纳米生物炭的制备方法比较及其特性研究
发布时间：2021-12-17 21:23
本研究以常见农林废弃物—果木枝条、玉米秸秆和花生秸秆为原料,在350～550℃条件下热解制得五种本体生物炭;采用离心法、球磨法、球磨+离心法3种方法提取纳米生物炭,进而对本体生物炭和纳米生物炭的比表面积、元素含量、矿物组成和表面化学性质等进行比较,以探究物料来源、热解温度和制备方法对纳米生物炭性质及稳定性的影响.与本体生物炭相比,球磨法制得的纳米生物炭比表面积增大1.36～6.94倍,但产物未达到纳米颗粒级别,且在水体中稳定性较弱;球磨+离心法制得的纳米生物炭直径为70.06～103.43nm,在水体中稳定性强;离心法制备的纳米生物炭各项指标均不如其他两种方法.纳米生物炭的产率为2.27%～34.80%,且产率随温度的升高而降低.与本体生物炭相比,纳米生物炭含有更多的羟基等含氧官能团和更少的脂肪碳链.与果木枝条制备的纳米生物炭相比,玉米秸秆和花生秸秆来源的纳米生物炭产率高,但水稳性较差,易发生凝聚.果木枝条来源的纳米生物炭碳酸盐等碱性矿物含量丰富,且由于颗粒表面含氧官能团数量多而zeta电位绝对值高,悬液可以稳定分散.不同方法制备得到的纳米生物炭优缺点各异:球磨法制得的纳米生物炭比表面...
【文章来源】：中国环境科学. 2020,40(07)北大核心EICSCD
【文章页数】：11 页
【部分图文】：
本体生物炭与纳米生物炭的FTIR谱图
生物炭的原子比H/C、O/C和(O+N)/C分别表征生物炭的芳香性、亲水性和极性大小,H/C比值越小则芳香性越高,O/C和(O+N)/C比值越大,则亲水性和极性越大[44].350°C条件下不同方法提取得到的纳米生物炭的芳香性减弱,极性越强,疏水性减弱.350°C条件下球磨+离心法制得的纳米生物炭的H/C比>1.0,表明生物炭中可能含有大量的原始有机残留物,如聚合物CH2、木质素和纤维素(极性组分)等.随着热解温度升高,纳米生物炭的H/C原子比减小,芳香性增强,这是因为在较高温度的热解过程中不饱和、芳香度低的不稳定C转变成为芳香度高、饱和度大的相对稳定C,(O+N)/C原子比减小,极性减弱,生物炭在水体中的稳定性减弱.随着热解温度升高,O/C比下降,这是由于温度的升高会促进脱氧脱羧反应的发生,生物炭表面含氧官能团烧失.本研究中本体生物炭与纳米生物炭原子比用典型的van Krevlen图表示(图6),该图可表明工艺参数对生产过程中化学反应的影响[45].本体生物炭与球磨法制得的纳米生物炭在图中位置非常接近,说明它们的形成过程是相似的,涉及相同的反应,如脱羧、脱水和去甲基化,而球磨+离心法制得的纳米生物炭的位置则存在显著差异,这表明球磨+离心法制得的纳米生物炭的形成过程是独立于宏观形态的.球磨+离心法制得的纳米生物炭的形成过程受生物炭自身性质的影响.高温纳米生物炭的脱水和脱氧过程强烈,350°C条件下制备的纳米生物炭的去甲基化程度低.其中CB350纳米生物炭的去甲基化程度最低,脱羧反应微弱,含氧官能团数量丰富,与表面官能团测定结果一致(图5).
