煙稈生物質炭熱解溫度優化及理化性質分析

楊興, 黃化剛, 王玲, 申燕, 陸扣萍, 韓學博, 王海龍

(1.貴州省煙草公司畢節市公司，貴州 畢節551700；2.浙江農林大學環境與資源學院，浙江省土壤污染生物修復重點實驗室，

浙江 臨安 311300；3.河南農業大學作物學博士后流動站，鄭州 450002)

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煙稈生物質炭熱解溫度優化及理化性質分析

楊興1,2, 黃化剛1,3*, 王玲1, 申燕1, 陸扣萍2, 韓學博2, 王海龍2

(1.貴州省煙草公司畢節市公司，貴州 畢節551700；2.浙江農林大學環境與資源學院，浙江省土壤污染生物修復重點實驗室，

浙江 臨安 311300；3.河南農業大學作物學博士后流動站，鄭州 450002)

摘要為了解熱解溫度對煙稈生物質炭物理和化學特征的影響，將煙稈分別在350、400、450、500、550和600 ℃條件下熱解制備生物質炭，測定煙稈生物質炭的得率、pH值、電導率和比表面積等基本特征，并通過掃描電鏡、紅外光譜、X射線能譜、X射線衍射和(13)C核磁共振等方法分析煙稈生物質炭的成分及結構特征。結果表明：煙稈生物質炭的得率、O含量、H含量和H/C、O/C、(O+N)/C原子比均隨熱解溫度的提高逐漸降低，而pH值、電導率、比表面積和C含量等指標隨熱解溫度提高逐漸增大；得率和pH值在大于500 ℃時趨于穩定，比表面積和pH值在450 ℃時均達最大(8.86 m2/g和9.98)。此外，隨著熱解溫度的提高，煙稈生物質炭表面的含氧官能團明顯減少，礦質元素和表面晶體含量逐漸增大。煙稈生物質炭中K、Al、Ca元素含量較高，分別為28.46～35.47、10.74～35.86和13.15～24.95 g/kg；生物質炭的穩定性和芳香化程度隨熱解溫度升高而提高，而整體極性逐漸降低。綜合分析，在450 ℃制備的煙稈生物質炭對農業生產和生態環境的預期效果最好。該研究結果可以為煙稈的資源化利用和煙稈生物質炭在農業生產和生態環境方面的推廣應用提供理論依據和技術支持。

關鍵詞煙稈； 生物質炭； 熱解溫度； 理化特征

Pyrolysis temperature optimization of biochar from tobacco stalk and its physicochemical characterization.JournalofZhejiangUniversity(Agric. &LifeSci.), 2016,42(2):245-255

YANG Xing1,2, HUANG Huagang1,3*, WANG Ling1, SHEN Yan1, LU Kouping2, HAN Xuebo2, WANG Hailong2

(1.BijieTobaccoCompanyofGuizhouProvince,Bijie551700,Guizhou,China; 2.KeyLaboratoryofSoilContaminationBioremediationofZhejiangProvince,SchoolofEnvironmentalandResourceSciences,ZhejiangA&FUniversity,Lin’an311300,Zhejiang,China; 3.PostdoctoralResearchCenterofCrops,HenanAgriculturalUniversity,Zhengzhou450002,China)

Summary Tobacco (NicotianatabacumL.) is an important commercial crop planted in China. Generally, tobacco stalks were burnt in the field after harvest, causing severe air pollution. The utilization of tobacco stalk has become an increasingly challenging issue in tobacco production, whereas conversion of tobacco stalk into biochar may provide a feasible approach. Biochar is a carbonaceous solid pyrolyzed from residual of agricultural and forest biomass. It can be used as soil amendment due to its favorable properties, such as high pH value, cation exchange capacity, oxygen-containing function groups, as well as microporous structures. Previous studies have demonstrated that biochar can be used for remediation of soils contaminated with organic and inorganic pollutants. Moreover, biochar has the potential of enhancing long-term sequestration on soil organic carbon, improving soil structure and water retention ability, promoting bioavailability and retention of the nutrients, and ultimately promoting plant growth and increasing crop yield. The environmental behavior and impacts of biochar mainly depend on its physical and chemical properties, while pyrolysis temperature is the main factor affecting the physicochemical characteristic.

