无明显促进作用,所有样品中SAC-K的选择性因子为0.56,对还原NO_x的选择性最高,且恒温反应过程NO_x还原量（以C计）达到了1 293 μmol/g.③与传统煤基活性炭催化剂相比,木屑基活性炭负载钾催化剂表现出了优良的NO_x还原选择性;X-射线光电子表征结果显示,木屑基活性炭负载钾催化剂优良的性能与其表面钾活性相的高度分散有关.研究显示,相比于煤基炭材料,生物质基炭材料具有更加优异的选择性还原NO_x性能.      

热解时间对污泥炭特性及其重金属生态风险水平的影响

研究了热解时间（1,2,4 h）对污泥炭理化性质、结构和重金属总量的影响,并对污泥炭中重金属的生态风险进行了评价。结果表明:随着热解时间逐渐延长（1~4 h）,污泥炭产率和H/C均有不同程度的下降,而其灰分含量和比表面积都显著增加,污泥炭芳香化程度也明显提高。与原污泥相比,热解后污泥炭中各重金属（Cu、Zn、Pb、Cr、Mn、Ni）风险系数均显著降低。当热解时间为2 h时,污泥炭中除Zn之外,其余5种重金属都呈低风险或无风险状态,该结果可为污泥无害化处理和资源化利用提供了参考。     

页岩气开发油基钻屑-单组分生物质共热解特性

油基钻屑与生物质热解油分别存在产率低、有害组分含量高的问题,为探究二者共热解是否可以产生协同作用,采用固定床反应器研究了热解温度、终温时间（热解温度保持时间）、升温速率、N₂流量、生物质与油基钻屑混合比例（质量比）等因素对油基钻屑与单组分生物质共热解的影响.结果表明:①油基钻屑与单组分生物质热解效果随热解温度和终温时间的增加而增强、随升温速率的加快而减弱,N₂流量对热解过程影响不大;最佳热解工艺参数为热解温度350℃、终温时间60 min、升温速率10℃/min、N₂流量0.15 L/min.②共热解可产生协同作用,当生物质与油基钻屑混合比例分别为3:7、7:3时,热解灰渣含油量较理论值下降较为明显,降幅分别为21.71%、17.64%.③共热解可减少生物质热解过程中有害物质的生成,提高油基钻屑的液相产率,生物质单独热解时液相产物中有害组分占比高达74.92%;加入适量油基钻屑共热解时有害组分占比明显降低,当油基钻屑与生物质混合比例为7:3、8:2时,有害组分占比可分别降至22.74%、17.57%.研究显示,共热解产生的协同作用可减少有害物质的生成,提高热解油产率,在油基钻屑无害化、资源化利用与生物质开发中具有良好的应用前景.      

陈化处理对棉花秸秆生物炭理化性质的影响

为探讨陈化处理对秸秆生物炭理化性质的影响,采用冻融和干湿方法分别对不同热解温度(350、500和650℃)下制备的棉花秸秆生物炭进行陈化处理,对比分析新鲜和陈化生物炭的理化性质.结果表明,热解温度、环境温度、湿度和陈化时间是影响生物炭理化性质的主要因素.陈化处理可以加速生物炭表面发生氧化反应,增加生物炭表面的酸性官能团,进而降低生物炭的pH值.生物炭经过陈化处理后,其C含量减少,O含量增加,这也归因于生物炭的氧化反应.陈化处理可以增加生物炭的比表面积和微孔体积,且新鲜和陈化生物炭的孔隙结构主要以介孔为主.陈化处理还可以破坏生物炭表面较完整的形状,降低生物炭的稳定性.     

抗生素菌渣生物炭的制备及特性

文章以制药厂发酵妥布霉素菌渣为原料,采用限氧裂解法在不同温度下制备生物炭,利用高效液相色谱仪、元素分析仪、扫描电子显微镜、傅里叶红外光谱仪等现代分析技术对菌渣以及生物炭的结构、形貌、比表面积、孔径、表面官能团和元素含量等理化特性进行分析表征。结果表明,菌渣中妥布霉素含量为10.23μg/g,生物炭中未检测到;生物炭中C元素含量和比表面积均比菌渣的高,随着温度升高,C元素含量增大,H/C比下降;生物炭具有多孔结构,主要为中孔;随着热解温度升高,生物炭中烷烃基缺失。该研究可为抗生素菌渣的无害化处理以及菌渣生物炭用于重金属和有机污染物废水处理提供理论依据。