本文进而对3种方法提取得到纳米生物炭的水稳性进行了长期定性观察,结果如图3所示.在相同质量浓度下,不同制备方法得到的纳米生物炭悬液颜色差异明显:离心法制得的纳米生物炭悬液为浅黄色;球磨法制得的纳米生物炭悬液颜色最深,为深棕色;球磨+离心法制得的纳米生物炭为浅棕色;这些差异可能与三种纳米生物炭的物质组成以及不同提取过程中可溶性炭含量有关[28-29].对于同一制备方法得到的特定种类纳米生物炭悬液,伴随静置时间延长,其颜色变幅越小则表明悬液中呈分散状态的纳米生物炭颗粒数量越多.静置5min时,3种方法提取得到的纳米生物炭颗粒均能稳定的分散在水中.静置30min后,离心法制得的纳米生物炭悬液底部出现生物炭颗粒,球磨+离心法制得的纳米生物炭悬液仍保持稳定分散状态.静置40d后离心法制得的纳米生物炭明显聚沉,上部悬液基本澄清;球磨法制得的纳米生物炭悬液的底部出现明显的聚沉物,悬液颜色变为浅棕色悬液分散态纳米生物炭数量明显减少;球磨+离心法制得的纳米生物炭仅悬液底部有少许沉淀.结果表明球磨+离心法制得的纳米生物炭长期水稳性较强.总体而言,球磨+离心法制得的纳米生物炭在水相中能稳定存在,离心法制得的纳米生物炭最不稳定,短时间内颗粒发生快速聚沉.图2 纳米生物炭水稳性的定量观测
【参考文献】：
期刊论文
[1]生物炭添加对半干旱区土壤细菌群落的影响[J]. 王颖,孙层层,周际海,王彤彤,郑纪勇. 中国环境科学. 2019(05)
[2]生物炭对塿土土壤容重和团聚体的影响[J]. 李倩倩,许晨阳,耿增超,张久成,陈树兰,王慧玲,张妍,贠方悦,杨林,董胜虎. 环境科学. 2019(07)
[3]生物炭施用对农业生产与环境效应影响研究进展分析[J]. 勾芒芒,屈忠义,王凡,高晓瑜,胡敏. 农业机械学报. 2018(07)
[4]生物炭对土壤微生物C源代谢活性的影响[J]. 周凤,许晨阳,金永亮,付子腾,闫恒年,陈文怡,陈思默,耿增超. 中国环境科学. 2017(11)
[5]生物炭施用的固碳减排潜力及农田效应[J]. 徐敏,伍钧,张小洪,杨刚. 生态学报. 2018(02)
[6]温度对生物质三组分热解制备生物炭理化特性的影响[J]. 杨选民,王雅君,邱凌,赵立欣,孟程琳. 农业机械学报. 2017(04)
[7]生物炭颗粒的分级提取、表征及其对磺胺甲噁唑的吸附性能研究[J]. 韩旸,多立安,刘仲齐,廉菲. 环境科学学报. 2017(06)
[8]中药渣生物炭对磺胺甲基嘧啶的吸附及机理研究[J]. 何文泽,何乐林,李文红,廖千家骅,商景阁. 中国环境科学. 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]热解温度对生物质炭性质及其在土壤中矿化的影响[J]. 赵世翔,姬强,李忠徽,王旭东. 农业机械学报. 2015(06)
博士论文
[1]不同生物质原料和制备温度对生物炭物理化学特征的影响[D]. 韦思业.中国科学院大学(中国科学院广州地球化学研究所) 2017
[2]土壤天然纳米颗粒提取及其性质和环境行为的表征[D]. 李文彦.浙江大学 2013
本文编号：3540970
【文章来源】：中国环境科学. 2020,40(07)北大核心EICSCD
【文章页数】：11 页
【部分图文】：
本体生物炭与纳米生物炭的FTIR谱图
生物炭的原子比H/C、O/C和(O+N)/C分别表征生物炭的芳香性、亲水性和极性大小,H/C比值越小则芳香性越高,O/C和(O+N)/C比值越大,则亲水性和极性越大[44].350°C条件下不同方法提取得到的纳米生物炭的芳香性减弱,极性越强,疏水性减弱.350°C条件下球磨+离心法制得的纳米生物炭的H/C比>1.0,表明生物炭中可能含有大量的原始有机残留物,如聚合物CH2、木质素和纤维素(极性组分)等.随着热解温度升高,纳米生物炭的H/C原子比减小,芳香性增强,这是因为在较高温度的热解过程中不饱和、芳香度低的不稳定C转变成为芳香度高、饱和度大的相对稳定C,(O+N)/C原子比减小,极性减弱,生物炭在水体中的稳定性减弱.随着热解温度升高,O/C比下降,这是由于温度的升高会促进脱氧脱羧反应的发生,生物炭表面含氧官能团烧失.本研究中本体生物炭与纳米生物炭原子比用典型的van Krevlen图表示(图6),该图可表明工艺参数对生产过程中化学反应的影响[45].本体生物炭与球磨法制得的纳米生物炭在图中位置非常接近,说明它们的形成过程是相似的,涉及相同的反应,如脱羧、脱水和去甲基化,而球磨+离心法制得的纳米生物炭的位置则存在显著差异,这表明球磨+离心法制得的纳米生物炭的形成过程是独立于宏观形态的.球磨+离心法制得的纳米生物炭的形成过程受生物炭自身性质的影响.高温纳米生物炭的脱水和脱氧过程强烈,350°C条件下制备的纳米生物炭的去甲基化程度低.其中CB350纳米生物炭的去甲基化程度最低,脱羧反应微弱,含氧官能团数量丰富,与表面官能团测定结果一致(图5).