To understand the influence of pyrolysis temperature on the physicochemical properties of biochars, the tobacco stalk was pyrolyzed at 350, 400, 450, 500, 550 and 600 ℃, then the properties of biochars such as yield rate, pH value, electrical conductivity and specific surface area were determined. The composition and structure characteristics of biochars were investigated by scanning electron microscopy, Fourier transform infrared spectroscopy, energy dispersive X-ray spectrometry, X-ray diffraction and13C-nuclear magnetic resonance analyses.

The results showed that the yield rate, contents of O and H as well as the H/C, O/C, (O+N)/C ratios of the biochars decreased with the rise of pyrolysis temperature. However, the pH value, electrical conductivity, specific surface area and total carbon contents of biochars increased as the pyrolysis temperature increased. The yield rate and pH value of biochar tended to be stable above 500 ℃, and the specific surface area and pH value peaked at 450 ℃. With the rise of pyrolysis temperature, the content of mineral elements and surface crystal increased, whereas the content of oxygen-containing functional groups decreased. Concentrations of K, Al and Ca were 28.46-35.47, 10.74-35.86 and 13.15-24.95 g/kg, respectively. The stability and aromaticity of biochar increased but its polarity decreased with the rise of pyrolysis temperature.

Overall, the tobacco stalk biochar pyrolyzed at 450 ℃ could achieve the optimal benefits for agricultural production and environmental protection. The results can provide useful theoretical guidance and technological support for the recycle and utilization of tobacco stalk, and the application of tobacco stalk biochar in agricultural production and environmental protection.

Key wordstobacco stalk; biochar; pyrolysis temperature; physicochemical characteristic

煙草(NicotianatabacumL.)為茄科煙草屬植物，是一種重要的經濟作物[1]。采收完煙葉后剩余的煙稈經常被當作廢棄物丟棄在田間或直接燃燒，不僅浪費資源，還易造成環境污染[2]。據統計，我國每年約產生150萬t煙稈[3]。因此，開展煙稈資源化利用研究的重要性不言而喻。目前，煙稈的資源化利用主要包括制備活性炭、提取低聚木糖和果膠、加工人造板、提取燃料油和化工材料、生產肥料和培養基質等方面[3]，但在實際生產中規模化應用很少。目前，在全國主要煙區仍然有大量的廢棄煙稈堆積田間，不僅對生態環境和生態景觀造成很大影響，同時也增加了煙草病蟲害傳播的概率。隨著生物質炭研究的不斷發展，熱解煙稈制備生物質炭可成為實現煙稈資源化利用的一個重要途徑。

生物質炭是將生物質農林廢棄物、植物組織或動物尸體和糞便等在高溫厭氧條件下熱解而形成的一種含碳豐富的固體產物[4]。大量研究表明，生物質炭施入土壤后，可以增加土壤通氣性和保水性，提高土壤肥力[5]，降低重金屬和有機污染物毒性，改善土壤環境[6-7]，還可以促進植物生長，提高作物產量[8-9]，并且可以增強土壤固碳作用，減少土壤碳排放量[4,10]。龔亞琴等[11]將煙稈炭化制備生物質炭，通過盆栽試驗施入植煙土壤中后，煙株生物量及對P、K的吸收量顯著增加。王晉等[12]研究發現，在土壤中添加0.5%～1%煙稈生物質炭可以促進水稻幼苗的生長，添加量超過5%時則抑制其生長。生物質炭的環境行為及環境效應主要取決于其基本理化性質，而熱解溫度是影響生物質炭理化性質的主要因素[13]。大量學者采用不同種類的生物質為研究對象，考察了熱解溫度對生物質炭理化性質的影響[14-18]。然而，以煙稈為生物質原料的相關研究還鮮有報道。因此，本文以煙稈為研究材料，在不同厭氧條件下熱解制備生物質炭，對比分析熱解溫度對煙稈生物質炭的得率、pH值、電導率、比表面積、元素含量、表面特性等理化性質的影響，評價其作為土壤改良劑的應用潛力，以期為煙稈的資源化利用和煙稈生物質炭在農業生產和生態環境方面的推廣應用提供理論依據和技術支撐。

