热解温度对生物炭循环伏安曲线特性的影响

随着生物炭在农业和环境领域的应用逐渐增多,生物炭对环境中生物化学过程的影响也日益加深.本文利用循环伏安曲线,探究了不同热解温度下生物炭的电子传递方式.结果发现,在热解温度为400℃时,生物炭的电导率较低,而循环伏安曲线上存在明显的氧化还原峰,这表明生物炭的电子传递方式以官能团的氧化还原反应过程为主.随着热解温度升高,以含氧官能团为主的氧化还原活性物质含量降低,氧化还原峰的峰电流降低;同时,生物炭比表面积增大、导电性增强,循环伏安曲线形状逐渐变为梭形,响应电流也逐渐增大;这表明生物炭的电子传递方式逐渐转变为主要依靠生物炭导电性的方式.总之,循环伏安曲线可以定性地分析生物炭的电子传递方式,为探究生物炭不同电子传递方式对生物化学过程的影响提供了一定的研究基础.     

棉花秸秆生物炭对水中硫酸根离子的吸附特性

以棉花秸秆生物炭(BCS)为吸附剂,研究了BCS的吸附动力学、热力学特性以及制备温度、投加量和溶液p H等因素对BCS吸附SO_4~(2-)的影响.结果表明,制备温度为500℃的BCS(BCS500)比300℃的BCS(BCS300)更有利于SO_4~(2-)的吸附去除;在20 m L溶液中,BCS500的投加量为0.1000 g时,对SO_4~(2-)的吸附去除最为理想,升高溶液p H值会减小BCS500对SO_4~(2-)的吸附量.动力学拟合表明准二级动力学方程比准一级动力学方程和Elovich方程能更好地描述吸附过程,所得吸附平衡时间为6 h.颗粒内扩散模型拟合发现BCS吸附SO_4~(2-)分为表面吸附和颗粒内扩散两个过程.相比于其他等温吸附方程,Langmuir方程能更好地描述BCS500对SO_4~(2-)的吸附行为,由Langmuir方程拟合所得BCS500的理论最大吸附量(52.13 mg·g~(-1))比BCS300的理论最大吸附量(31.46 mg·g~(-1))大.而计算所得热力学参数,如吉布斯自由能变G_m0,焓变H_m0和熵变S_m0,表明BCS500对SO_4~(2-)的吸附是一个自发、吸热且熵增加的过程;在25、35、45℃时,G_m分别为-9.61、-12.50、-13.96 k J·mol~(-1),介于-20─0 k J·mol~(-1)之间,且反应为吸热反应,表明BCS500吸附SO_4~(2-)主要以物理吸附为主.     

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...     

薏仁米秸秆生物炭对水中Hg2+的吸附特性及机制

农业废弃物资源化利用和无害化处理是实现农业可持续发展和发展循环经济的有效途径,对薏仁米(Semen Coicis)秸秆制备生物炭吸附剂,实现有机固体废弃物资源化利用,解决重金属废水处理难题,以薏仁米秸秆为原料,采用快速热解法制备生物炭.为探明不同温度下制备的薏仁米秸秆生物炭对重金属Hg2+的去除机制及机理,并用扫描电子...     

玉米秸秆生物炭对沉积物中BDE-47生态毒性的影响

生物炭对于污染沉积物的原位修复具有很大的潜力,但关于生物炭对沉积物中有机污染物生态毒性影响的研究则较少报道。为评价生物炭对沉积物中BDE-47生态毒性的影响,以底栖动物铜锈环棱螺为测试生物,采用28 d慢性沉积物生物测试研究了不同添加比例的玉米秸秆生物炭(CSB)与BDE-47联合作用对BDE-47生物积累、肝胰脏细胞DNA损伤以及氧化胁迫生物标志物的影响。结果表明,在慢性暴露情况下,CSB对铜锈环棱螺不具有毒性;CSB通过显著降低沉积物间隙水中BDE-47的浓度而降低其在铜锈环棱螺体内的生物积累。在实验浓度范围内(1%～7%),CSB添加比例越高,降低BDE-47生物积累的效果越显著。不同添加比例的CSB均可以显著降低BDE-47对铜锈环棱螺DNA损伤的毒性,较高比例(4%和7%)CSB的效果更为显著,但BDE-47的氧化胁迫毒性不随CSB添加比例的升高而下降。因此,从降低BDE-47生态毒性的角度考虑,沉积物中CSB的合适添加比例为4%左右。     

