水熱碳化生物炭的理化性質(zhì)表征比較研究

【摘要】：本文研究總結(jié)了不同來(lái)源的生物質(zhì)通過(guò)水熱碳化處理得到的水熱炭的不同的理化性質(zhì)，從而分析總結(jié)影響水熱炭理化性質(zhì)的主要因素。研究總結(jié)的結(jié)果表明，不同生物質(zhì)通過(guò)水熱碳化處理后，其灰分含量、孔隙結(jié)構(gòu)和比表面積較原生物質(zhì)顯著升高，其C含量基本保持不變，而其H、N和O的含量較原生物質(zhì)有比較明顯的下降趨勢(shì)。同時(shí)，水熱炭的H/C和O/C 摩爾原子比也顯著的下降。此外，隨著水熱碳化溫度的上升，水熱炭的產(chǎn)率有所下降，其灰分含量顯著上升，其含氧官能團(tuán)也有所下降。以上通過(guò)研究總結(jié)得到的結(jié)果表明生物質(zhì)通過(guò)水熱碳化處理后，其理化特性得到改善，這為未來(lái)水熱碳化生物炭的應(yīng)用提供了一定的理論參考和科學(xué)依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】：水熱碳化;水熱炭;理化性質(zhì)

1.引言

我國(guó)是農(nóng)業(yè)大國(guó)，同時(shí)林業(yè)資源非常豐富，然而每年從農(nóng)業(yè)生產(chǎn)剩下的農(nóng)業(yè)廢棄物以及通過(guò)林業(yè)加工剩下的廢棄物數(shù)量巨大，如果對(duì)這些農(nóng)林廢棄物不進(jìn)行妥善的處理，不僅會(huì)導(dǎo)致如秸稈焚燒所帶來(lái)的大氣污染等，還會(huì)導(dǎo)致資源的浪費(fèi)，同時(shí)，這些農(nóng)林廢棄物又具有很好的孔隙結(jié)構(gòu)和比表面積以及有機(jī)碳含量[1，2]，因此，對(duì)農(nóng)業(yè)廢棄物進(jìn)行資源化利用就顯得尤為重要。水熱碳化處理較其他的熱化學(xué)處理方式而言，能夠使水熱炭在水熱碳化處理的過(guò)程中，富含豐富的有機(jī)碳和可以被利用的N、P和K，從而提升其對(duì)土壤中的許多微量污染物（如多環(huán)芳烴和殺蟲(chóng)劑等）的吸附能力[3，4]。然而水熱炭的應(yīng)用性能受其理化性能的影響，而其理化性質(zhì)又受其各種生產(chǎn)條件的影響，因此，本文通過(guò)研究總結(jié)了不同來(lái)源的生物質(zhì)通過(guò)水熱碳化處理得到的生物炭的理化性質(zhì)的變化趨勢(shì)，以確定影響其效果的主要因素，從而為未來(lái)水熱碳化生物炭的應(yīng)用提供一定的理論參考和科學(xué)依據(jù)。

2.不同原料的水熱炭的理化性質(zhì)分析

2.1. 來(lái)源于市政污水污泥生物質(zhì)的水熱炭

通過(guò)對(duì)來(lái)源于市政污水污泥生物質(zhì)在190℃和260℃的水熱碳化溫度下進(jìn)行水熱碳化并得到水熱炭BC190和BC260[5]。原市政污水污泥的各理化性質(zhì)，包括灰分含量（%）、元素百分比（%）C、H、O和N以及摩爾原子比H/C和O/C的數(shù)值分別為33.14、36.33、5.90、12.81、4.23、1.95和0.26。當(dāng)原污水污泥通過(guò)水熱碳化處理后，其污泥水熱炭的理化性質(zhì)發(fā)生了顯著的變化，具體表現(xiàn)為污泥水熱炭較原污泥C的含量變化不大，但其灰分含量顯著增加，而其元素H、O和N的含量以及摩爾原子比H/C和O/C的值隨著原污泥被水熱炭化處理顯著降低。此外，隨著水熱碳化溫度的增加，污泥水熱炭的C含量基本保持不變，而其灰分含量有所增加，其元素H、O和N以及原子比H/C和C/O有所下降。同時(shí)，在不同水熱碳化停留時(shí)間下得到的水熱炭的理化性質(zhì)的變化趨勢(shì)和其由水熱碳化溫度所改變的污泥水熱炭的理化性的變化相似。

