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生物质源和制备温度对生物炭构效的影响

王群  
【摘要】:生物炭近年来受到广泛关注,被认为具有提高土壤碳库容量、改善土壤理化性质、吸附废水污染物和减少温室气体排放等功能,然而目前关于生物质废弃物源和加工温度对生物炭结构与性能影响程度尚无系统研究,生物炭构效机理不明晰。本论文题选取六种典型生物质废弃物,包括植物类原材料玉米秸秆、小麦秸秆、青草和市政垃圾类原材料包括猪粪、蛋壳和污泥,在350oC和500oC下热解转化为生物炭,对生物炭的理化性质、分子结构、晶体和矿物特征等进行测定分析,以阐明不同种类的生物质源和不同的制备温度对生物炭产物的影响及其程度。结合生物炭培养矿化实验以及生物炭的分类应用研究,阐明生物质源废弃物和制备温度与生物炭构效的关联,并由此分析生物炭被施用于土壤后的潜在环境效应。本文主要结论如下: (1)对植物类和市政垃圾类原材料制备的生物炭性质进行了对比。两类生物炭的pH与等电荷点(PZC)相近,均在8.0–10.0范围内。植物类生物炭中碳含量为56.8–60.0%,高于市政垃圾类生物炭(13.4–39.1%);而产率和灰分分别为22.3–6.30%和21.8–22.3%,低于市政垃圾类生物炭(44–55.7%和45.1–90.4%);而后者的阳离子交换能力(CEC)为49–334cmol·kg~(-1),显著高于前者(46.3–50.1cmol·kg~(-1)),并且其阴离子交换能力(AEC)为12.0–16.0cmol·kg~(-1),低于植物生物炭(33.5–63.2cmol·kg~(-1))。XRD分析表明植物类生物炭含有大量KCl,而市政垃圾类生物炭中主要矿物为CaCO_3,对于分子结构,FTIR结果表明,植物类生物炭在-OH、-COOH和-CH_2等官能团峰的强度均高于市政垃圾类生物炭,而后者含有更高强度的的无机阴离子(CO_3~(2-)和PO_4~(3-))峰 (2)当生物炭的制备温度从350oC升高到500oC时,生物炭的总碳TC、金属含量、pH、PZC(零点电荷)、阳离子量(CEC)和阴离子量(AEC)变化显著,生物炭中的TC升高约33%。金属含量增加约30%,pH和PZC相应的分别提升了约18%和16%,阳离子交换量相应提升了约90%,而阴离子交换量降低约30%,我们研究了十几种生物炭发现,生物炭的阳离子交换量和生物炭自身的所含的金属浓度有很强的相关性(350oC时,R~2=0.87,500oC时,R~2=0.922),阴离子交换和生物炭本身含的可溶性阴离子由很强的相关性(350oC时,R~2=0.92,500oC时,R~2=0.70);对于生物炭表明官能团等分子结构,矿物组分等,制备温度对其影响较小。 (3)生物炭稳定性是其固碳的前提。本研究采用木屑和稻草两种典型生物质所制备的生物炭,将其与石英砂混合,模拟其加入土壤后的状态,测定其矿化速率(CO_2释放潜力)。研究得到,生物炭在最初一周矿化速率较高,为0.895–3.025CO_2mg·g~(-1)C·day-1,在前15天内,木屑的矿化速率显著高于稻草生物炭,15后,木屑矿化速率开始低于稻草的矿化速率,在培养到50天时,两种生物炭的矿化速率均降低到较低水平,基本趋于稳定状态。最初的较高矿化速率主要是因为一些可溶性有机碳(DOC)的贡献,木屑中DOC含量为4.44mg·g~(-1)显著高于稻草DOC含量(1.77mg·g~(-1))。 (4)不同原材料生物炭中各元素的广泛分布和高异质性导致其在土壤应用时难以选择。本研究针对20种生物炭的矿物和金属含量水平的差异,运用统计学方法进行了因子分析和聚类分析,给出了其内在关系。提取出四个主因子:PC1在Mg、Cu、Zn、Al、Fe5种元素中载荷较高,PC2与N和K高度相关,PC3和PC4代表了P和Ca。这四个主因子能够解释85%的生物炭元素分布特征。通过聚类分析将其分为3类,Cluster1包括鱼骨渣和鸡蛋壳生物炭,主要由PC3和PC4中的元素贡献;Cluster2包括水草和废纸生物炭,并与虾壳和绿藻生物炭接近,主要由PC2和PC4的元素贡献;Cluster3包括一系列植物类和农作物秸秆生物炭,并与牛粪和污泥最为接近,主要元素为PC1中所包含的元素。 根据文献,假定土壤中生物炭的添加率为50t ha~(-1),则可引入较多的营养元素,而毒金属铅,镉,钴,铬,其平均浓度低于0.35mg·kg~(-1),使添加生物炭后的土壤仍然复合国家一级标准。因此,生物炭可作为一种营养物质缓释肥添加入土壤中,且可依据本研究的结论,针对不同特征的土壤,选择适宜的添加种类和添加量。


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