热解温度对玉米秸秆生物炭稳定性的影响 -《江苏农业科学》(2020年9期).docx

龙源版权所有 热解温度对玉米秸秆生物炭稳定性的影响 作者：李刘军 赵保卫 刘辉来源：《江苏农业科学》2020年第09期 关键词：热解温度;玉米秸秆;生物炭;化学氧化稳定性 生物炭是有机物原料在完全或者部分缺氧条件下，经过高温热解（通常<700 ℃）产生的一类富碳、高度芳香化和高稳定性的富碳颗粒[1]。生物炭较生物质和土壤中的有机质组分更加稳定[2-3]，其矿化速率较慢。此外，生物炭也可以通过有机-矿物的相互作用加速微团聚体的形成，从而使土壤中的碳更加稳定和积累[4]。研究表明，生物炭在减少温室气体的排放和缓解温室效应方面具有巨大的应用潜力[2，5-6]。但也有研究表明，生物炭中的一些碳原子是不稳定的[7]，可以通过生物和非生物过程发生矿化作用（转化为CO2）[8-10]。因此，确定生物炭的长期稳定性对客观评价生物炭的固碳潜力非常重要。 对于确定的生物质原料，其热解温度决定生物炭的结构和性質，直接影响着生物炭的稳定性。目前，生物炭稳定性探究主要以元素分析、红外光谱和热重分析等生物炭自身物理性质作为评价依据[11-12]。大量研究表明，随着生物炭热解温度的升高，生物炭的H/C和O/C之比降低，以及羟基、羧基和羰基等含氧官能团含量减少，表明生物炭的芳香性增强，稳定性增加[13-14]。但这些对生物炭稳定性研究只是从生物炭自身结构出发，并未考虑土壤环境因素对其降解的影响，因而具有很大的局限性。LEHMANN等研究指出，生物炭在土壤中的稳定性在很大程度上取决于其抗化学氧化能力，即通过对生物炭化学氧化分析可以快速、简单地评估生物炭在土壤中的稳定性[2]。此外，李飞跃等研究也表明，对生物炭进行稳定性评价时，化学氧化结果与结构分析存在差异[15]。因此，对生物炭稳定性应该从生物炭自身物理性质及抗氧化能力等多个角度分析评价。 基于此，本试验选取我国普遍存在的玉米秸秆作为生物质原料，在不同热解温度（300、500、700 ℃）下制备生物炭，采用元素分析、红外光谱分析、热重分析和化学氧化法分别表征和测定不同热解温度下生物炭的结构、性质和稳定性。通过多角度评价生物炭稳定性，为玉米秸秆生物炭在固碳减排方面的应用提供基础数据和理论指导。 1 材料与方法 1.1 生物炭的制备 玉米秸秆（CS）采集自甘肃省陇南市。CS经洗净，烘干、粉碎和过筛后，称取60 g生物质于坩埚内，置于马弗炉中（KSW-6-12A，北京科伟大永兴仪器），分别在300、500、700 ℃条件下炭化6 h，冷却至室温，制得炭化产物，分别标记为CS300、CS500和CS700。 1.2 生物炭的表征 采用元素分析仪（Vario EL，德国Eelmentar公司）测定生物炭中C、H和N的元素含量，O元素用差减法得到。采用傅立叶变换红外光谱仪（NEXUS 670，美国Nicolet公司）测定生物炭表面官能团，将烘干的生物炭按1 ∶ 2 000比例与KBr混合，在玛瑙研钵中磨匀，压片后测试。利用热重分析仪（STA PT1600，德国Linseis）进行热稳定性分析，取约5 mg样品于氧化铝坩埚，坩埚置于热重分析仪的分析室中进行分析。试验测试温度范围为25～800 ℃，以氮气作为载气。 1.3 生物炭抗氧化性能测定 利用K2Cr2O7[18-19]和H2O2[20]氧化法测定。K2Cr2O7处理：称取0.10 g生物炭置于锥形瓶中，加入40 mL 0.1 mol/L K2Cr2O7/2 mol/L H2SO4溶液，在55 ℃的恒温水浴中恒温60 h。H2O2处理：称取0.10 g生物炭置于20 mL试管中，加入7 mL 5%的H2O2，80 ℃恒温水浴60 h。所有的氧化试验重复3次。生物炭的抗氧化能力用氧化反应前后碳损失率表示。 2 结果与分析 2.1 生物炭元素分析 生物炭的元素组成与生物炭稳定性密切相关[21]，生物炭的元素组成和原子比已经被广泛作为评价生物炭芳香性和稳定性指标。即O/C和H/C比越小，表示生物炭的含氧官能团的减少、芳香化程度越高和稳定性增加[13-14]。 生物质和生物炭的元素组成如表1所示。随着热解温度的升高，生物炭的C含量逐渐增加，从CS300的64.46%增加到CS700的76.92%。相反，由于脱氢和缩合程度的增加，使得生物炭中的H元素含量和O元素含量随着热解温度的升高而逐渐降低[22-23]。H元素含量从CS300的3.98%降低到CS700的1.05%，O元素含量由CS300的21.62%降低到CS700的5.98%。生物炭中N含量相比于原料略有所降低，主要是在热分解过程中随含N官能团的损失而降低[24]。 随着热解温度的升高，H/C从CS300的0.06降低到CS700的0.01，这说明生物质中不易被微生物分解的糖、碳水化