熱解溫度對生物炭理化性質的影響比較研究

摘要：本文通過研究總結了不同生物質在不同的熱解溫度下得到的生物質炭的理化性質的變化，以分析熱解溫度對生物炭理化性質的影響效果。研究結果表明，不同生物質通過熱解得到的生物炭的產率隨著熱解溫度的升高而降低，而其pH值、灰分含量以及比表面積隨著熱解溫度的上升而顯著增加，說明，熱解溫度是影響生物炭理化性質變化的主要因素。

關鍵字：生物炭；熱解溫度；理化性質

1. 引言

我國生物質資源豐富，同時生物質又有很高的含碳量，并含有大量的木質纖維素可被資源化利用。生物質通過熱解轉化為生物質炭，而生物質炭因其較好的理化性能，比如更高的含碳量、更大的比表面積和發達的孔隙結構等，可以被用來做吸附劑、催化劑和土壤改良劑等[1，2]。然而原料和熱解條件是影響生物質炭理化性質的關鍵因素，而在熱解條件中，熱解溫度又是影響生物質炭理化性質的決定性因素[3，4]。因此，本文研究總結了不同生物質在不同熱解溫度下熱解得到的生物質炭的理化性質的變化，以分析熱解溫度對生物炭理化性質的影響效果，以為未來生物炭應用提供一定的理論參考和科學依據。

2. 熱解溫度對不同生物質炭的理化性質的影響

2.1. 來源于豬糞生物質的生物炭

通過對來源于西班牙的一個養豬場的豬糞生物質在300℃到700℃的區間范圍內進行熱解得到豬糞生物質炭。豬糞原材的相關理化性質，包括pH值、陽離子交換量（CEC）、電導率（EC）、元素C、H、O和N的百分比的值分別為7.12、42.2 cmol kg-1、5.53 dS m-1、36.0 %、5.0 %、36.8 %和2.6 %[5]。通過對豬糞生物質在300℃、400℃、500℃和700℃的熱解溫度下進行熱解，分別得到豬糞生物炭BC300，BC400、BC500和BC700。隨著熱解溫度從300℃到700℃逐漸升高，豬糞生物炭的產率從BC300的55.8 % 顯著下降了20.3 %到BC700的35.5 %，同時豬糞生物炭的灰分含量從BC300的31.7 % 顯著上升到了BC700的52.1 %，而且豬糞生物炭的pH值也顯著的提升了42.2 % 從BC400的8.61到BC700的12.24。這是因為，隨著溫度的升高，豬糞生物質里的有機組分開始大量的分解，同時伴隨著無機組分也就是灰分含量的顯著提升。此外，隨著熱解溫度的升高，豬糞生物炭的H、O和N的含量逐漸降低，這是因為有機組分分解產生氣體（如CO、N2和H2等），而且表面官能團大量分解使得官能團元素大量減少。同時，熱解溫度的上升也顯著的降低了豬糞生物炭中陽離子交換量（CEC）。

2.2. 來源于稻殼生物質的生物炭

通過對來源于福建的稻殼生物質在300℃到600℃的區間范圍內進行熱解得到稻殼生物炭BC300、BC400、BC500和BC600[6]。隨著熱解溫度從300℃升高到600℃，稻殼的比表面積（m2 g-1）從BC300的1.23大幅地上升至BC600的312，這是由于隨著熱解溫度的升高，稻殼生物炭的有機組分大量分解，使得稻殼生物炭的孔隙結構得到發育，從而使得稻殼生物炭的比表面積顯著增大。此外，隨著熱解溫度的升高，稻殼生物炭的灰分含量也有所升高，但增幅不大，這是因為稻殼生物質自身所含揮發分含量極高，所含灰分含量極低所致。同時，稻殼生物炭的C含量隨著熱解溫度上升至600℃，顯著增加到了85.6 %，而其所含H、N和O元素的含量相繼降低，暗示著600℃下熱解而得的稻殼生物炭碳化程度顯著提升。

2.3. 來源于松木生物質的生物炭

通過對來源于美國的威斯康星州的供應商的松木生物質在350℃和550℃的熱解溫度下熱解得到松木生物炭BC350和BC550[7]。松木生物質的理化性質，包括揮發分含量（%）、灰分含量（%）、固定碳含量（%）、有機碳含量（%）、pH（mg kg-1）和重金屬（mg kg-1）Cd、Cr、Cu、Ni、Pb和Zn的值分別為89.8、1.8、8.3、47、4.5、1.40、1.7、131.2、1.37、11.80和45.60。隨著熱解溫度的上升，松木生物炭的揮發分顯著降低，灰分含量略微降低，固定碳、有機碳和pH顯著增加，重金屬Cd和Ni的濃度下降，重金屬Cr、Cu、Pb和Zn的濃度上升。

3. 熱解溫度對生物炭理化性質的影響分析

通過上述歸納總結不同的熱解溫度對不同生物質原料熱解得到的生物炭的理化性質的影響研究發現，隨著熱解溫度的升高，生物質炭的產率逐漸下降，這是因為生物質中大量的有機組分被分解并產出大量的氣體（如CO、N2和H2等）或轉移到芳香性結構中。而且，隨著熱解溫度的上升，大部分生物炭的灰分含量有所上升，這可能是因為有機組分分解并部分通過縮聚轉移至無機組分當中，使得灰分含量有所上升。除此之外，隨著熱解溫度的上升，生物炭的pH顯著上升，這可能歸因于增大的灰分含量，同時也可能歸因于熱解溫度的上升使得大量含氧官能團的分解導致生物炭pH值增加。然而，因為隨著熱解溫度的上升，大量氣體的產生以及含氧官能團的大量分解，使得生物炭中的含氧官能團元素H、N和O的含量大幅降低，但因為生物炭中C元素的含量隨熱解溫度的上升而顯著增大，使得摩爾原子比H/C和N/C的比值也隨著熱解溫度的上升顯著降低，這暗示著生物炭隨著熱解溫度的上升，其芳香化程度增加，生物炭的穩定性大大提升。此外，隨著熱解溫度的提高，生物炭的比表面積有所增加，這可提高生物炭對污染物的吸附能力以及對土壤的保水能力。

4. 結論

本文通過研究總結了熱解溫度對于不同生物質通過熱解所得生物炭的理化性質的影響效果，結果表明，熱解溫度能夠顯著的影響生物炭的理化性質，如產率、pH值、灰分含量以及比表面積和孔隙結構等，從而改變生物炭的性能以至于影響生物炭的施用效果。

參考文獻：

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