生物質(zhì)源和制備溫度對(duì)生物炭構(gòu)效的影響.pdf

1、生物炭近年來受到廣泛關(guān)注,被認(rèn)為具有提高土壤碳庫容量、改善土壤理化性質(zhì)、吸附廢水污染物和減少溫室氣體排放等功能,然而目前關(guān)于生物質(zhì)廢棄物源和加工溫度對(duì)生物炭結(jié)構(gòu)與性能影響程度尚無系統(tǒng)研究,生物炭構(gòu)效機(jī)理不明晰。本文題選取六種典型生物質(zhì)廢棄物,包括植物類原材料玉米秸稈、小麥秸稈、青草和市政垃圾類原材料包括豬糞、蛋殼和污泥,在350oC和500oC下熱解轉(zhuǎn)化為生物炭,對(duì)生物炭的理化性質(zhì)、分子結(jié)構(gòu)、晶體和礦物特征等進(jìn)行測(cè)定分析,以闡明不同種類

2、的生物質(zhì)源和不同的制備溫度對(duì)生物炭產(chǎn)物的影響及其程度。結(jié)合生物炭培養(yǎng)礦化實(shí)驗(yàn)以及生物炭的分類應(yīng)用研究,闡明生物質(zhì)源廢棄物和制備溫度與生物炭構(gòu)效的關(guān)聯(lián),并由此分析生物炭被施用于土壤后的潛在環(huán)境效應(yīng)。本研究主要內(nèi)容包括：
　?、艑?duì)植物類和市政垃圾類原材料制備的生物炭性質(zhì)進(jìn)行了對(duì)比。兩類生物炭的pH與等電荷點(diǎn)(PZC)相近,均在8.0–10.0范圍內(nèi)。植物類生物炭中碳含量為56.8–60.0％,高于市政垃圾類生物炭(13.4–39.1%

3、);而產(chǎn)率和灰分分別為22.3–6.30%和21.8–22.3%,低于市政垃圾類生物炭(44–55.7%和45.1–90.4%);而后者的陽離子交換能力(CEC)為49–334 cmol·kg-1,顯著高于前者(46.3–50.1 cmol·kg-1),并且其陰離子交換能力(AEC)為12.0–16.0 cmol·kg-1,低于植物生物炭(33.5–63.2 cmol·kg-1)。XRD分析表明植物類生物炭含有大量KCl,而市政垃圾類生

4、物炭中主要礦物為CaCO3,對(duì)于分子結(jié)構(gòu),FTIR結(jié)果表明,植物類生物炭在-OH、-COOH和-CH2等官能團(tuán)峰的強(qiáng)度均高于市政垃圾類生物炭,而后者含有更高強(qiáng)度的的無機(jī)陰離子(CO32-和PO43-)峰
　?、飘?dāng)生物炭的制備溫度從350oC升高到500oC時(shí),生物炭的總碳TC、金屬含量、pH、PZC(零點(diǎn)電荷)、陽離子量( CEC)和陰離子量(AEC)變化顯著,生物炭中的TC升高約33%。金屬含量增加約30%,pH和PZC相應(yīng)的分

5、別提升了約18%和16%,陽離子交換量相應(yīng)提升了約90%,而陰離子交換量降低約30%,我們研究了十幾種生物炭發(fā)現(xiàn),生物炭的陽離子交換量和生物炭自身的所含的金屬濃度有很強(qiáng)的相關(guān)性(350oC時(shí),R2=0.87,500oC時(shí),R2=0.922),陰離子交換和生物炭本身含的可溶性陰離子由很強(qiáng)的相關(guān)性(350oC時(shí),R2=0.92,500oC時(shí),R2=0.70);對(duì)于生物炭表明官能團(tuán)等分子結(jié)構(gòu),礦物組分等,制備溫度對(duì)其影響較小。
　?、巧?/p>

6、物炭穩(wěn)定性是其固碳的前提。本研究采用木屑和稻草兩種典型生物質(zhì)所制備的生物炭,將其與石英砂混合,模擬其加入土壤后的狀態(tài),測(cè)定其礦化速率(CO2釋放潛力)。研究得到,生物炭在最初一周礦化速率較高,為0.895–3.025 CO2 mg·g-1C·day-1,在前15天內(nèi),木屑的礦化速率顯著高于稻草生物炭,15后,木屑礦化速率開始低于稻草的礦化速率,在培養(yǎng)到50天時(shí),兩種生物炭的礦化速率均降低到較低水平,基本趨于穩(wěn)定狀態(tài)。最初的較高礦化速率主

7、要是因?yàn)橐恍┛扇苄杂袡C(jī)碳(DOC)的貢獻(xiàn),木屑中DOC含量為4.44mg·g-1顯著高于稻草DOC含量(1.77 mg·g-1)。
　　⑷不同原材料生物炭中各元素的廣泛分布和高異質(zhì)性導(dǎo)致其在土壤應(yīng)用時(shí)難以選擇。本研究針對(duì)20種生物炭的礦物和金屬含量水平的差異,運(yùn)用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法進(jìn)行了因子分析和聚類分析,給出了其內(nèi)在關(guān)系。提取出四個(gè)主因子:PC1在Mg、Cu、Zn、Al、Fe5種元素中載荷較高,PC2與N和K高度相關(guān),PC3和PC4代表