1材料與方法

1.1煙稈生物質炭的制備

試驗所用的煙稈采自貴州省畢節市威寧縣連片煙地，將所采集的煙稈加工成2～3 cm小段，在熱解前于室溫下自然風干為含水量5%～10%。將風干的煙稈裝入自主設計的生物質自動炭化裝置反應釜(TH-01，容積5 L，可以通N2，熱解溫度及功率可設定，最高溫度800 ℃)內，在厭氧條件下以10 ℃/min的升溫速率緩慢熱解，熱解最高溫度分別選取350、400、450、500、550和600 ℃ 6個溫度，達到最高溫度時繼續保持2 h使樣品充分熱解；在所有溫度條件下均重復熱解制備3次。將熱解后的煙稈生物質炭冷卻至室溫后分別過20和100目不銹鋼篩，保存，待分析。

1.2樣品測定

1.2.1煙稈生物質炭的基本理化性質

煙稈生物質炭得率(Y)由熱解前煙稈的質量(m1)和熱解后生物質炭的質量(m2)計算所得，計算公式為Y=m2/m1×100%。將煙稈生物質炭和去離子水按質量體積比1∶20混勻，用玻璃棒充分攪拌1 h，在25 ℃條件下靜置后用pH計測定煙稈生物質炭的pH值[14]。將煙稈生物質炭與去離子水按質量體積比1∶10混勻，充分攪拌后在25 ℃條件下用電導率儀(DDS-307型，上海虹益儀器儀表有限公司)測定電導率。煙稈生物質炭的比表面積利用比表面積分析儀(TristarII3020，Micromeritica儀器公司，美國)在77 K氮氣條件下測定[9]。采用元素分析儀(Flash EA1112, Thermo Finnigan公司，意大利)測定煙稈生物質炭中C、N和H元素的含量，并計算出O元素的含量。礦質元素(K、Ca、Mg、Al、Cu和Zn等)含量采用硝酸-氫氟酸-高氯酸消煮，電感耦合等離子體發射光譜(ICP-OES，Optima 2000，PerkinElmer公司，美國)測定消煮液中礦質元素含量[19]，采用鉬銻抗比色法(700 nm)測定消煮液中P元素含量[20]。

1.2.2煙稈生物質炭的表面特征分析

將煙稈生物質炭樣品與無水KBr以質量比1∶50混合，用瑪瑙研缽研磨后于壓片機上壓成均勻的薄片，在傅里葉變換紅外光譜儀(IS-10系列，Nicolet公司，美國)上測定，測定范圍為4 000～400 cm-1，分辨率為4 cm-1，通過波譜特征分析生物質炭的表面特征。采用X射線衍射儀(X’Pert PRO，PANalytical公司，荷蘭)測定煙稈生物質炭原子結構和物相，采用Cu-kα射線，波長為0.154 1 nm，工作電壓為30 kV，電流為30 mA，步長為0.01°，范圍從10°到80°。分別使用發射掃描電鏡(SU-8010，日立公司，日本)和能譜儀(Aztec X-MaxN，牛津儀器公司，美國)測定煙稈生物質炭的表面結構、形態和表面元素組成。煙稈生物質炭的固態交叉極化-魔角旋轉13C核磁共振分析采用300 MHz核磁共振儀(AVANCE Ⅱ，布魯克公司，德國)，13C頻率為75.5 MHz，魔角自轉頻率為5 kHz，接觸時間為2 ms，循環時間為2.5 s，轉子直徑為7 mm。