老化玉米秸秆生物炭对碱性农田土壤氨氧化作用的影响

为探明老化(自然老化、高温老化、冻融循环老化)玉米秸秆生物炭对黄土高原碱性农田土壤氨氧化作用的影响,以玉米秸秆粉末和新鲜玉米秸秆生物炭为对照,在分析不同材料基本特性的基础上,将其按2%(质量比)与土壤充分混匀,开展为期85 d的室内静态土壤培养实验,研究土壤氨氧化速率、氨氧化细菌数量、无机氮含量和p H的动态变化。结果表明,将玉米秸秆400℃热解制成生物炭后,其p H增大4;与新鲜玉米秸秆生物炭相比,老化作用(自然老化、高温老化和冻融循环老化)使生物炭的p H分别降低0.30、0.50和0.99,表面羧基数量分别增加0.031、0.236和0.376 mmol·g~(-1),比表面积分别增大3.43、2.19和0.99 m~2·g~(-1)。室内培养实验表明,碱性农田土壤的氨氧化作用主要源自微生物氧化。土壤培养1周以后(稳定期),同一采样时间点,与玉米秸秆粉末和新鲜玉米秸秆生物炭相比,自然老化、高温老化和冻融循环老化玉米秸秆生物炭均提高了土壤的氨氧化速率(分别介于95.4~138.1、112.6~152.0和137.8~167.8 nmol·g~(-1)·h~(-1))和氨氧化细菌数量(分别介于3.16×10~5~6.65×10~5、3.55×10~5~7.06×10~5和3.35×10~5~8.01×10~5 g~(-1)),促进程度表现为冻融循环老化生物炭高温老化生物炭自然老化生物炭。在整个培养过程中,各处理土壤NH_4~+-N含量随培养时间延长呈降低趋势,NO_3~--N和NO_2~--N含量呈增加趋势。该研究有助于加深理解老化玉米秸秆生物炭还田对碱性农田土壤氨氧化作用的影响,对土壤氮肥生物有效性的提高有指导意义,可为生物炭在黄土高原地区的农业工程应用提供理论借鉴。     

玉米秸秆生物炭用量对砂土孔隙和持水性的影响

砂土中土壤黏粒含量少,有机质含量低,大孔隙度较多,土壤水分容易渗漏,易造成水资源浪费。中国秸秆资源丰富,利用作物秸秆生产的生物炭作为土壤改良剂,可以改善土壤的持水特性。为探究玉米秸秆制备的生物炭施入砂土中对土壤孔隙和持水性的影响,将玉米秸秆生物炭和供试土壤分别按照0、1%、2%、3%、4%、6%、8%和10%的质量比（以干质量计）均匀混合,设置了8个生物炭施用量处理,分别记为CK、1BC、2BC、3BC、4BC、6BC、8BC和10BC,每个处理3次重复。利用比重法测定土粒密度,离心机法测定水分特征曲线,并计算土壤持水性和孔隙度。结果表明,土粒密度随着生物炭用量的增加而降低,在10BC处理中土粒密度降到2.53 g·cm–3,相比CK降低了5.6%;在2BC处理中,≥50μm的土壤通气孔隙减少,<20μm和20—50μm的孔隙显著增加;其他处理的孔隙分布与CK处理之间无显著差异;土壤田间持水量、萎蔫含水量和有效含水量随生物炭用量增加而增加,2BC、3BC、4BC、6BC、8BC和10BC分别使土壤田间持水量增加了14%、26%、39%、59%、83%和103%;与CK相比,2BC...     

