熱解條件對秸稈生物質(zhì)炭性質(zhì)的影響研究

李兆龍， 張 婧， 馮夢丹， 哈 寧， 郝弘宇， 來雪慧

(太原工業(yè)學(xué)院環(huán)境與安全工程系，山西 太原 030008)

引 言

隨著農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展，我國秸稈產(chǎn)量也逐漸增加，盡管秸稈利用率呈現(xiàn)上升趨勢，但仍有一部分秸稈未被利用。當(dāng)前，未被利用的農(nóng)作物秸稈處理方式主要有粉碎還田和直接焚燒[1]。粉碎還田的秸稈由于腐解速度較慢，腐解過程中釋放的養(yǎng)分含量難以保證作物生長需要[2]；而焚燒處理則會加劇溫室效應(yīng)，造成大氣污染[3]。近年來，通過熱解制備秸稈生物質(zhì)炭成為秸稈資源化的重要途徑。秸稈生物質(zhì)炭是農(nóng)作物秸稈在厭氧或者絕氧條件下，通過高溫?zé)峤猱a(chǎn)生的固體炭物質(zhì)。生物質(zhì)炭由于其比表面積大，吸附能力強，逐漸成為環(huán)境友好的吸附材料[4]。目前農(nóng)作物秸稈種類雖然繁多，但仍以小麥和玉米秸稈為主。因此，本研究以小麥秸稈和玉米秸稈為原材料制備生物質(zhì)炭，探究不同熱解條件對生物質(zhì)炭理化性質(zhì)的影響，以期為農(nóng)業(yè)廢棄物資源化及生物質(zhì)炭制備條件的優(yōu)化提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 生物質(zhì)炭制備

小麥和玉米秸稈取自山西省太原市尖草坪區(qū)南寨小麥和玉米農(nóng)田。將秸稈用去離子水清洗和自然風(fēng)干后，切成5 cm左右小段置于密閉容器內(nèi)，在馬弗爐中熱解。熱解溫度分別為400、450、500 ℃，熱解時間為0.5、1.0、2.0、3.0、5.0 h。秸稈熱解完成后冷卻至室溫，將秸稈生物質(zhì)炭粉碎過80目(178 μm)篩備用。

1.2 分析方法

秸稈生物質(zhì)炭pH值在m(生物質(zhì)炭)：m(水)=1:5的條件下通過水浸提法測定；陽離子交換量(CEC)通過乙酸鈉-火焰光度計法測定；有機碳含量通過重鉻酸鉀-濃硫酸外加熱法測定。

1.3 數(shù)據(jù)分析

通過單因素方差分析和LSD法對顯著性進行檢驗，采用SPSS21.0和Excel進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計。

2 結(jié)果分析

2.1 秸稈生物質(zhì)炭產(chǎn)率

不同熱解溫度和時間條件下的小麥秸稈和玉米秸稈生物質(zhì)炭的產(chǎn)率如第7頁表1所示。可以看出，秸稈生物質(zhì)炭產(chǎn)率在相同熱解時間內(nèi)隨著熱解溫度的增加而降低，400 ℃條件下秸稈生物質(zhì)炭產(chǎn)率明顯高于450 ℃和500 ℃產(chǎn)率條件下的產(chǎn)率(p<0.05)。其中，小麥秸稈生物質(zhì)產(chǎn)率平均值在400、450、500 ℃下分別為34.67%、29.46%和27.28%，分別高于玉米秸稈生物質(zhì)炭產(chǎn)率。在同樣熱解溫度下，秸稈生物質(zhì)炭產(chǎn)率隨著熱解時間增加呈現(xiàn)下降趨勢，在熱解0.5 h時達到最大產(chǎn)率。當(dāng)熱解溫度400 ℃，熱解時間0.5 h時，小麥秸稈生物質(zhì)炭產(chǎn)率最大，為37.82%。當(dāng)熱解溫度500 ℃，熱解時間5.0 h時，玉米秸稈生物質(zhì)炭為26.93%，為研究中最小產(chǎn)率。

