王德胜;何振;冯勇;李凡;楚合营
【摘 要】以新疆棉花秸秆为原料,研究炭化温度和炭化时间、升温速率对棉秆基生物炭产量和理化性质的影响.选择300℃、400℃、500℃、600℃为最高炭化温度,5℃/min、10℃/min、15℃/min、20℃/min为升温速率,30 min、60 min、90 min、120 min为炭化时间.棉秆生物炭的最高固定碳为63％.原料的热解特性在惰性气体N2保护下进行TG-DTG分析.对棉秆生物炭的元素成分、PH值、固定碳、灰分和碳含量进行研究,同时进行了SEM,FT-IR表征.随着炭化温度的增加,生物炭pH值、灰分含量、碳稳定性及总碳的含量也逐渐增加,而生物炭产量、挥发分、H、O、N、S元素的含量减少.比表面积结果显示高温制备生物炭的孔隙率有所增加,但增加幅度并不大.研究发现加热时间和升温速率对棉秆生物炭性质的影响不显著,炭化温度对棉秆生物炭性质的影响显著. 【期刊名称】《塔里木大学学报》
【年(卷),期】2018(030)001过滤膜
【总页数】8页(P124-131)
【关键词】生物炭;理化特性;棉花秸秆
【作 者】王德胜;何振;冯勇;李凡;楚合营
【作者单位】塔里木大学植物科学学院,新疆阿拉尔843300;塔里木大学植物科学学院,新疆阿拉尔843300;塔里木大学植物科学学院,新疆阿拉尔843300;塔里木大学植物科学学院,新疆阿拉尔843300;塔里木大学现代农业工程重点实验室,新疆阿拉尔843300捕虾机电路图
【正文语种】中 文
【中图分类】S38
1 引言
随着全球化石能源消耗的不断增加，碳减排成为当今社会经济实现长久可持续发展的前提。G20杭州峰会开幕前夕，中美两国联合签署《巴黎协定》标志着全球大气治理进入一个新的时期。生物炭因其具有较高的化学稳定性，可以在土壤中被保存数百甚至上千年。
因此，将生物炭和土壤改良相结合，被作为一种有效的固碳技术受到科研工作者越来越多的关注。生物炭是生物质在无氧或缺氧环境中低温热裂解后得到固体产物(炭化温度低于700 ℃)。通过传统炭化工艺制备的炭大多为块状黑炭(black charcoal)，如竹炭和木炭。炭黑的主要用途是作为能源炭使用。但是通过现代热裂解工艺生产的生物炭多为粉状或颗粒。生物炭通常含碳50%左右，含少量矿物质和挥发有机化合物，pH值一般呈碱性，不易被微生物降解。生物炭空隙较多、比表面积比较大[1]以及羧基基团等赋予生物炭较强的吸附能力，具有较大的离子交换量。生物炭含有较多的有机碳，其中碳大多以稳定芳香环不规则叠层堆积存在，含烯烃、羟基[2]。生物炭化学成分由于生物质种类和来源不同而有较大变化，如秸秆、木材、草本植物及厩肥等[3-5]。由木本植物制备的生物炭通常含碳量较高，而矿质养分含量较低；秸秆和厩肥生物炭通常含碳量较低，而矿质养分含量比较高[6]。生物质在生物炭中残留有机碳含量[7]、挥发性有机物含量[8-9]、含氮量[10]随炭化温度升高而减少。由于温度升高有助于有机物分解，因此生物质中的含碳物质、低分子有机化合物及含氮物质随温度升高温热解损失增大，而残留量降低。生物炭的固定碳含量、矿物质含量、pH[11]、生物稳定性则随热裂解温度升高而提高。由于热裂解温度增高，易炭化含碳化合物残留降低，生物炭中难分解碳物质比例相应增高，因而其生物稳定性增大。
灰分是生物质燃烧后残留的矿物质，炭化温度升高，有机物损失增大，灰分在生物炭中含量相应增大，而灰分是碱性物质，因而生物炭的pH值随生物质热解温度增高而提高。生物炭比表面积、离子交换量、羧基官能团在一定温度范围内随生物质热解温度增高而最大[12]。因此，根据生物炭的不同用途，生物炭制备工艺需要优化。实际上，许多生物炭的特性还有待进一步研究[13]。
