本研究以常見農(nóng)林廢棄物—果木枝條、玉米秸稈和花生秸稈為原料,在350～550℃條件下熱解制得五種本體生物炭;采用離心法、球磨法、球磨+離心法3種方法提取納米生物炭,進(jìn)而對本體生物炭和納米生物炭的比表面積、元素含量、礦物組成和表面化學(xué)性質(zhì)等進(jìn)行比較,以探究物料來源、熱解溫度和制備方法對納米生物炭性質(zhì)及穩(wěn)定性的影響.與本體生物炭相比,球磨法制得的納米生物炭比表面積增大1.36～6.94倍,但產(chǎn)物未達(dá)到納米顆粒級別,且在水體中穩(wěn)定性較弱;球磨+離心法制得的納米生物炭直徑為70.06～103.43nm,在水體中穩(wěn)定性強(qiáng);離心法制備的納米生物炭各項指標(biāo)均不如其他兩種方法.納米生物炭的產(chǎn)率為2.27%～34.80%,且產(chǎn)率隨溫度的升高而降低.與本體生物炭相比,納米生物炭含有更多的羥基等含氧官能團(tuán)和更少的脂肪碳鏈.與果木枝條制備的納米生物炭相比,玉米秸稈和花生秸稈來源的納米生物炭產(chǎn)率高,但水穩(wěn)性較差,易發(fā)生凝聚.果木枝條來源的納米生物炭碳酸鹽等堿性礦物含量豐富,且由于顆粒表面含氧官能團(tuán)數(shù)量多而zeta電位絕對值高,懸液可以穩(wěn)定分散.不同方法制備得到的納米生物炭優(yōu)缺點各異:球磨法制得的納米生物炭比表面... 

【文章來源】：中國環(huán)境科學(xué). 2020,40(07)北大核心EICSCD

【文章頁數(shù)】：11 頁

【部分圖文】：

本體生物炭與納米生物炭的FTIR譜圖

生物炭的原子比H/C、O/C和(O+N)/C分別表征生物炭的芳香性、親水性和極性大小,H/C比值越小則芳香性越高,O/C和(O+N)/C比值越大,則親水性和極性越大[44].350°C條件下不同方法提取得到的納米生物炭的芳香性減弱,極性越強(qiáng),疏水性減弱.350°C條件下球磨+離心法制得的納米生物炭的H/C比>1.0,表明生物炭中可能含有大量的原始有機(jī)殘留物,如聚合物CH2、木質(zhì)素和纖維素(極性組分)等.隨著熱解溫度升高,納米生物炭的H/C原子比減小,芳香性增強(qiáng),這是因為在較高溫度的熱解過程中不飽和、芳香度低的不穩(wěn)定C轉(zhuǎn)變成為芳香度高、飽和度大的相對穩(wěn)定C,(O+N)/C原子比減小,極性減弱,生物炭在水體中的穩(wěn)定性減弱.隨著熱解溫度升高,O/C比下降,這是由于溫度的升高會促進(jìn)脫氧脫羧反應(yīng)的發(fā)生,生物炭表面含氧官能團(tuán)燒失.本研究中本體生物炭與納米生物炭原子比用典型的van Krevlen圖表示(圖6),該圖可表明工藝參數(shù)對生產(chǎn)過程中化學(xué)反應(yīng)的影響[45].本體生物炭與球磨法制得的納米生物炭在圖中位置非常接近,說明它們的形成過程是相似的,涉及相同的反應(yīng),如脫羧、脫水和去甲基化,而球磨+離心法制得的納米生物炭的位置則存在顯著差異,這表明球磨+離心法制得的納米生物炭的形成過程是獨立于宏觀形態(tài)的.球磨+離心法制得的納米生物炭的形成過程受生物炭自身性質(zhì)的影響.高溫納米生物炭的脫水和脫氧過程強(qiáng)烈,350°C條件下制備的納米生物炭的去甲基化程度低.其中CB350納米生物炭的去甲基化程度最低,脫羧反應(yīng)微弱,含氧官能團(tuán)數(shù)量豐富,與表面官能團(tuán)測定結(jié)果一致(圖5).