表1 熱解溫度和時間對不同秸稈生物質(zhì)炭產(chǎn)率的影響 %

2.2 秸稈生物質(zhì)炭pH值

表2為熱解溫度和熱解時間對兩種秸稈生物質(zhì)炭pH值的影響。可以看出，熱解后秸稈生物質(zhì)炭的pH值均高于9.0，偏堿性。小麥秸稈生物質(zhì)炭的平均pH值在400 ℃、450 ℃和500 ℃條件下為9.64、9.95和10.12；玉米秸稈生物質(zhì)炭在不同熱解溫度下的平均pH值為9.64、9.81和9.99。同樣熱解時間內(nèi)，秸稈生物質(zhì)炭的pH值隨著熱解溫度的增加而增加。除小麥秸稈生物質(zhì)炭在熱解0.5 h外，其他熱解時間內(nèi)500 ℃條件下的秸稈生物質(zhì)炭pH值均顯著高于400 ℃的pH值(p<0.05)。同樣熱解溫度條件下，秸稈生物質(zhì)炭的pH值隨著熱解時間的變化沒有明顯的變化。

表2 熱解溫度和時間對不同秸稈生物質(zhì)炭pH值的影響

2.3 秸稈生物質(zhì)炭有機碳含量

表3為不同熱解溫度和熱解時間對秸稈生物質(zhì)炭有機碳含量的影響。由此可以看出，熱解溫度為400 ℃、450 ℃和500 ℃條件下，小麥秸稈生物質(zhì)炭有機碳含量在不同熱解時間的平均值為691.24、662.02、573.25 g·kg-1；玉米秸稈生物質(zhì)炭有機碳含量的平均值分別為545.42、516.13、458.83 g·kg-1。同樣熱解時間內(nèi)，秸稈生物質(zhì)炭有機碳含量隨著熱解溫度的增加而降低，500 ℃條件下的秸稈生物質(zhì)炭有機碳含量顯著低于400 ℃下的有機碳含量(p<0.05)。同樣熱解溫度下，兩種秸稈生物質(zhì)炭熱解0.5 h的有機碳含量最高，熱解5.0 h的有機碳含量最低。

表3 熱解溫度和時間對不同秸稈生物質(zhì)炭有機碳含量的影響 g/kg

2.4 不同熱解溫度條件下熱解時間和生物質(zhì)炭性質(zhì)的回歸分析

不同熱解溫度條件下的秸稈生物質(zhì)炭性質(zhì)與熱解時間的線性回歸分析如第8頁圖1所示。由圖1可知，小麥秸稈和玉米秸稈生物質(zhì)炭產(chǎn)率、有機碳含量和熱解時間呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系。熱解溫度為500 ℃時，秸稈生物質(zhì)炭產(chǎn)率與熱解時間的相關(guān)系數(shù)R2為0.919 7，是最大值；450 ℃時兩者之間的相關(guān)系數(shù)最小，為0.412 8。生物質(zhì)炭pH值與熱解時間則主要呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，只有在熱解溫度為400 ℃時呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)R2為0.646 4。

圖1 不同熱解溫度條件下熱解時間和生物質(zhì)炭性質(zhì)的線性回歸分析

3 結(jié)論

1) 研究中通過小麥和玉米秸稈制備生物質(zhì)炭，與熱解時間相比，熱解溫度為影響生物質(zhì)炭性質(zhì)的主要因子。同樣熱解條件下，小麥秸稈生物質(zhì)炭產(chǎn)率高于玉米秸稈。當(dāng)熱解溫度400 ℃，熱解時間0.5 h時，小麥秸稈生物質(zhì)炭產(chǎn)率最大。同時，兩種生物質(zhì)炭的pH值均呈現(xiàn)堿性，pH值范圍為9.41～10.29。熱解溫度為400 ℃時，生物質(zhì)炭有機碳含量顯著高于其他熱解溫度。

2) 小麥秸稈和玉米秸稈生物質(zhì)炭產(chǎn)率、有機碳含量和熱解時間呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系，生物質(zhì)炭pH值與熱解時間主要表現(xiàn)為正相關(guān)關(guān)系。熱解溫度為400 ℃時生產(chǎn)的秸稈生物質(zhì)炭更適于農(nóng)田土壤改良，改善土壤理化性質(zhì)。