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目 录

1．引言 4

2. 材料与方法 6

2.1生物质炭的制备以及预处理 6

2.2 pH值 6

2.3 有效磷 6

2.4 C、N、H元素分析 7

2.5 傅里叶变换红外光谱官能团测定 7

2.6 数据统计分析 7

3、结果与分析 7

3.1生物质炭的pH值 7

3.2 生物质炭的有效磷浓度 8

3.3 生物质炭的C、N、H 10

3.4生物质炭的表面结构特征及官能团 11

4、讨论 12

4.1pH值的变化 12

4. 2 有效磷含量的变化 13

4. 3 C、N、H的变化 13

4. 4 化学结构特征的变化 13

参考文献 14

致谢 16

不同原料制备的生物质炭的性质差异

袁雨婷

, China

Abstract: In this study, different pyrolysis temperatures (300 ℃, 400 ℃) and different preparation methods (access to nitrogen directly and access to nitrogen after packaging by aluminum foil) were carried out by using pinewood, sawdust and pistachio shell as the research materials, Pyrolysis were used to prepare biochar to analysis differences in physical and chemical properties of biochar from different biomass materials at different pyrolysis temperatures and different treatments. The results showed that the pH value of the pistachio was the highest and the pH value of the sawdust was the lowest. The effective phosphorus content was on the pistachio shellgt; pinegt; sawdust. The carbon content of the pistachio shells in the three biomass materials was the highest, the nitrogen content of the sawdust was the highest, and the hydrogen content of the pine was the highest. With regard to chemical structure characteristics, different functional groups contained similar functional groups. For the same kind of biochar, its pH value and carbon content increase with the increase of pyrolysis temperature, but the available phosphorus and hydrogen content decrease with the increase of pyrolysis temperature, and the nitrogen content is not obvious. At these two temperatures, the pH value of the biochar prepared by accessing to nitrogen after putting into the steel cylinder is lower than that of the biochar prepared by accessing to nitrogen after packaging, and the content of available phosphorus is opposite. Based on the experimental data, this paper briefly analyzed the potential value and application prospect of biochar prepared by different biomass materials (pine, sawdust and pistachio) in soil improvement and carbon sequestration. The experimental results provide a reference for selecting better biomass feedstocks and producing biochar with good physical and chemical properties.

Key words: biochar; raw materials; preparation methods; pyrolysis temperature; physical and chemical properties

1．引言

由于科技的迅速发展，工农业也发展迅速，土壤污染日渐加重，不仅是有机污染，重金属污染也是不容小觑。一方面，矿物燃料的不完全燃烧以及热解过程中会产生大量有机污染物，大多会随着烟尘或是废气释放入大气，再经干、湿沉降进入土壤中^[1,2]，而这些有机污染物多有高生物积累性和“三致”效应^[3]，因此不仅会污染土壤进而影响生态平衡还会通过生物链富集，危害人类健康。另一方面，在工农业生产中不免产生许多含有重金属离子和化合物的废渣废水，而这些废渣废水若不经正确严格的处理就排放进环境中，则会造成严重的重金属污染。土壤一经污染必将导致其肥力下降，进而农作物产量减少，此外，还会通过淋浴和地表径流等途径污染地表水和地下水，可能会由植物吸收经食物链富集，从而影响人类生活^[4]。土壤污染处理周期长，因此，在我国，关于如何防治土壤污染已经成为严峻的考验，有机物污染和重金属污染的治理技术也成为环境工作者关注的焦点。

植物修复技术由于其修复成本低且高效，具有非破坏性，还可以同时处理不同类型的有害废物，所以公众接受度高^[5,6]，但作为活体修复，必然受到气候条件及地质条件等的影响，修复效率和应用范围受限^[7-10]，因此还需更加有效的措施来解决土壤污染。

近年兴起的生物质炭技术由于其较高的环境效益而受到广泛关注。

生物质炭是生物有机材料在缺氧或绝氧环境中，经高温裂解后生成的多孔富碳固态产物。生物质炭不是普通木炭，而是一种含碳量极为丰富，以废弃农作物等为原料碳化制得的材料。人们对生物质炭开展相关研究是受到亚马逊盆地中部黑色土壤（Terra Preta）的启发^[11]。此土壤碳含量十分丰富，具有较高的pH值，且N、P、K等植物必须营养元素的含量远高于普通土壤，因此这类土壤的农作物产量是普通土壤的两倍以上^[12]。经过专家的研究证实此土壤之所以肥沃是因为前人将生物质炭输入普通土壤所形成的。

