磷酸二氫鈣與生物質共熱解提高生物炭固碳效果

2017-05-22 09:33:44田震亞

中文信息 2017年3期

田震亞

摘要：我國是能源大國，每年向空氣中排放的碳元素是巨大的，我國政府在固碳和碳元素的減排能力方面面臨著的巨大壓力。而在碳元素減排過程中通過利用相應的生物技術和廢棄的物質開展生物炭制備逐漸成為社會大眾普遍關注的研究領域。生物質在向著生物炭轉化過程中會產生生物油和生物混合氣體等生物能源物質，進一步減小化石燃料的排放，同時，生成的生物炭進入土壤之后能夠切實改善土壤的理化性質，提高土壤固碳能力，減少肥料的使用量，促進農作物增產增收。本文主要以鋸末和雞糞作為原料，通過向其中添加上磷酸二氫鈣和生物質原料開展研究，分析磷酸二氫鈣與生物質共熱解提高生物炭固碳效果，希望通過本次研究對同行有所幫助。

關鍵詞：磷酸二氫鈣生物質熱解生物炭固碳效果

中圖分類號：S156.2 X142 文獻標識碼：A 文章編號：1003-9082（2017）03-0272-01

生物炭的固碳效果取決于生物質向著生物炭熱解碳化和生物炭進入土壤進行封存的兩個過程，而在熱解碳化反應過程中如何制備出中碳保留量高和穩定性強的生物炭產品就顯得尤為重要。最近國內外參考文獻圍繞生物質類型、熱解工藝等生產條件進行了大量的研究，而對添加物的研究較少。有文獻指出向玉米秸稈中添加適量的磷酸二銨進行生物炭制備，能夠顯著提升生物炭的生產效率。但是對于添加礦物質和生物質共熱熱解，對生物炭中碳元素的保留量和碳穩定性的研究較少。基于此，本次研究主要參考前人研究基礎上，對磷酸二氫鈣與生物質共熱解提高生物炭固碳效果進行了研究，現將研究內容報告如下：

一、材料和方法

1.材料選取

本次研究過程中選擇中鋸末和雞糞作為生物質原料，將上述材料風干后粉碎處理，使用100目篩篩選之后就可以使用了。共熱礦物質材料選擇使用磷酸二氫鈣。實驗過程中將鋸末和雞糞與磷酸二氫鈣按照一比四的比例進行混合，然后將磷酸二氫鈣與鋸末以及雞糞的混合材料分別放入到指定的生物炭熱解裝置，然后向裝置中融入氮氣，在氮氣的保護下進行熱解反應。實驗過程中采用逐段升溫的方式，現將熱解裝置升溫到200度，作用一個小時后再升高到300度，作用一小時升到400度，直至升高到500度作用一小時。本次實驗過程中設置鋸末和雞糞未添加磷酸二氫鈣兩個組別作為對照，添加臉酸二氫鈣的鋸末和雞糞組分別命名為N1和N2，未添加磷酸二氫鈣的鋸末和雞糞組命名為M1和M2。

2.生物炭分析方法

首先，生物炭的PH值、元素組成和比表面積測定按照相應的研究文獻中進行；其次，生物炭保留量測定按照如下公式計算：C=（Cbc·Mbc/Mbm·Cbm+Ma·Ca）·100%，在這個公式Mbc為共熱解后固體殘留物的質量單位為g，Mbm為生物質質量，單位為g，Cbc為生物質原料的碳含量，單位為%，鋸末和雞糞的原料的碳質量分數分別為44.4%和38.0，Ma為添加磷酸二氫鈣的質量，單位為g，Ca為添加物磷酸二氫鈣的含碳量，單位為%；再次，生物炭化學穩定性測定。取一定量的生物炭粉末，放入試管中加入過氧化氫，混合均勻后水浴80度氧化2天，自然冷卻后稱取質量，測定殘留物中的含碳量，每次測試重復三次，根據損失量來表示生物炭的化學氧化穩定性；最后，生物炭的微生物礦化穩定性。稱取一定量的生物炭和一定量洗凈的石英砂，放入20ml真空玻璃瓶內，向其中加入營養液和接種液，30度環境下培養60天，分別在培養的第1天、5天、12天、24天、36天、48天和60天進行采樣測定。采樣過程中密封玻璃瓶，選擇相應的方法玻璃瓶中的空氣排出去二氧化碳的空氣置換出來，密封24小時，采用氣相色譜法測定真空瓶中的二氧化碳含量。

二、結果

1.生物炭的理化性質分析

在生物質熱解轉化生物炭過程中，通過添加磷酸二氫鈣對生物炭的PH值，生物炭含碳量，氫碳比都產生的了不小的影響，添加了磷酸二氫鈣后生物炭的比表面積增加。詳細情況見表1所示。

2.生物炭碳保留量

本次研究過程中生物炭碳保留量如表1所示，添加磷酸二氫鈣比未添加磷酸二氫鈣的生物炭炭保留量增加了30%和25%以上的量。詳細情況見表2所示。

3.生物炭化學穩定性分析

未添加磷酸二氫鈣的鋸末生物炭被過氧化氫氧化后，高達65%以上的碳損失，而處理過的生物炭穩定性顯著增強。相反的改性后雞糞生物炭化學穩定性顯低于改性前，說明生物炭化學穩定性取決于生物炭原料。詳細情況見表3所示。

4.生物炭微生物礦化穩定性

未添加磷酸二氫鈣的鋸末和雞糞中12天前排放速率最大隨后趨于穩定，而經過處理的生物炭相對于未處理的生物炭更加穩定，這說明添加磷酸二氫鈣能后顯著抑制二氧化碳的排放。詳細情況見表4所示。

三、結論

1.在生物質熱解過程中添加磷酸二氫鈣是一個減少熱結果碳損失并提高生物炭保留量的有效手段。

2.磷酸二氫鈣改性生物炭的化學穩定性取決于生物炭原材料類型。