水稻秸秆生物炭对Pb（Ⅱ）的吸附特性

利用红外（FTIR）光谱、Boehm滴定、比表面积及微孔分析等方法对300℃、400℃、500℃、600℃下制备的水稻秸秆生物炭进行表征,分别记录为RC300、RC400、RC500和RC600,同时研究了4种生物炭在不同平衡时间、pH值、浓度下对Pb（Ⅱ）的吸附特征.结果表明,随着热解温度的升高,生物炭表面含氧官能团...     

碱改性向日葵秸秆生物炭对多环芳烃菲吸附特性研究

为了实现农业秸秆废弃物的资源化利用,加强对生态环境中多环芳烃污染的控制,选取农业废弃物向日葵(Helianthus annuus)秸秆为原料,在不同温度条件下(300、500、700℃)烧制生物炭(BC300、BC500、BC700),同时在500℃条件下制备KOH改性生物炭(A-BC500),采用元素分析仪、比表面积分析仪、扫描电子显微镜、X射线衍射仪和傅里叶红外光谱仪分别对其元素组成、比表面积、表观形貌、物相结构和官能团组成进行表征,并采用动力学吸附实验和等温吸附实验研究不同生物炭对多环芳烃菲的吸附性能。结果表明,炭化温度及碱改性均会影响生物炭的元素组成,进而改变其芳香性、亲水性和极性。向日葵秸秆生物炭的炭质骨架结构随着炭化温度升高而逐步发生变形和坍塌;与BC500相比,A-BC500的表面结构粗糙程度增加且比表面积增加至529.14 m²·g^-1。生物炭对菲的动力学吸附曲线符合准二级动力学模型(R²>0.99),较BC500、A-BC500对菲的平衡吸附量提高了12%,且准二级动力学吸附速率常数提高了约2.3...     

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。     

玉米秸秆生物炭对水稻不同生育期吸收积累As、Cd的影响

近年来稻米As、Cd含量超标的事件屡有发生,稻米质量安全问题日益突出。通过盆栽种植水稻,向As、Cd复合污染土壤中分别添加质量分数为1.00%的玉米秸秆粉末(CS)和不同温度(300、400、500℃)下制备的玉米秸秆生物炭(CB-300、CB-400、CB-500),分析水稻分蘖期、抽穗期及成熟期各部位或器官中As、Cd含量变化,探讨不同处理对复合污染土壤水稻产量的影响。结果表明,不同时期水稻As、Cd含量分布规律为:根部茎部叶部糙米;玉米秸秆粉末和玉米秸秆生物炭的添加能一定程度上阻碍土壤As、Cd向水稻迁移,与CK相比,各处理均能显著降低不同时期水稻各部位Cd的含量(P0.05),CB-500处理在三大关键生育期处理效果最佳;玉米秸秆生物炭的施加能降低不同时期水稻各部位As的含量,但各处理未达到显著水平;水稻产量方面,与CK相比,生物炭处理和秸秆粉末处理使水稻增产6.93%~55.36%。研究结果可为生物炭对砷镉复合污染土壤的治理与水稻安全生产提供理论依据和数据支持。     