1.3數據統計分析

采用Excel 2007對數據進行處理，運用SPSS 17.0軟件中的單因素方差分析和鄧肯多重比較進行數據統計檢驗，應用Origin 8.0軟件作圖。

2結果與分析

2.1煙稈生物質炭的得率、pH值和電導率

在不同溫度條件下制備的煙稈生物質炭的得率、pH值和電導率如表1所示。生物質炭的得率隨熱解溫度的升高而逐漸降低，在350～600 ℃內，煙稈的熱解得率為45.23%～33.42%，熱解溫度大于500 ℃時，所得生物質炭的得率差異無統計學意義(P>0.05)。與350 ℃相比，當熱解溫度升至400 ℃時，得率降低9.04%；當熱解溫度從400 ℃升至450 ℃時，得率降低1.84%；熱解溫度從450 ℃繼續升至500 ℃時，得率降低1.9%。MAEK等[13]將松木、杉木等生物質在350～550 ℃條件下熱解，結果表明提高熱解溫度會降低生物質炭的得率。UCHIMIYA等[21]將棉籽殼在200～800 ℃條件下熱解，得率為83.4%～24.5%。王立華等[16]以豬糞和雞糞為原料的相關研究也得出類似結果。這可能是在煙稈熱解過程中，C—H、C—O等化學鍵隨溫度升高而斷裂，H、O等揮發性元素的損失量大于C、K、Ca等元素的富集量所致[15]，也可能是在低溫熱解條件下容易形成二次結炭或發生重聚反應導致產量增加[22]。

在350～600 ℃之間熱解制備的煙稈生物質炭均呈堿性，pH值最低為350 ℃時的9.13，最高為450 ℃時的9.98。當熱解溫度小于450 ℃時，隨著熱解溫度的升高，煙稈生物質炭的pH值呈顯著遞增趨勢(P<0.05)。尹云鋒等[23]以杉木和木荷的凋落物為原料在250～750 ℃條件下制備生物質炭，pH值隨熱解溫度升高呈遞增趨勢，原因在于溫度升高導致揮發性物質減少，K、Ca、Mg等元素相對富集，這些元素多以氧化物或碳酸鹽形式存在，這些物質溶于水可提高pH。然而，當熱解溫度大于500 ℃時，所得煙稈生物質炭的pH值在統計學上沒有顯著差異(P>0.05)，基本保持在9.6左右。姚紅宇等[18]研究也發現，從300～450 ℃，棉稈炭的pH值迅速增大，當熱解溫度大于450 ℃時，棉稈炭的pH值基本保持在10.48左右。當熱解溫度由450 ℃升至500 ℃時，煙稈生物質炭的pH顯著降低，這一結果的具體機制和原因有待于進一步研究。由于大多數生物質炭呈堿性，在降低酸性土壤酸度、交換性鋁離子和鹽基含量，提高酸性土壤肥力和作物產量方面具有很大潛力，被作為一種很有潛力的土壤改良劑[7,15]。

當熱解溫度從350 ℃升至600 ℃時，所得煙稈生物質炭的電導率變化較大，從2.29 mS/cm至5.46 mS/cm，每提高一個溫度梯度，電導率均顯著增大，差異有統計學意義(P<0.05)。其中，熱解溫度由450 ℃增加至500 ℃時，煙稈生物質炭的電導率增幅最大，增加了1.24 mS/cm。本研究結果與姚紅宇等[18]的研究結果一致，他們發現棉稈炭的電導率隨熱解溫度的升高而增加，且當熱解溫度為600 ℃時，電導率迅速提高(P<0.05)，而陽離子交換量隨熱解溫度的升高有降低的趨勢。因此，煙稈生物質炭作為改良劑可以提高土壤的電導率和陽離子交換量[15,18]。

表1　不同熱解溫度煙稈生物質炭得率、pH值、電導率和比表面積

同列數據后的不同小寫字母表示在P<0.05水平差異有統計學意義。

The values followed by different lowercase letters in the same column represent statistically significant differences at the 0.05 probability level.

