生物炭基本性质与氮素吸附特征研究

发布时间：2020-08-28 21:06

　　 以水稻秸秆、杉木、毛竹三种不同原材料制作生物炭,通过设置400℃、600℃、800℃的制备温度来探究不同原材料生物炭的特性,通过热重分析、电镜影像分析、红外官能团分析、元素组分分析、比表面积及孔径分析和灰分组分分析的测定,来具体说明三种生物炭在不同制备温度下的理化性质。然后以水稻秸秆生物炭作为代表,进一步研究生物炭在吸附时间、环境pH、不同浓度梯度和不同生物炭量的条件下对尿素、铵氮、硝氮的吸附特征影响。实验研究结果表明：(1)水稻秸秆、杉木和竹子的完全炭化温度为400℃、500℃和600℃,水稻秸秆的完全炭化温度最低,制备生物炭的能耗最低；水稻秸秆生物炭、杉木生物炭和竹子生物炭都具有清晰的表面孔隙结构,随制备温度的升高,微观表面结构逐渐清晰。不同温度下,水稻秸秆生物炭的比表面积和孔径显著大于杉木生物炭和竹子生物炭；水稻秸秆生物炭、杉木生物炭、竹子生物炭随着制备温度的升高,表面含氧官能团,尤其是羰基和羟基不断减少,芳香性增强,极性减弱。不同制备温度下,水稻秸秆生物炭的官能团吸收峰比杉木生物炭和竹子生物炭更加明显,秸秆生物炭含有更丰富的官能团,化学反应活性大；随着制备温度的升高,生物炭的有机碳组分含量增大,氮、氢、氧组分含量降低。杉木生物炭中有机碳含量最高,水稻秸秆生物炭中有机碳含量最低。竹子生物炭的中微量元素含量相对较高,而水稻秸秆生物炭和杉木生物炭相差不大。竹子生物炭中环境毒性元素含量最高,而水稻秸秆生物炭中最低。(2)随着吸附时间和环境pH的增大,800℃的水稻秸秆生物炭对溶液中尿素的吸附量依次大于600℃和400℃。随着吸附溶液尿素浓度和生物炭添加量的增加,800℃和600℃的水稻秸秆生物炭对溶液中尿素的吸附量明显大于400℃。粒径为2.0mm的水稻秸秆生物炭对溶液中尿素的吸附作用优于0.45mm。水稻秸秆生物炭吸附溶液中尿素的推荐条件为：吸附时间3h,吸附环境pH 7,生物炭粒径2.0mm,溶液初始浓度3mol/L,以及较少的水稻秸秆生物炭添加量。(3)碱性吸附环境(pH8)不利于水稻秸秆生物炭对溶液中铵氮的吸附。0.45mm粒径的水稻秸秆生物炭吸附溶液中铵氮效果优于2.0mm粒径。水稻秸秆生物炭吸附溶液中铵氮的推荐条件为：吸附时间12h,吸附环境pH 8,生物炭粒径0.45mm,以及较高的溶液铵氮浓度和水稻秸秆生物炭添加量。(4)在不同吸附时间、吸附环境pH、溶液浓度和生物炭添加量条件下,400℃制备的水稻秸秆生物炭对溶液中硝氮的吸附明显高于600℃和800℃制备的水稻秸秆生物炭。粒径对水稻秸秆生物炭吸附溶液中硝氮的效果无显著影响。水稻秸秆生物炭吸附溶液中硝氮的推荐条件为：吸附时间12h,吸附环境pH 7,溶液硝氮浓度10ppm,生物炭粒径2.0mm,以及较少水稻秸秆生物炭添加量。综上,随着制备温度的升高,生物炭的碳骨架孔隙结构逐渐清晰而且分布均匀,比表面积增加,微孔结构变得更为丰富,含氧官能团不断减少,碱性基团呈增加趋势,芳香性增强,稳定的碳环结构增加,作物生长的必需营养元素含量丰富。水稻秸秆生物炭对溶液中不同形态氮(尿素、铵氮、硝氮)吸附能力弱,吸附量小。生物炭对溶液中尿素、铵氮、硝氮吸附量分别为0.75mg/g、1.77mg/g、8.64mg/g左右。后续研究需要通过改性等技术手段提升水稻秸秆生物炭对不同形态氮的吸附能力,为生物炭农业利用提供基础理论支撑。
【学位单位】：扬州大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2016
【中图分类】：S216
【部分图文】：

图２－１：生物炭制备技术流程逡逑原料种类（水稻辖杆、竹子、木材）和制备温度（４００°Ｃ、６理。分别为Ｓ４；邋４００°Ｃ稻轩生物炭，Ｓ６；邋６００’Ｃ稻杆生；邋４００°Ｃ木材生物炭，Ｗ６：邋６００‘Ｃ木材生物炭，Ｗ８：邋８００物炭，Ｂ６：邋６００°Ｃ竹子生物炭，Ｂ８；邋８００°Ｃ竹子生物炭。逡逑法逡逑法（ＴＧＡ）观察样品在升媪过程中的质量随温度变化ｎＥｌｍｅｒ邋公司，Ｐｙｒｉｓ邋１邋ＴＧＡ）逡逑别将水稻稻杆、竹子和木材等样品放入鼓风干燥箱中Ｉ再用粉碎机磨碎（浙江丰利粉碎设备有限公司，ＨＷＶ５００测定。逡逑

温度广Ｃ）逡逑图２－３：杉木恒定升温热重分析逡逑从图２－４的ＴＧ－Ｔ曲线中可Ｗ看出，在恒定升温速率下，竹子的重量随着温度的变化逡逑趋势。２４°Ｃ到１５３‘Ｃ过程重量的损失率为４．０％，是竹子的脱水阶段。而从１５４‘Ｃ到４４４’Ｃ逡逑是失重率最大的区间，从ＤＴＧ－Ｔ曲线也表明这一温度范围是失重速率最快的区间，说明逡逑这是竹子的主要热解区间，该区间物质的失重量约占原重的７５％，失重主要是析出竹子逡逑中的挥发分而导致。在４４５°ＣＷ后还有一小段区间的失重，可能是由于竹子中还有一些沸逡逑点较高的物质缓慢析出。在６００°ＣＷ后失重逐渐趋于平缓。由此可レッ推断出竹子完全炭化逡逑的温度为６００’Ｃ。逡逑…５［逦、逦—重量变化Ａ邋—重量变化速率Ｂ邋ｊ邋１逡逑Ｉ：邋＾邋％逡逑：：＼ｋ逡逑Ｖ邋Ａ邋＾８逡逑０邋Ｉ￣？￣Ｉ￣ｉ￣Ｉ￣ｉ￣Ｉ￣■￣Ｉ—■■￣１￣■￣Ｉ￣＾逦＼逦＼邋Ｌ邋■邋．１邋Ｉ．＿．＿１－９逡逑－１００逦０逦１００逦２００逦３００逦４００逦５００逦６００逦７００逦８００邋目邋００逡逑温度（Ｘ）逡逑W２￣４；竹子恒定升温热重分析逡逑

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