本文進(jìn)而對3種方法提取得到納米生物炭的水穩(wěn)性進(jìn)行了長期定性觀察,結(jié)果如圖3所示.在相同質(zhì)量濃度下,不同制備方法得到的納米生物炭懸液顏色差異明顯:離心法制得的納米生物炭懸液為淺黃色;球磨法制得的納米生物炭懸液顏色最深,為深棕色;球磨+離心法制得的納米生物炭為淺棕色;這些差異可能與三種納米生物炭的物質(zhì)組成以及不同提取過程中可溶性炭含量有關(guān)[28-29].對于同一制備方法得到的特定種類納米生物炭懸液,伴隨靜置時間延長,其顏色變幅越小則表明懸液中呈分散狀態(tài)的納米生物炭顆粒數(shù)量越多.靜置5min時,3種方法提取得到的納米生物炭顆粒均能穩(wěn)定的分散在水中.靜置30min后,離心法制得的納米生物炭懸液底部出現(xiàn)生物炭顆粒,球磨+離心法制得的納米生物炭懸液仍保持穩(wěn)定分散狀態(tài).靜置40d后離心法制得的納米生物炭明顯聚沉,上部懸液基本澄清;球磨法制得的納米生物炭懸液的底部出現(xiàn)明顯的聚沉物,懸液顏色變?yōu)闇\棕色懸液分散態(tài)納米生物炭數(shù)量明顯減少;球磨+離心法制得的納米生物炭僅懸液底部有少許沉淀.結(jié)果表明球磨+離心法制得的納米生物炭長期水穩(wěn)性較強(qiáng).總體而言,球磨+離心法制得的納米生物炭在水相中能穩(wěn)定存在,離心法制得的納米生物炭最不穩(wěn)定,短時間內(nèi)顆粒發(fā)生快速聚沉.圖2 納米生物炭水穩(wěn)性的定量觀測

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]生物炭添加對半干旱區(qū)土壤細(xì)菌群落的影響[J]. 王穎,孫層層,周際海,王彤彤,鄭紀(jì)勇.  中國環(huán)境科學(xué). 2019(05)
[2]生物炭對塿土土壤容重和團(tuán)聚體的影響[J]. 李倩倩,許晨陽,耿增超,張久成,陳樹蘭,王慧玲,張妍,贠方悅,楊林,董勝虎.  環(huán)境科學(xué). 2019(07)
[3]生物炭施用對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與環(huán)境效應(yīng)影響研究進(jìn)展分析[J]. 勾芒芒,屈忠義,王凡,高曉瑜,胡敏.  農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報. 2018(07)
[4]生物炭對土壤微生物C源代謝活性的影響[J]. 周鳳,許晨陽,金永亮,付子騰,閆恒年,陳文怡,陳思默,耿增超.  中國環(huán)境科學(xué). 2017(11)
[5]生物炭施用的固碳減排潛力及農(nóng)田效應(yīng)[J]. 徐敏,伍鈞,張小洪,楊剛.  生態(tài)學(xué)報. 2018(02)
[6]溫度對生物質(zhì)三組分熱解制備生物炭理化特性的影響[J]. 楊選民,王雅君,邱凌,趙立欣,孟程琳.  農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報. 2017(04)
[7]生物炭顆粒的分級提取、表征及其對磺胺甲噁唑的吸附性能研究[J]. 韓旸,多立安,劉仲齊,廉菲.  環(huán)境科學(xué)學(xué)報. 2017(06)
[8]中藥渣生物炭對磺胺甲基嘧啶的吸附及機(jī)理研究[J]. 何文澤,何樂林,李文紅,廖千家驊,商景閣.  中國環(huán)境科學(xué). 2016(11)
[9]Towards sustainable intensification of apple production in China—Yield gaps and nutrient use effi ciency in apple farming systems[J]. WANG Na,Joost Wolf,ZHANG Fu-suo.  Journal of Integrative Agriculture. 2016(04)
[10]熱解溫度對生物質(zhì)炭性質(zhì)及其在土壤中礦化的影響[J]. 趙世翔,姬強(qiáng),李忠徽,王旭東.  農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報. 2015(06)

博士論文
[1]不同生物質(zhì)原料和制備溫度對生物炭物理化學(xué)特征的影響[D]. 韋思業(yè).中國科學(xué)院大學(xué)(中國科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所) 2017
[2]土壤天然納米顆粒提取及其性質(zhì)和環(huán)境行為的表征[D]. 李文彥.浙江大學(xué) 2013



本文編號：3540970