2.2煙稈生物質炭的比表面積和表面結構分析

比表面積是單位質量或者單位體積的某種物質的總表面積，包括外表面積與空隙表面積[24]。由于大量空隙的存在，生物質炭的比表面積可能是外表面積的幾十倍甚至數百倍。因此，在生物質炭施入土壤后，可以增加土壤的透氣性，從而起到改善土壤物理結構的作用[6-7]。生物質炭的比表面積和表面結構特征也是影響其吸附性能的一個重要參數[15]。在不同溫度條件下制備的煙稈生物質炭的比表面積見表1。從中可知，當熱解溫度低于500 ℃時，隨著溫度升高，煙稈生物質炭的比表面積呈逐漸增加的趨勢，最高達8.86 m2/g；當熱解溫度升至550 ℃時，所得煙稈生物質炭的比表面積降低至4.51 m2/g；當熱解溫度為600 ℃時，煙稈生物質炭的比表面積又升至8.05 m2/g。與本研究不同，大多數學者的研究結果表明，生物質炭的比表面積隨熱解溫度的升高而逐漸增大[15,25-26]。但CHEN等[27]測定不同熱解溫度(150～600 ℃)橘子皮炭的比表面積發現，所得生物質炭的比表面積隨熱解溫度的增加呈波動變化，原因可能是橘子皮中木質素含量較少。在本研究中熱解溫度大于500 ℃時，溫度對煙稈生物質炭比表面積的影響機制尚不清楚，有待進一步試驗驗證。總體而言，熱解溫度越高，煙稈生物質炭的比表面積越大，且在500 ℃時達到最大。

圖1顯示了在6種不同溫度下制備的煙稈生物質炭的掃描電鏡圖。從中可知，不同熱解溫度對煙稈生物質炭的表面結構具有不同的影響。煙稈在高溫熱解過程中，生物質表面結構逐漸破裂，在表面形成明顯的孔隙結構。在較低溫度(350～500 ℃)條件下熱解制備的煙稈生物質炭還具有煙稈的骨架結構，孔隙結構較規則，大小孔分布較均勻。形成此結構的主要原因可能是生物質本身具有海綿結構，也可能是熱解時水蒸氣和氣體逸出時形成了氣泡或氣孔[15]。在350和400 ℃制備的煙稈生物質炭孔隙結構的發達程度明顯弱于450和500 ℃制備的煙稈生物質炭。這可能是由于隨熱解溫度的提高揮發性物質釋放量增大而造成的。在較高溫度(550～600 ℃)時，煙稈生物質炭結構破壞較嚴重，孔隙結構不規則，孔徑大小不一，差別較大。羅凱等[28]研究發現，提高裂解溫度會促進稻殼和梧桐葉生物質炭的塑性變形，原因可能是炭化程度增大，木質素發生軟化和熔融，阻塞氣孔而導致空隙結構變差。

圖1　不同熱解溫度煙稈生物質炭的掃描電鏡圖Fig.1　Scanning electron microscope results of tobacco stalk biochars pyrolyzed at different temperatures

2.3煙稈生物質炭的元素組成分析

表2為煙稈生物質炭的C、N、H和O 4種元素的含量對比。結果表明，熱解溫度決定煙稈生物質炭的元素含量。隨著熱解溫度的升高，煙稈生物質炭的含C量從54.65%(350 ℃)升至66.03%(550 ℃)，當熱解溫度為600 ℃時，含C量降至65.04%；含N量則由2.21%(350 ℃)降至1.64%(600 ℃)，不同熱解溫度制備的煙稈生物質炭的N元素含量相對較穩定；相應的H元素含量則隨著熱解溫度的升高而逐漸降低，從3.75%(350 ℃)降至1.56%(600 ℃)。總體而言，在本研究中隨熱解溫度的升高，煙稈生物質炭的C元素含量逐漸增加，H和O元素含量相應降低。這與以其他生物質為試驗材料的研究結果[14,29-30]相一致。

從表2還可以看出，煙稈生物質炭的H/C、O/C和(O+N)/C原子比隨熱解溫度的升高呈逐漸降低的趨勢。隨著熱解溫度的升高，煙稈生物質炭H/C原子比由0.07(350 ℃)降至0.02(600 ℃)，而O/C比和(O+N)/C比則從0.72(350 ℃)和0.76(350 ℃)分別降至0.45(550 ℃)和0.48(550 ℃)。以上4種元素原子比可以表征生物質炭的芳香化程度和極性[24]，其中，H/C和O/C越小，芳香化程度越高，(O+N)/C越大則極性越大。這一結果與其他相關研究結果[14,21,31]一致。