本文进而对3种方法提取得到纳米生物炭的水稳性进行了长期定性观察,结果如图3所示.在相同质量浓度下,不同制备方法得到的纳米生物炭悬液颜色差异明显:离心法制得的纳米生物炭悬液为浅黄色;球磨法制得的纳米生物炭悬液颜色最深,为深棕色;球磨+离心法制得的纳米生物炭为浅棕色;这些差异可能与三种纳米生物炭的物质组成以及不同提取过程中可溶性炭含量有关[28-29].对于同一制备方法得到的特定种类纳米生物炭悬液,伴随静置时间延长,其颜色变幅越小则表明悬液中呈分散状态的纳米生物炭颗粒数量越多.静置5min时,3种方法提取得到的纳米生物炭颗粒均能稳定的分散在水中.静置30min后,离心法制得的纳米生物炭悬液底部出现生物炭颗粒,球磨+离心法制得的纳米生物炭悬液仍保持稳定分散状态.静置40d后离心法制得的纳米生物炭明显聚沉,上部悬液基本澄清;球磨法制得的纳米生物炭悬液的底部出现明显的聚沉物,悬液颜色变为浅棕色悬液分散态纳米生物炭数量明显减少;球磨+离心法制得的纳米生物炭仅悬液底部有少许沉淀.结果表明球磨+离心法制得的纳米生物炭长期水稳性较强.总体而言,球磨+离心法制得的纳米生物炭在水相中能稳定存在,离心法制得的纳米生物炭最不稳定,短时间内颗粒发生快速聚沉.图2 纳米生物炭水稳性的定量观测
【参考文献】：
期刊论文
[1]生物炭添加对半干旱区土壤细菌群落的影响[J]. 王颖,孙层层,周际海,王彤彤,郑纪勇. 中国环境科学. 2019(05)
[2]生物炭对塿土土壤容重和团聚体的影响[J]. 李倩倩,许晨阳,耿增超,张久成,陈树兰,王慧玲,张妍,贠方悦,杨林,董胜虎. 环境科学. 2019(07)
[3]生物炭施用对农业生产与环境效应影响研究进展分析[J]. 勾芒芒,屈忠义,王凡,高晓瑜,胡敏. 农业机械学报. 2018(07)
[4]生物炭对土壤微生物C源代谢活性的影响[J]. 周凤,许晨阳,金永亮,付子腾,闫恒年,陈文怡,陈思默,耿增超. 中国环境科学. 2017(11)
[5]生物炭施用的固碳减排潜力及农田效应[J]. 徐敏,伍钧,张小洪,杨刚. 生态学报. 2018(02)
[6]温度对生物质三组分热解制备生物炭理化特性的影响[J]. 杨选民,王雅君,邱凌,赵立欣,孟程琳. 农业机械学报. 2017(04)
[7]生物炭颗粒的分级提取、表征及其对磺胺甲噁唑的吸附性能研究[J]. 韩旸,多立安,刘仲齐,廉菲. 环境科学学报. 2017(06)
[8]中药渣生物炭对磺胺甲基嘧啶的吸附及机理研究[J]. 何文泽,何乐林,李文红,廖千家骅,商景阁. 中国环境科学. 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]热解温度对生物质炭性质及其在土壤中矿化的影响[J]. 赵世翔,姬强,李忠徽,王旭东. 农业机械学报. 2015(06)
博士论文
[1]不同生物质原料和制备温度对生物炭物理化学特征的影响[D]. 韦思业.中国科学院大学(中国科学院广州地球化学研究所) 2017
[2]土壤天然纳米颗粒提取及其性质和环境行为的表征[D]. 李文彦.浙江大学 2013
本文编号：3540970
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