不同材料与制备工艺对生物炭性质及水稻土壤甲烷排放的影响

发布时间：2017-11-07 11:12

  本文关键词：不同材料与制备工艺对生物炭性质及水稻土壤甲烷排放的影响

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【摘要】：近年来,利用废弃生物质热解炭化制备生物炭并应用于农业生产、温室气体减排等方面的研究受到日益广泛的关注,然而由于生物炭制备原料的多样性,制备条件的差异等,关于生物炭的应用效果仍然存在较大的差异,一定程度上限制了生物炭技术的深入研究和推广应用,因此,探明生物炭制备材料及其工艺条件下的结构、性质变化,对于进一步明确生物炭的功能及拓展应用具有重要意义。基于此,本研究选取了浙江省四种常见的农林废弃生物质材料(竹片、山核桃壳、水稻秸秆、油菜秸秆)在300℃、400℃、500℃、600℃、700℃下分别炭化30min、90 min、3 h、6h制备出生物炭,并对各生物炭基本的理化性质如pH、EC、元素组成、官能团组成、大孔结构等进行了较为系统的分析测定,以研究不同的生物质原料及炭化温度、炭化时间对生物炭的基本性质的影响,探明不同种类生物炭在不同的条件下的性质变化趋势及其优化条件,并筛选了部分材料作为基质添加到稻田土壤中进行室内模拟培养试验,研究不同种类的生物炭对土壤甲烷排放的影响。获得的主要结论如下：(1)通过分析测定四种生物质材料在不同的炭化温度不同炭化时间下制备的生物炭的性质变化,可知不同的生物炭的酸碱性变幅较大,pH值在4.83-9.62之间,且多数呈碱性,其中水稻秸秆生物炭总体pH较高(6.32～8.84),山核桃壳炭较低(4.83～8.58)。水稻及油菜秸秆生物炭同时拥有较高的EC值,分别高达597μs-cl m-1和923.5 μs·cm-1,而竹片生物炭及山核桃壳生物炭的EC值最高仅为274 μs·cm-1和34.46 μs·cm-1,显著低于秸秆炭。(2)不同原料所得的生物炭的产率有较大差异,其中灰分含量较高的水稻及油菜秸秆具有较高的产率,而对于灰分含量较低的竹片和山核桃壳来讲,木质素含量越高,产率越大。生物炭的C、H、O、N等元素含量与原料中元素含量呈正相关关系,且随着炭化温度的升高,碳含量增大,氧含量减小,生物炭的芳香性增强,极性减弱,生物炭结构逐步趋向于石墨化,结构越稳定。竹片及山核桃壳所制备的生物炭具有较高的C/N比,表明其比水稻及油菜秸秆更难分解矿化。生物炭的红外光谱图显示随着炭化温度的升高,生物炭的大多数官能团的吸收峰开始减弱,直至消失,类似于石墨结构,其中水稻秸秆炭由于较高的Si含量而明显区别于另外三种材料的生物炭。(3)炭化时间对生物炭性质的影响与炭化温度的影响趋势一致,但其影响效应较弱。首先在产率及元素组成上,在低温段(300℃～400℃),炭化时间的延长会降低生物炭产率,但在高温条件下(500℃-700℃),炭化时间的延长对产率的影响不大。炭化时间的延长并非单一的增强生物炭稳定性,当炭化时间超过一定限度,会降低生物炭各元素含量。在本研究中,炭化3h和炭化6h的生物炭体现最为明显。另外,炭化时间的延长会增大生物炭pH和EC值,对于竹片生物炭及山核桃壳炭表现尤为明显。(4)将经过水洗处理的生物炭添加到水稻土壤中进行室内培养试验发现,300℃、500℃、700℃下炭化3h制备的竹片及水稻秸秆炭均能抑制土壤中甲烷的排放,且500℃下制备的竹片生物炭的抑制效果最好,甲烷排放量降低90%。水稻秸秆炭化还田对水稻土壤甲烷排放也具有明显的减排效应(平均降低甲烷排放量59%),且在较低的温度下(3000C)制备的生物炭减排效果优于高温制备的水稻秸秆炭。(5)经水洗处理后的生物炭添加到水稻土壤中可以改变土壤微生物群落结构,且能显著影响产甲烷菌与甲烷氧化菌相关微生物丰度。
【学位授予单位】：浙江师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：S141;S154.1

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