2.2. 來(lái)源于松木生物質(zhì)的水熱炭

通過(guò)研究總結(jié)了來(lái)源于美國(guó)諾福克的松木生物質(zhì)在300℃的水熱碳化溫度下進(jìn)行水熱碳化處理得到的松木水熱炭BC300[6]。通過(guò)300℃水熱碳化的松木水熱炭的產(chǎn)率為49.51%，高于很多生物質(zhì)來(lái)源的水熱炭的產(chǎn)率。同時(shí)，在300℃下水熱碳化的松木水熱炭的pH值為3.5，使得松木水熱炭呈現(xiàn)出較強(qiáng)的酸性。通過(guò)在300℃下對(duì)松木生物質(zhì)進(jìn)行水熱碳化，得到的松木水熱炭產(chǎn)率下降，這是因?yàn)樗赡旧镔|(zhì)在水熱碳化的過(guò)程中大量有機(jī)組分分解使得揮發(fā)性物質(zhì)含量降低，這伴隨著其相關(guān)元素的變化。松木在300℃的水熱碳化處理下得到的松木水熱炭的揮發(fā)分含量、灰分含量、固定碳含量、元素C、H、N和O的值分別是46.72%、2.39%、50.8%、66.45%、4.2%、<0.5%和22.84%。可以看到其進(jìn)過(guò)水熱碳化處理后，灰分含量很低，然而含碳量卻很高。

2.3. 來(lái)源于伊樂(lè)藻屬植物的水熱炭

通過(guò)研究總結(jié)了來(lái)源于德國(guó)的伊樂(lè)藻屬植物生物質(zhì)在200℃和240℃下進(jìn)行水熱碳化得到水熱炭BC200和BC240[7]。經(jīng)過(guò)200℃水熱碳化處理的水熱炭BC200，其灰分含量、元素H、O、N和S以及原子比H/C和O/C的值分別為39.4%、3.26%、20.1%、1.82%、0.51%、1.13和0.43。可以看出，經(jīng)過(guò)水熱碳化處理后的水熱炭的灰分含量相對(duì)較高，元素O的含量也相對(duì)來(lái)說(shuō)較高，但H/C比相對(duì)來(lái)講也較高，暗示著水熱炭中濃縮的芳香性程度較低。此外，隨著水熱碳化溫度上升至240℃，生物質(zhì)的水熱炭的灰分含量、元素S的含量較原生物質(zhì)有所升高，而元素O、N和S的含量以及原子比H/C和O/C的值有所降低。

3.不同原料的水熱炭的理化性質(zhì)影響分析

本文通過(guò)研究總結(jié)了不同來(lái)源的生物質(zhì)在水熱碳化處理下所得水熱炭的理化性質(zhì)的變化。研究總結(jié)結(jié)果表明，原生物質(zhì)經(jīng)過(guò)水熱碳化處理后，其灰分含量、孔隙結(jié)構(gòu)和比表面積較原生物質(zhì)顯著升高，其C含量基本保持不變，而其H、N和O的含量較原生物質(zhì)有比較明顯的下降趨勢(shì)，這是因?yàn)樯镔|(zhì)經(jīng)過(guò)水熱碳化處理后，其大量揮發(fā)分含量減少，導(dǎo)致相關(guān)的元素含量隨之減少。同時(shí)，水熱炭的H/C和O/C 摩爾原子比也顯著的下降，說(shuō)明了生物質(zhì)經(jīng)過(guò)水熱碳化處理后其芳香化程度明顯增強(qiáng)，伴隨著其水熱炭的穩(wěn)定性增強(qiáng)。此外，隨著水熱碳化溫度的上升，水熱炭的產(chǎn)率有所下降，其灰分含量顯著上升，其含氧官能團(tuán)也有所下降，說(shuō)明水熱碳化溫度是影響生物質(zhì)經(jīng)過(guò)水熱碳化處理得到的水熱炭的理化性質(zhì)的主要因素，同時(shí)，隨著生物質(zhì)水熱碳化停留時(shí)間的增加，水熱炭理化性質(zhì)的變化趨勢(shì)也與以上相似，因此說(shuō)明水熱碳化停留時(shí)間也是影響水熱炭理化性質(zhì)的關(guān)鍵因素。

4.結(jié)論

通過(guò)研究總結(jié)得到的結(jié)果表明生物質(zhì)通過(guò)水熱碳化處理后，其理化特性得到改善，并發(fā)現(xiàn)水熱碳化溫度和水熱碳化停留時(shí)間是影響水熱炭理化性質(zhì)的主要因素，這為未來(lái)水熱碳化生物炭的應(yīng)用提供了一定的理論參考和科學(xué)依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

[1] Shen， Y.S.， Wang， S.L.， Tzou， Y.M.， Kuan， W.H.， 2012. Removal of hexvalent Cr by coconut coir and derived chars - the effect of surface functionality. Bioresource Technol. 104， 165-172.

[2] Yao， Y.， Gao， B.， et.， 2012. Adsorption of sulfamethoxazole on biochar and its impact on reclaimed water irrigation. J. Hazard. Master. 209， 408-413.

[3] Ginter， M.O.， Grobicki， A.M.， 1995. Analysis of anaerobic sludge containing heavy metals： a novel technique. Water Res. 29 （12）， 2780–2784.