新疆是我国优质棉花生产的最主要产区，每年秋收后都会产生大量的棉花秸秆。2013年我国棉秆产量为3 149.5万吨，其中新疆棉秆产量为1 758.8万吨，占全国棉秆总产量的55.8%[14]。因此寻一条资源化利用棉花秸秆农业废弃物的途径，不但可以避免燃烧秸秆造成的大气环境污染，达到保护环境的目的，而且还可以提高棉田经济效益和农民的经济收入，对于新疆农业可持续性发展、实现资源再生具有重要的经济价值和现实意义。
peepm
该研究以新疆棉秆为生物质原料，研究热解温度和加热时间、升温速率对棉秆基生物炭产量和理化性质的影响，并对裂解的棉秆生物炭理化性质进行表征分析，可以为新疆棉花秸秆的综合利用提供一定的理论依据。
2 材料与方法
机械钻孔桩选取新疆阿拉尔市十团(81. 5°E，40. 2°N)棉花(新路中72号)采收后剩余的秸秆作为生物质原料。为了减少水分对热解试验的影响，首先对棉花秸秆进行自然风干、粉碎、过筛(物料选取粒径均在0. 25～1 mm)，然后在真空烘箱中以60 ℃恒温干燥24 h含水率小于10%的10 g棉花秸秆置于GDL-1500X型管式炭化炉(合肥科晶，中国)中制备棉秆生物炭。加热管选用刚玉管，N2流量设为1 L·min-1以保证无氧环境，选取 300 ℃、400 ℃、500 ℃、600 ℃为最高热解温度，选取5 ℃/min、10 ℃/min、15 ℃/min、20 ℃/min为升温速率，热解时间分别设为30 min、60 min、90 min、120 min，在N2气氛环境下冷却至室温。样品名称标记为“升温速率-热解时间-热解温度”。
表1 不同条件下制备的棉秆生物炭的理化数据炭产率(%)灰分(%)挥发分(%)固定碳(%)pH比表面积(m2/g)N(%)C(%)H(%)S(%)30min,10℃/min300℃75.628.1857.0234.806.302.391.4051.564.700.58400℃43.2813.0837.0150.388.336.831.0564.323.520.35500℃39.6216.9427.7655.309.3010.361.0169.102.570.32600℃33.3820.5315.7263.7410.1612.680.4870.791.700.2830min,400℃5℃/min45.2512.9140.0447.168.326.261.0664.533.410.3210℃/min43.2813.0837.0150.388.066.831.0564.323.520.3515℃/min44.3612.1439.9247.897.866.871.0763.783.590.3720℃/min43.9512.9137.5749.447.976.581.0363.273.490.3910℃/min,400℃30min43.2813.0837.0150.388.066.831.0564.323.520.3560min41.6214.6335.0750.308.176.891.3063.793.710.3290min41.3713.6936.4249.998.337.021.4263.843.150.28120min44.2313.3637.9449.747.837.131.2664.153.730.25
参照生物炭分析的化学标准方法(ASTM method(D-1762-84))，对制备的棉秆生物质炭进行灰分(Ash)、挥发分(Volatile matter, VM)的测定，固定碳含量通过公式固定碳(Fixed C)=100-VM-ASH获取。对棉秆生物炭样品C、H、N、S元素的测定采用元素分析仪(LEO-