2007年在澳大利亚举办的第一届国际生物质炭会议将人类系统研究生物质炭推向高潮，此后，生物质炭成为了研究焦点与热点。不久后，国际生物黑炭联盟（International Biochar Initiative，IBI）正式成立并向全球范围内招收会员，促进了各国研究生物质炭学者之间的交流与讨论。

生物质炭可以作为土壤改良剂，它的多孔性质使其不仅可以补充土壤的有机物含量，还能够很好地保存养料，水分，提升土壤肥力，还可去除如Cr、Cd、Ni、Hg和Pb等重金属，同时也可以去除如四环素、苯酚等化学物质^[13]。生物质炭施于土壤后不但能增加其中碳的储量,减少C0₂的释放，还能改善土壤的物化及生物学性质,提高土壤生产力。同时,生物质炭还具有促进植物生长、减弱重金属和有机污染物生物有效性等作用,因此，生物质炭既能作为高品质能源，也能作为还原剂、肥料缓释载体以及二氧化碳的封存剂，已经广泛应用于水源净化，固碳减排，土壤改良和重金属吸附等，在农业和环保领域应用较多。

人们最初将研究的重点放在如何获得最高的生物质炭产量，取得了许多研究成果。比如，热解温度在450-600℃之间最有利于生物质炭的生产；温度过高会导致生物质炭的产量降低而生物气和生物油等产物的产量增加^[12]。除了相对较低的温度，更长的热解时间和更低的加热速率也有利于炭的形成^[13]。

但是生物质炭之所以应用广泛，最根本的原因是它具有良好的理化性质。近些年人们已将关注的重点放在如何制备出理化性质优越的生物质炭。研究表明，生物质炭的理化性质受多方面因素的影响，主要有生物质自身性质（生物质种类，水分含量，粒径）、反应条件（反应温度，反应时间，加热速率）、周围环境（载气种类，载气流通速率）和其他因素（催化剂，反应器类型）^[13]。显然想要获得理化性质优越的生物质炭，我们必须探讨不同因素对生物质炭理化性质的影响。

研究表明，生物质原料是影响生物质炭理化性质的决定因素。郑庆福等^[15]研究了不同原料和炭化方式制得的生物质炭结构性质的FTIR，发现不同种类的生物质炭都具有羟基、芳香基和一些含氧基团。林珈羽等^[16]通过分析不同原料不同温度下热解麦秆、稻杆和松木屑得出的生物质炭的理化特征，发现制备原料不同，pH值和吸附能力差别较大。张千丰^[17]等以玉米棒芯、大豆秸秆和水稻颖壳作为生物质材料，研究来不同原料在各热解温度下的理化性质，也得出了相似的结果。

目前对于生物质炭的基本理化性质研究得较多,多针对不同原料(如竹炭、秸秆炭等)或不同处理方式等单因素，而对于不同来源、不同处理方式的生物质炭理化性质的研究相对较少。所以，本次研究选取不同来源、不同处理方式（以装入钢制圆筒内通N₂和铝箔包裹通N₂两种方式（在300℃、400℃两个温度下）的生物质炭作为研究对象,对它的基本理化性质做了探讨。以期为不同生物质资源的合理利用提供基础数据。

2. 材料与方法

2.1生物质炭的制备以及预处理

称取一定量的松木、锯末以及开心果壳于105℃下烘干两小时。先取一部分松木分别置于两个钢制圆筒中，放入马弗炉，通入N₂以排除马弗炉中的氧气，使马弗炉快速升温至300℃后，10min内升温至400℃，两个温度下各取出一个钢制圆筒自然冷却至室温25℃后收集产生的生物质炭，同样的方法制备开心果壳共获得4个生物质炭样品。再取一部分松木、锯末和开心果壳分别以锡箔纸包裹，经过和上述相同操作，再获得6个生物质炭样品。因此，本实验共有10个生物质炭样品^[18]，分别记为松木300℃N₂、400℃N₂、300℃包裹、400℃包裹；锯末300℃包裹、400℃包裹；果壳300℃N₂、400℃N₂、300℃包裹、400℃包裹。

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