與其他生物質炭類似，煙稈生物質炭的元素組成主要受熱解溫度影響[18,30]。隨著熱解溫度升高，煙稈生物質炭的穩定性也逐漸提高[15,32]，因而施入土壤后抵抗微生物分解的能力更強，可以在土壤中穩定存在較長時間，對土壤碳匯和土壤環境產生長遠影響[7]。

表2　不同熱解溫度煙稈生物質炭元素組成分析

煙稈生物質炭中礦質元素質量分數見表3。與C元素相似，煙稈生物質炭中礦質元素含量隨熱解溫度升高而逐漸增加。其中K、Al、Ca元素含量較高，分別為28.46～35.47、10.74～35.86和13.15～24.95 g/kg，Mg、P元素含量較低，分別為4.82～7.73和0.43～0.72 g/kg，Zn、Cu元素含量則更低，分別為59.57～149.23和22.56～49.89 mg/kg。CAO等[33]研究發現，熱解溫度從100 ℃升至500 ℃，所得牛糞生物質炭的全P、Ca、Mg含量分別提高192%、202%和172%。王立華等[16]研究表明，提高熱解溫度可以增加豬糞和雞糞生物質炭中P、K、Ca、Fe、Mn、Cu、Zn等元素的含量。這說明在熱解過程中煙稈C、H、O、N等不穩定元素熱解揮發，而P、K、Ca、Mg、Al等礦質元素被濃縮，在生物質炭中富集[7]；而這些礦質元素含量的升高也是煙稈生物質炭pH值升高的主要原因[17]。煙稈生物質炭施入土壤后可以提高土壤肥力，為植物、微生物提供必需營養元素，從而提高土壤質量[6-7]。

表3　不同熱解溫度煙稈生物質炭的礦質元素質量分數

同列數據后的不同小寫字母表示在P<0.05水平差異有統計學意義。

The values followed by different lowercase letters in the same column represent statistically significant differences at the 0.05 probability level.

此外，將在不同溫度條件下制備的生物質炭進行能量色散X射線檢測，分析煙稈生物質炭表面某點的元素組成及含量(圖2，表4)。結果表明，煙稈生物質炭表面的某一點主要由C和O元素組成，此外，還有少量的Mg、Al、K、Ca和Cl等元素。隨著熱解溫度的升高，C元素含量逐漸升高，由350 ℃的79.25%增至600 ℃的94.88%。對比表2和表4可知：煙稈生物質炭的表面C含量均高于相同熱解溫度下的總C含量，這說明煙稈生物質炭的組成具有空間異質性[34]；隨著熱解溫度的升高，煙稈生物質炭表面O元素含量逐漸降低，由350 ℃的18.99%降至550 ℃的10.66%，當熱解溫度為600 ℃時，O元素未檢測出。這與煙稈生物質炭總O元素含量的變化趨勢一致。在不同熱解溫度條件下制備的煙稈生物質炭除Ca和Si外，其他元素含量均隨熱解溫度增加而遞增。這說明較高溫熱解制備的煙稈生物質炭具有較高的表面極性[34]。

圖2　不同熱解溫度煙稈生物質炭表面某位點能量色散X射線圖譜Fig.2　Energy dispersive X-ray spectrometry (EDS) of tobacco stalk biochars pyrolyzed at different temperatures

w/%

—：未檢測出。 “—” indicates no detected.

2.4煙稈生物質炭紅外光譜分析

圖3　不同熱解溫度煙稈生物質炭的紅外光譜Fig.3　Fourier transform infrared spectrometry of tobacco stalk biochars pyrolyzed at different temperatures

2.5煙稈生物質炭的X射線衍射圖譜分析

圖4　不同熱解溫度煙稈生物質炭的X射線衍射圖譜Fig.4　X-ray diffraction spectrometry of tobacco stalk biochars pyrolyzed at different temperatures

