不同炭化溫度下煙桿生物炭產率及特性比較

彭隆基 肖佳冰 熊晶 王凡 徐驥

摘要：為了詳細了解不同碳化溫度下煙桿生物炭產率的不同，并對其變化特性加以研究，本文運用室內模擬的方法，分別將煙桿在350、400、450、500、550、600℃條件下進行熱解，然后再測定出煙桿生物在不同溫度下的炭產率，并利用紅外光譜、射線掃描、核磁共振等方式來對煙桿生物炭的特性進行了分析和比較。研究結果表明煙桿生物的炭產率會隨著溫度的升高而呈現出下降的趨勢，并且在熱解溫度達到450℃時，煙桿生物的炭產率達到最大值，在溫度繼續上升到500℃及以上時，炭產率以及各項特性基本趨于穩定。此外，研究還發現，生物質炭的穩定程度隨著熱解溫度的升高而不斷增強，而煙桿生物的整體極性則會隨著溫度的升高而逐漸降低。由此可知，在450℃條件下，煙桿生物的炭產率達到峰值，這對于我國農業生產和生態環境保護都具有十分重要的意義。

關鍵詞：煙桿生物;炭產率;特性比較

引言：

生物質炭一般指的是生物質材料在無氧或者部分缺氧的環境中，利用高溫將其進行熱解而得到的一種具有性質穩定和炭含量較為豐富的固體，這是一種最新研發的功能材料，具有綠色安全、生態環保、吸附性強等優點，對于生態保護也非常的友好。我國作為世界上的農業大國，每年因廢棄而丟掉的農業物資不僅造成了環境的污染而且也是對自然資源的巨大浪費，而生物炭制備技術的出現則是一個很好的變廢為寶的渠道，對于我國農業發展和環境保護都具有十分重要的意義。

1.材料與方法

1.1材料選擇

本實驗所采用的煙桿材料來自貴州省某地種植的煙地，首先將采集到的煙桿分解為長度約30mm左右的長段，并將其置于溫度為80℃的鼓風烘箱內烘干（含水量在5%-10%之間），直至它們的重量不變為止。

1.2生物質炭的制備

將風干后的煙桿置于生物質炭化反應釜內，并在缺氧的條件下對其進行熱解，最終設定熱解的溫度為350、400、450、500、550和600℃，需要注意的是在升溫的過程中應保持一定的速度緩慢進行升溫，并在溫度達到設定值之后保溫2小時，以使煙桿能夠完全熱解。在同樣的條件下，每個設定的溫度值均重復三次以上實驗，在實驗完成之后將樣品冷卻至室溫后對其進行研磨混勻，然后再使用100目的篩子過濾后，裝入自封袋中密封保存[1]。

1.3生物質炭的測定

通過對樣品制備前后不同組的質量損失來得出煙桿生物炭的產率，并在對烘干前后質量損失進行比較后得出煙桿的水分含量。利用燒灼法來測定煙桿的灰分含量，采用元素分析儀來測定C、N等元素的含量，并測取煙桿在不同溫度下的pH 值。

2.實驗結果分析

2.1煙桿生物炭產率分析

煙桿生物的炭產率會隨著溫度的不斷升高而逐步的下降，以實驗所設定的溫度值為例，在350℃時，煙桿的炭產率為45.2%;而在溫度升高到了600℃時，煙桿的炭產率則下降到了33.4%。并且實驗還發現在熱解溫度大于500℃時，煙桿炭產率的變化微乎其微，不具備統計學意義。在實驗所設定的幾個溫度值內，熱解溫度從350℃上升至400℃時，炭產率下降了大概9%左右，而熱解溫度由400℃上升至450℃時，炭產率則會進一步下降1.8%，再將熱解溫度由450℃升高至500攝氏度時，煙桿的炭產率下降了大約1.9%，這也充分表明隨著熱解溫度的升高，煙桿炭產率一直在降低。究其原因，則可能是在將煙桿進行熱解的過程中，隨著溫度的不斷升高，煙桿內部的C—H、C—O等穩定的化學鍵逐漸的分解開來，而H、O等質量較輕的元素在高溫下會揮發出去，留下來的則是C、Ca等質量較重的元素;另一種解釋為煙桿在較低的熱解溫度下，能夠自動形成二次結炭、重聚反應等，從而導致了炭產率的升高[2]。

2.2煙桿生物質特性分析

實驗結果表明，在設定溫度值350℃—600℃之間，煙桿生物質炭呈現出堿性的特征，其中pH值最小是在350℃時出現，為pH=9.1，最大是在450℃時出現的，pH=9.9。研究結果還發現，在熱解溫度小于450℃時，伴隨著熱解溫度的逐步升高，煙桿生物炭的pH值呈現出上升的趨勢，究其原因是因為隨著溫度的升高，造成了煙桿內Ca、K等元素不斷的增多，而這些元素存在的形式大多都是碳酸鹽，在這些物質遇水之后，pH值就會明顯升高。在溫度繼續上升至500℃及以上時，煙桿生物質炭的pH值并明顯的變化，而基本維持在pH=9.6附近[3]。

研究還發現，隨著熱解溫度的不斷上升，煙桿生物質炭的電導率發生了很大的變化，試驗中溫度每提升一個梯度，電導率就會隨之而增大，其中在溫度由450升至500℃時，電導率的增幅最大，達到了驚人的1.24mS/cm。當溫度達到600℃時，煙桿生物質炭的電導率會迅速升高，而相反陽離子的交換量則會呈現出下降的趨勢，利用煙桿生物質炭的這種特性，可以將其作為土壤的改良劑。煙桿生物質炭在不同溫度下的炭產率及pH值、電導率等特性變化如下表1所示。

3.結論

煙桿生物質炭的炭產率會隨著熱解溫度的不斷升高而逐步的降低，并在熱解溫度高于500℃時，維持穩定狀態。

煙桿生物質炭的pH值在熱解溫度到達450℃時，出現最大值pH=9.98，此后會隨著溫度的上升而呈現出下降的趨勢。

煙桿生物質炭的電導率也會隨著熱解溫度的升高而逐漸的變大，并且在熱解溫度到達600℃時升高幅度最大。

參考文獻：

[1]孟李群，張云鵬，蘇漳文，劉青，賈亞運，劉愛琴.不同炭化溫度下杉木生物炭產率及特性比較[J].福建林業科技，2014，41（02）：38-41.

[2]劉子婧.虛擬現實主義和后電影理論-數字時代的電影制作和電影觀念[J].戲劇之家，2019（6）：114-114.

作者簡介：彭隆基，男，漢，貴州省畢節市，1977.3.3，本科，農藝師，研究方向烤煙生產技術，畢節市煙草公司威寧分公司 553100。