快速热解生物质半焦的制备及其在沙漠土壤中的应用

发布时间：2020-09-03 20:15

　　生物炭是在缺氧条件下生物质热解生成的碳质残余物。生物炭是一种复杂的有机材料；其特性随生产技术诸如慢速或快速热解以及制备条件如热解温度、停留时间和原料使用而变化。近年来,生物炭被证明是可用以固碳和减少温室气体从土壤到大气中的排放,从而减缓全球环境变化的一种工具。生物炭添加到农业土壤中被证实可以提高土壤肥力和作物产量,从而改良传统耕地土壤的肥力。本文旨在研究热解温度对生物炭的性质和产量的影响,不同温度产生的生物炭及其施用率对植物生长、沙漠土壤持水力和化学性质的影响。本文以不同来源的生物质锯末为原料,在五个不同的热解温度下(400,500,600,700和800℃)快速热解产生生物炭。并对不同温度和原料制得的生物炭进行了工业分析、元素分析,测定了其pH值,电导率(EC),阳离子交换量(CEC)和植物营养物质含量。此外,为了解不同生物炭的持水能力,作者进行了布鲁诺尔-埃米特-特勒(BET)表面积和孔隙率和粒径分布分析；并通过傅立叶变换红外(FTIR),X射线衍射(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)成像的分析等手段探讨了生物炭的表面化学和表面形态特性。当热解温度从400℃增加到800℃时,生物炭产量由55%下降到15.7%,而合成气产率由25%提高到63.6%。生物液体的最大产率为在500℃热解温度下获得的28.3%。随着热分解温度从400℃增加到800℃,生物炭的pH值(6.35至9.31)、灰分含量(2.20至8.80%)、总碳量(51.71至77.46%)、固定碳(31.40至87.77%)、C/N比(64.86至161.37)和较高热值(20.40至28.71公斤MJ-1)增加的同时,碳转化效率(71.41至30.55%)、挥发性物质(VM)(72.00至20.19%),EC(2.44至0.57dS m-1)和CEC(27.50至23.60cmol kg-1)也下降。在700℃的热解温度下获得的生物炭植物必需营养物质,如磷(P),钾(K)含量最大。随着热解温度从400℃增加到800℃,该生物炭的BET表面积从3.02上升至8.93m2g-1同时生物炭的WHC从3.77显著增加到6.68g g-1。松木屑衍生生物炭的产率则为51%,而生物炭呈酸性,pH为4.21。该生物炭有54.32%的碳,其中19.23%为固定碳,灰分含量为3.27%,C/N比高达72.84。表面性质如比表面积和WHC则与锯末衍生生物炭基本相同。在本研究中,作者分别选取了了来自中国库布其沙漠和巴基斯坦的塔尔沙漠的沙土作为测试材料。不同温度下制备获得的生物炭(即400、500、600、700和800℃)以1%(质量比)掺杂比与库布其沙漠土壤混合成团,不同的处理被分别命名为T-400,T-500,T-600,T-700和T-800。同时,本文还研究了不同生物炭施用率对库布其沙漠或塔尔沙漠土壤的影响,施用率分别为0,15,22和45吨每公顷,这些处理方法分别被指定为KB-0,KB-15KB-22和KB-45或TR-0,TR-15,TR-22和TR-45。本文还选取高粱作为试验作物,进行了为期八周的植物生长实验。通过测定植株高度和收获植物后高梁的干物质产量来监测不同生物炭对植物生长的改良效果。为探讨添加不同生物炭对沙漠土壤水力特性的影响,作者测试计算了生物炭对沙漠土壤的持水能力(WHC)、水分保持能力(WRC)、水力传导系数和水本身效率(WUE)等参数。在植物生长实验的同时,作者也对不同生物炭对沙漠土壤化学性质的影响进行了分析。在T-400和T-700作用下,高粱产率分别增长了19%和32%,在上述施用条件下,生物炭减少了土壤柱纵向的水分消耗,因而分别提高了52%和74%的WHC。土壤导水率降低了15%和42%,而WRC分别提高了16%和59%。因此在T-400和T-700下,高粱净水分利用效率分别提高了52%和74%。此外,生物炭还改善了土壤总碳,CEC和植物营养素的含量。与不施加生物质半焦对比,在施用不同量的生物质半焦的情况下(KB-15,KB-22,KB-45,TR-15,TR-22和TR-45),土壤的涵养水能力分别增加了11%,22%,30%,10%,14%和27%；土壤的保水性能分别增加了17%,28%,50%,16%,27%和66%；但是其渗透率分别下降为0%,30%,37%,4%,7%和16%；pH分别降低了0.33,0.61,0.92,0.38,0.79和0.95；土壤中总碳含量增加了7%,11%,25%,6%,8%和20%：总钾的含量增加了25%,37%,56%,31%,41%和74%；总磷的含量增加了40%,70%,83%,30%,68%,和73%。在土壤中分别施加KB-15,KB-22,TR-15和TR-45的生物质半焦,高粱的干产率分别增加了16%,19%,18%和22%,水分利用率分别增加了25%,40%,27%和41%。然而,在分别施用KB-45和TR-45这两种半焦时,高粱的干产率分别下降了24%和27%,水分利用率也分别下降了6%和8%。因此,在土壤中施加量为15-22t/ha的生物质半焦,有利于改善土壤的水力特性,同时高梁的干产率和水分利用率也得到了增加。然而,在生物质半焦施用量比较高时(45t/ha),植物的生长和干产率都有所下降,其主要的原因是增加了土壤的C/N比值以及失去了一些植物生长的微量营养物质,比如Cu, Fe和Mn。因此,在45t/ha的生物质半焦施用量时,高粱的水分利用率有所下降。总结本文结论,为生产高品质的适于土壤改良的生物炭,生物质快速热解反应器的温度应该不应超过700℃。以加入由木屑制成的快速热解生物炭能显著改善沙漠土壤的品质、促进植物生长。与低温热解产生的生物炭相比,较高的热解温度下产生的生物炭沙土改良性能更好。对150毫米厚度的沙土,生物炭施用比率为15到22t ha-1湿有利于改良沙土品质。
【学位单位】：华中科技大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2015
【中图分类】：S141

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