2.6煙稈生物質炭的13C核磁共振圖譜分析

從圖5可以看出，煙稈生物質炭主要由烷基碳、芳香碳和少量羧基、羰基炭組成。由表5可知：當熱解溫度較低(小于400 ℃)時，煙稈生物質炭中有機質以脂肪碳為主，芳香碳含量次之，羧基、羰基碳含量最低；隨著熱解溫度的提高，生物質炭中烷基碳、甲氧基和碳水化合物含量均逐漸降低，脂肪碳總含量由55.36%降至12.62%，芳香碳含量則劇烈升高，由29.21%升至74.04%；羧基和羰基碳含量則變化不大，由350 ℃的15.43%升至550 ℃的26.62%，在600 ℃時則又降至13.34%。該結果證明隨熱解溫度的提高，煙稈生物質炭的芳香化程度逐漸提高[14,37]。這也與本研究中O/C比(表2)和X射線衍射圖譜分析(圖4)結果相一致。此外，總體上，隨著熱解溫度的提高，煙稈生物質炭中極性碳含量逐漸降低，尤其在熱解溫度為600 ℃時降低最明顯。這一結果與根據(O+N)/C比(表2)所得結論一致。徐東昱等[34]研究發現，柳條生物質炭和水稻秸稈生物質炭的極性也隨熱解溫度的升高而降低。

圖5　不同熱解溫度煙稈生物質炭的13C核磁共振圖譜Fig.5　13C-nuclear magnetic resonance spectrum of tobacco stalk biochars pyrolyzed at different temperatures

熱解溫度Pyrolysistemperature/℃w(羧基和羰基碳等)Carboxylandcarbonylcarbon,etc.content/%w(芳香碳)Aromaticcarboncontent/%脂肪碳Aliphaticcarbon甲氧基碳/碳水化合物Ratioofmethoxylcarbontocarbohydratew(烷基碳)Alkylcarboncontent/%合計Total/%w(極性碳)Polaritycarboncontent/%35015.4329.2119.1036.2655.3634.5340019.1435.0615.5330.2745.8034.6745020.2042.4014.6322.7637.3934.6350025.1154.528.4712.0120.4833.5655026.6251.797.2114.3921.6033.8360013.3474.040.0012.6212.6213.34

3結論

3.1煙稈生物質炭的得率隨熱解溫度的升高逐漸降低，熱解溫度大于500 ℃時趨于穩定。煙稈生物質炭的pH值在熱解溫度為450 ℃時達到最大(9.98)；電導率隨熱解溫度提高逐漸增大，且熱解溫度為600 ℃時迅速提高；隨著熱解溫度的提高，煙稈生物質炭表面結構逐漸被破壞，比表面積逐漸升高，在500 ℃時達到最大(8.86 m2/g)。

3.2隨熱解溫度的提高，煙稈生物質炭的C和礦質元素含量均增大，H/C、O/C、(O+N)/C比逐漸降低，煙稈生物質炭的芳香性和表面極性提高，而整體極性卻逐漸降低，因而生物質炭的穩定性和養分含量均隨熱解溫度的升高而提高。

3.3通過對煙稈生物質炭進行紅外光譜、X射線衍射和13C核磁共振等分析，發現在熱解過程中，煙稈生物質炭表面形成了多種含氧官能團，隨著熱解溫度的升高，官能團逐漸減少直至消失，且煙稈生物質炭有機質中主要以芳香碳為主。生物質炭表面還含有KCl和CaCO3等礦物和類石墨微晶，這些晶體可以提高生物質炭的穩定性和吸附性能。

綜上，結合生物質炭得率、pH、比表面積、元素含量、表面結構特征等特性指標變化趨勢，本研究認為在450 ℃條件下制備的煙稈生物質炭適合作為土壤改良劑用于農業生產。

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中圖分類號X 712

文獻標志碼A

收稿日期(Received)：2015-09-10；接受日期(Accepted)：2015-11-27；網絡出版日期(Published online)：2016-03-20

*通信作者(

Corresponding author)：黃化剛(http://orcid.org/0000-0003-2478-9205)，E-mail:hhg491124@163.com

基金項目：中國博士后科學基金(2015M572107)；貴州省自然科學基金([2013]2193)；貴州省畢節市煙草公司專項基金(BJYC201308).

第一作者聯系方式：楊興(http://orcid.org/0000-0002-4060-1404)，E-mail:YX20080907@163.com

URL:http://www.cnki.net/kcms/detail/33.1247.S.20160321.1424.014.html