CHNS932，USA)。在无灰分的情况下，假设棉秆生物炭仅由C、H、N、S、O元素组成，及O(%)=100-C(%)-H(%)-N(%)-S(%)。傅里叶红外光谱通过取少量干燥棉秆生物炭样品与KBr 混合，研磨均匀，采用压片机压制成片状，再利用IRPrestige-21型傅里叶变换红外光谱仪(Shimadzu，Japan)进行测定。棉秆生物炭XRD测试采用粉末X射线衍射分析仪(XPert Pro，PANalytical，Holand)对棉秆生物炭进行X射线衍射分析。测试条件为：CuKa，30kV，30mA，2θ角测量范围：15°～60°，采用步进扫描方式。城市规划模型
陶崇斌3 结果与分析
3.1 燃烧特性分析
同步热分析结果显示相同的热解时间下，低温热解的生物炭在受热时除了脱去表面吸附水以外，仍有部分物质热解，失重率偏大；而高温热解的生物炭由于高温下炭化程度更高，因此失重率比较小，500 ℃以后基本趋于稳定，主要的热解反应发生在250～500 ℃之间。从TG曲线可以看出，300 ℃制备的生物炭开始失重的温度最低(约为250 ℃)，主要是由于热解温度较低使得炭产物中含有大量的挥发分，挥发分在较低温度下就可以析出燃烧，而随着热解温度的升高，样品中的挥发分逐渐减少，因此样品燃烧的温度也变高(600
℃热解得到的生物炭开始失重的温度约为320 ℃)，着火的难易程度随热解温度升高变的容易。
图1 棉花秸秆生物炭燃烧特性的TG-DTG-DSC曲线
棉花秸秆生物炭样品的TG-DTG-DSC曲线如图1所示。可以看出，棉秆生物炭由于热解条件不同，组成成分的含量也各不相同，它们的燃烧特性也有一定差异，如着火点温度、挥发分和固定碳的最大燃烧速率、挥发分和固定碳最大燃烧速率对应的温度、燃尽点温度、综合燃烧指数S，分别对应的数值列在表2里。棉花秸秆生物炭的燃烧过程大致可分为4个主要阶段：吸附水干燥阶段、挥发分析出阶段、固定碳燃烧阶段和燃尽阶段。
第1阶段是脱水干燥阶段(200 ℃以下)，此阶段对应于棉秆生物炭存放时表面吸附水的脱附，最大失重峰位于60～75 ℃之间，失重率为1. 30%～1. 41%/min。第2阶段为挥发分析出阶段(200～350 ℃之间)，此阶段主要为生物质炭挥发分的析出阶段。DTG曲线有一个明显的峰。挥发分的析出有利于生物炭内部形成丰富的孔隙，并为固定碳的引燃提供了条件。此阶段的最大失重率在30%以上，失重量超过45%。第3阶段是固定碳燃烧阶段(350～500 ℃)。在此阶段生物炭出现突然失重，DTG和DSC曲线出现尖峰，说明此阶段固定碳发
生燃烧并释放一定的热能。第4阶段是燃尽阶段(500～600 ℃)，主要生成灰分。燃尽点温度约为520 ℃左右。
表2 气流速率100 ml/min、升温速率20 ℃/min条件下棉花秸秆生物炭的燃烧特征参数样品编号着火点温度(℃)挥发分最大燃烧速率(%/min)挥发分最大燃烧速率对应温度(℃)固定碳最大燃烧速率(%/min)固定碳最大燃烧速率对应温度(℃)燃尽点温度(℃)综合燃烧指数S(10-7)MC300250.6532.45278.1521.36382.81513.212.92MC400312.3423.75279.8122.57364.75523.351.79MC500346.5216.21353.1511.32427.46537.430.86MC600370.2112.68376.2112.35435.18538.670.75
3.2 pH和电导率(EC)表征
对棉花秸秆生物炭样品的pH值和电导率进行测定，研究热解温度、升温速率和保温时间对生物炭pH值和EC值的影响。随着热解温度的升高，生物炭pH值从弱酸性变为碱性，而升温速率和保温时间对样品pH值影响相对较小。随着热解温度的升高，生物炭电导率也逐渐升高，随着保温时间的增加棉秆生物炭的电导率的也逐渐增大，而升温速率对其电导率的变化影响规律不明显，这可能和试验选取的升温速率数值较少有关。
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议