熱解條件對秸稈生物質炭性質的影響研究

李兆龍， 張 婧， 馮夢丹， 哈 寧， 郝弘宇， 來雪慧

(太原工業學院環境與安全工程系，山西 太原 030008)

引 言

隨著農業的快速發展，我國秸稈產量也逐漸增加，盡管秸稈利用率呈現上升趨勢，但仍有一部分秸稈未被利用。當前，未被利用的農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，造成大氣污染[3]。近年來，通過熱解制備秸稈生物質炭成為秸稈資源化的重要途徑。秸稈生物質炭是農作物秸稈在厭氧或者絕氧條件下，通過高溫熱解產生的固體炭物質。生物質炭由于其比表面積大，吸附能力強，逐漸成為環境友好的吸附材料[4]。目前農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炭，探究不同熱解條件對生物質炭理化性質的影響，以期為農業廢棄物資源化及生物質炭制備條件的優化提供科學依據。

1 材料和方法

1.1 生物質炭制備

小麥和玉米秸稈取自山西省太原市尖草坪區南寨小麥和玉米農田。將秸稈用去離子水清洗和自然風干后，切成5 cm左右小段置于密閉容器內，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，將秸稈生物質炭粉碎過80目(178 μm)篩備用。

1.2 分析方法

秸稈生物質炭pH值在m(生物質炭)：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 數據分析

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進行數據統計。

2 結果分析

2.1 秸稈生物質炭產率

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炭的產率如第7頁表1所示。可以看出，秸稈生物質炭產率在相同熱解時間內隨著熱解溫度的增加而降低，400 ℃條件下秸稈生物質炭產率明顯高于450 ℃和500 ℃產率條件下的產率(p<0.05)。其中，小麥秸稈生物質產率平均值在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炭產率。在同樣熱解溫度下，秸稈生物質炭產率隨著熱解時間增加呈現下降趨勢，在熱解0.5 h時達到最大產率。當熱解溫度400 ℃，熱解時間0.5 h時，小麥秸稈生物質炭產率最大，為37.82%。當熱解溫度500 ℃，熱解時間5.0 h時，玉米秸稈生物質炭為26.93%，為研究中最小產率。

表1 熱解溫度和時間對不同秸稈生物質炭產率的影響 %

2.2 秸稈生物質炭pH值

表2為熱解溫度和熱解時間對兩種秸稈生物質炭pH值的影響。可以看出，熱解后秸稈生物質炭的pH值均高于9.0，偏堿性。小麥秸稈生物質炭的平均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，秸稈生物質炭的pH值隨著熱解溫度的增加而增加。除小麥秸稈生物質炭在熱解0.5 h外，其他熱解時間內500 ℃條件下的秸稈生物質炭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炭pH值的影響

2.3 秸稈生物質炭有機碳含量

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，秸稈生物質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炭性質的回歸分析

不同熱解溫度條件下的秸稈生物質炭性質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炭產率、有機碳含量和熱解時間呈現負相關關系。熱解溫度為500 ℃時，秸稈生物質炭產率與熱解時間的相關系數R2為0.919 7，是最大值；450 ℃時兩者之間的相關系數最小，為0.412 8。生物質炭pH值與熱解時間則主要呈現正相關關系，只有在熱解溫度為400 ℃時呈現負相關關系，相關系數R2為0.646 4。

圖1 不同熱解溫度條件下熱解時間和生物質炭性質的線性回歸分析

3 結論

1) 研究中通過小麥和玉米秸稈制備生物質炭，與熱解時間相比，熱解溫度為影響生物質炭性質的主要因子。同樣熱解條件下，小麥秸稈生物質炭產率高于玉米秸稈。當熱解溫度400 ℃，熱解時間0.5 h時，小麥秸稈生物質炭產率最大。同時，兩種生物質炭的pH值均呈現堿性，pH值范圍為9.41～10.29。熱解溫度為400 ℃時，生物質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炭產率、有機碳含量和熱解時間呈現負相關關系，生物質炭pH值與熱解時間主要表現為正相關關系。熱解溫度為400 ℃時生產的秸稈生物質炭更適于農田土壤改良，改善土壤理化性質。