生物炭老化后理化性质及微观结构的表征

在长期降水淋洗或温室效应产生酸雨等环境影响下,施入土壤中的生物质炭会随时间的推移而逐渐发生老化作用,而其老化后理化性质及结构等如何改变是广受关注的新问题.本文通过水洗和酸化两种方法对花生壳生物炭进行模拟老化试验,并利用元素分析仪、扫描电镜(SEM)、X射线衍射光谱(XRD)和傅立叶红外光谱分析仪(FTIR)研究生物炭老化前后的理化性质及结构差异.结果表明:(1)生物炭经老化处理后p H值均下降,且酸化生物炭(acidulated biochar,AB)比水洗生物炭(washing biochar,WB)的下降程度大;另外,WB的O/C和(O+N)/C分别下降了8.89%和10.42%,而AB的O/C和(O+N)/C却升高了11.11%和14.58%,表明生物炭老化后其亲水性和极性发生改变;且WB和AB的碱性元素总量分别比原生物炭(primary biochar,PB)下降了26.53%和88.78%,说明生物炭老化后有较多的碱性元素被释放.(2)与原生物炭相比,生物炭水洗老化后表面较平整且微孔结构保持完好,而酸化老化后表面较粗糙、微孔结构严重破坏.(3)生物炭老化后,其表面Al_2SiO_5和SiO_2晶体的含量均明显下降;与PB相比,WB新增加了1166 cm~(-1)和1082 cm~(-1)特征峰2个;而AB新出现了1705 cm~(-1)、1622 cm~(-1)和1546 cm~(-1)特征峰3个,并减少了466 cm~(-1)这个振动峰,且其他特征峰的吸光度较原生物炭整体降低,说明生物炭在老化过程中其含氧官能团增加,而其它官能团数量和其表面的晶体含量都有所减少.因此,生物炭在一定环境作用下,其老化过程中一些元素释放而含量减少,且导致物质结构的破坏.     

秸秆与秸秆生物炭对采煤塌陷复垦区土壤活性有机碳的影响

为了解农业废弃物对典型采煤塌陷复垦地活性有机碳的影响,采用盆栽培养试验,研究秸秆与秸秆生物炭对复垦3年(3 a)和7年(7 a)土壤总有机碳(TOC)、水溶性有机碳(DOC)、易氧化有机碳(ROC)与土壤微生物生物量碳(SMBC)的影响.对复垦3 a和7 a土壤分别设置4个处理,包括不施肥(CK3与CK7)、只施氮肥(N3与N7)、氮肥与秸秆配施(NS3与NS7)以及氮肥与秸秆生物炭配施(NB3与NB7).结果表明,秸秆与秸秆生物炭均能显著提高复垦土壤TOC与各活性有机碳含量.与只施氮肥相比,施用秸秆处理的TOC、DOC、ROC与SMBC平均增幅为25.0%、46.0%、48.8%与41.5%,施用秸秆生物炭的平均增幅为37.8%、40.4%、37.2%与39.5%.秸秆生物炭对TOC的提升效应强于秸秆,对DOC与ROC的提高弱于秸秆,对SMBC影响与秸秆间无显著差异.除了复垦3 a土壤SMBC组分外,4个处理在复垦3 a土壤DOC、ROC组分与复垦7 a土壤3种活性有机碳组分从大到小均依次为NS、NB、N与CK.复垦7 a土壤的TOC、DOC、ROC与SMBC分别比复垦3 a土壤对应指标高35.2%、36.7%、31.9%与28.2%.此外,TOC分别与DOC、ROC、SMBC间呈显著的指数正相关,分别能解释DOC、ROC与SMBC变异的88.4%、84.7%与89.6%.可见,秸秆施用在短时间内对土壤活性有机碳的提升效应强于秸秆生物炭,但对土壤固碳潜力的提高弱于生物炭,二者均可以作为有益物质施用于复垦土壤中.     

热解温度对棉杆生物炭中水可提取有机物与Cu(Ⅱ)络合特性的影响

本文以棉杆生物炭中水可提取的有机物(water extracted organic matter,WEOM)为研究对象,采用二阶导数荧光和二维相关光谱分析方法研究低温(300℃)和高温(600℃)热解温度下生物炭WEOM的荧光组分变化及其与Cu(Ⅱ)离子的络合特性.研究结果表明,低温和高温热解生物炭WEOM的含量分别为...     

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.     

秸秆生物炭施用对玉米根际和非根际土壤微生物群落结构的影响

为探究生物炭施用对土壤微生物群落结构与功能的影响,以广东博罗某生态农业实验基地玉米地为试验对象,设置3个处理,分别按0(C)、5(B1)、10(B2)t·hm~(-2)施加秸秆生物炭,分别于第7天、14天、21天后采集根际土壤及非根际土壤样品,通过对玉米根际及非根际土壤细菌16S rDNA进行高通量测序分析,结合16S rDNA PICRUSt功能预测技术,探究生物炭施用对玉米根际土壤及非根际土壤微生物群落结构与功能的影响。结果表明,与空白对照组相比,施加生物炭可明显增加玉米非根际土壤微生物群落多样性,施加21 d后C组、B1组和B2组chao1指数分别为1 261、2 707和2 472;对根际土壤微生物多样性影响不显著(P=0.406)。施加5t·hm~(-2)生物炭后,玉米根际土壤酸杆菌门(Acidobacteria)相对丰度升高,但施加10 t·hm~(-2)生物炭处理酸杆菌门(Acidobacteria)相对丰度降低。在科水平上,施加生物炭后,玉米非根际土壤黄色单胞菌科(Xanthomonadaceae)受到明显抑制,而施加生物炭与否及施加量多少对根际土壤黄色单胞菌科(Xanthomonadaceae)丰度高低影响不显著(P=0.857)。PICRUSt预测结果表明,生物炭施加对玉米土壤微生物群落代谢、遗传、信息传递等过程产生影响,从而改变微生物的群落结构及生态功能。综上,施用生物炭会影响玉米土壤微生物群落结构与功能,相对于施加10 t·hm~(-2)处理,施加5 t·hm~(-2)处理对土壤微生物群落结构的影响效果更为显著。该研究结果可为生物炭农业化利用机制研究及施加量选择提供参考。     

生物炭对旱作农田土壤理化性质及作物产量的影响

生物炭因其结构和功能特性受到国内外学者广泛关注,在农业土壤改良培肥、固碳减排等方面展现出巨大的应用潜力,但基于田间长期定位试验,开展生物炭对大田土壤理化性质及作物产量的影响研究尚不多见。以西南地区玉米(Zea mays L.)-油菜(Brassica campestris L.)轮作农田为研究对象,通过不同生物炭添加比例的田间定位试验研究了生物炭施用对旱作农田土壤容重、pH值、有机质、矿质态氮、有效磷、含水量等理化性质以及作物产量的影响,试验共设4个处理:单施复合肥、尿素(C0);复合肥、尿素+20 t·hm-2生物炭(C2);复合肥、尿素+50 t·hm-2生物炭(C5);复合肥、尿素+100 t·hm-2生物炭(C10)。结果表明:与C0对比,C5和C10处理均显著降低了土壤容重,降低幅度分别为14.6%和32.5%;C2、C5和C10处理土壤年均pH比对照组分别提高了0.10、0.17和0.15个单位;处理组土壤中有机质含量比对照组分别提高44.9%、137.7%和297.2%;土壤硝态氮含量比对照组分别提高了38.0%、26.3%和88.4%;土壤有效磷含量分别提高了34.8%、135.0%和232.2%;生物炭处理下土壤年均含水量比对照组分别提高了8.8%、29.1%和44.7%。玉米、油菜籽实和均表现为生物炭处理高于对照组。玉米籽实提高7.6%~20.3%,玉米根茎叶生物量提高8.6%~46.8%;油菜籽实产量提高显著,高于对照组15.7%~35.4%,根茎叶生物量提高-17.2%~30.3%。综合来看,本试验条件下,生物炭施用有利于降低土壤容重,提高土壤pH、有机质含量、NO3--N含量、有效磷含量、含水量,显示出生物炭作为土壤改良剂施用于农田能有效改良土壤理化性质和提高耕作性能。