裂解温度对食用菌菌渣制备生物炭产率及特性的影响

生物炭为农林废弃物在缺氧条件和固定的温度下经热解而形成的产物，在制备过程中生物炭表面会附着大量的活性炭分子，是一种作为土壤改良剂的木炭，能帮助植物生长[1-3]。

为给生物炭在植物生长上的作用提供理论依据，本试验探究了不同烧制温度对生物炭特性及制备的影响，通过测试得炭率、灰分含量、pH 值、官能团、元素分析及保水性等来测试生物炭的特性。

1材料与方法
1.1
试验材料
食用菌菌渣，由百色学院农业与食品工程学院食用菌厂提供。

1.2试验方法1.2.1
样品处理1.2.1.1
前处理
从食用菌厂获取的食用菌菌棒拿到实验室拆开，拆开后打散菌棒得到菌渣。

菌渣在阳光下晾晒，待水分充分晒干后，使用小型粉碎机粉碎，过100目筛储
存待用。

1.2.1.2
炭化
试验前使用电子秤称量坩埚的质量M 1并标记，
其他坩埚也按此方法得出质量。

将粉碎后且过100目筛的菌渣装进坩埚后，压实并盖上坩埚盖，使用电子秤称量坩埚与菌渣总质量M ，M －M 1后得出菌渣质量M 2，其他菌渣质量也按此方法得出。

按批次分300～700℃使用马弗炉进行炭化，依次进行，每个裂解温度下分时间段进行，炭化顺序为从低裂解温度到高裂解温度，每个温度都采用6个坩埚设置重复试验，以此来减小误差。

使用仪器马弗炉设置好所需裂解温度，设置好温度上升频率为15℃·min -1，待马弗炉显示器显示的温度达到设置好的温度后开始计时，时间为1h ，保温时间到达后关闭电源。

待炉内温度降到40℃以下时，方可取出备用。

其他裂解温度也根据此方法进行。

M 单位为g 。

1.2.2
样品测定1.2.2.1
产率测定
在每个温度下裂解试验结束后，炉内温度下降到
40℃后，将裂解后的生物炭从马弗炉中取出，拿到实验室备用。

待坩埚冷却到室温后，使用电子秤称量炭化后坩埚与生物炭的总质量M 3，然后根据减法减去坩埚质量M 1得出生物炭产量M 4。

最后，根据菌渣质量和生物炭产量计算产率（C ），详见公式（1）。

C =（M 4÷M 2）×100%
（1）
收稿日期：2022-02-25
基金项目：2018年广西中青年教师能力提升项目（2018KY0581）；2021年度百色市本级财政科技计划项目（百科字20201825）。

作者简介：沈伟（1987—），男，河南信阳人，硕士，讲师，研究方向为植物生理代谢。

E-mail ：********************。

沈伟，黄薇，郭炳豪，等.裂解温度对食用菌菌渣制备生物炭产率及特性的影响[J ].南方农业，2022，16（5）：96-99.
裂解温度对食用菌菌渣制备生物炭产率及特性的影响
沈伟1,2，黄薇1,2，郭炳豪1,2，莫仁秉1
（1.百色学院，广西百色533000；2.广西芒果生物学重点实验室，广西百色533000）
摘要以食用菌菌渣为原料，在300、400、500、600、700℃5种不同温度条件下制备生物炭，测
定生物炭灰分含量、pH 值，以及将其应用于盆栽培养试验等，探究不同烧制温度对生物炭的特性及制备生物炭的影响。

结果表明，产率：300℃＞400℃＞500℃＞600℃＞700℃；灰分含量及pH 值皆为：300℃＜400℃＜500℃＜600℃＜700℃；官能团测定碱性基团及酸性基团数量皆为：300℃＞400℃＞500℃＞600℃＞700℃；持水性为：300℃＞400℃＞500℃＞600℃＞700℃＞对照。

关键词
温度；食用菌；菌渣；生物炭
中图分类号：S156；S759.81
文献标志码：A
DOI ：10.19415/ki.1673-890x.2022.05.024
1.2.2.2灰分测定
生物灰分的测定参照《木炭和木炭试验方法》（GB/T17664-1999）。

首先准备好干燥并且清洁过的坩埚（30mL）置于马弗炉中，将马弗炉的温度设置为650℃，然后将坩埚在此温度下灼烧到质量恒定，灼烧完成后冷却半个小时，然后称量坩埚重量。

此后，精确量取1.00g（精确至0.01g）生物炭样品，置于此前灼烧至恒重的坩埚中，一起放入马弗炉，然后打开坩埚盖，设置马弗炉的最终温度为800℃。

待马弗炉内温度慢慢升高到800℃时，开始计时保温4h。

待炉内温度冷却到室温后，拿出来称重。

灰分含量计算公式见公式（2）。

A=（B2-B1）÷B×100%（2）
式（2）中A表示灰分含量，单位为%；B2表示经过高温灼烧过的坩埚和所得灰分的总质量，单位为g；B1表示灼烧后的坩埚质量，单位为g；B为灼烧前样品生物炭的质量，单位为g。

1.2.2.3pH值的测定
按照《木质活性炭试验方法pH值得测定》（GB/ T12496.7-1999）的方法，用电子天平精确称取2.50g （精确至0.01g）干燥样品的生物炭，放入100mL的锥形瓶中，加入纯净水50mL。

使用电热炉逐渐加热，待试液沸腾5min后，关闭电热炉电源，补充经过沸腾蒸发的水分，然后进行过滤处理，弃掉所得滤液前5mL，剩余的滤液待冷却至室温后使用pH计测定pH值。

1.2.2.4灰分与pH之间的影响关系
灰分与pH值之间的关系紧密。

不同裂解温度下生物炭中的灰分含量变化可能导致不同裂解温度下的pH值会发生变化，其原因可能是裂解温度的升高导致灰分中的某些物质逐渐达到其熔解点，导致pH值相应变化，本试验将通过两者方差分析验证其中的合理性。

1.2.2.5官能团的测定
生物炭含氧官能团的测定运用Boehm滴定法来进行滴定分析。

测定方法为：准备好4个相同规格的离心管，然后用电子天平精确称取4份生物炭样品，每份样品称取0.50g（精确至0.01g），按照每两份来分别添加25mL0.1mol·L-1氢氧化钠溶液和25mL0.1mol·L-1盐酸溶液，把样品制备好后进行称重，4个离心管的质
量必须接近，而且相差不能超过0.1g（离心机使用要求）。

称重完成后，放入离心机中震荡0.5h（转速为200r·min-1），等待震荡时间结束后，将离心管取出，放入温度为25℃的培养箱中平衡24h。

平衡时间到后，拿出过滤。

4种滤液各精确量取10mL，用二次水稀释至50mL即可开始滴定试验。

滴定：首先滴定浸泡前后盐酸溶液浓度的变化，使用的指示剂为酚酞，用标定后的0.1mol·L-1NaOH 溶液进行滴定。

根据实际情况计算单位质量样品所消耗的盐酸量，作为其碱性基团的数量。

HCl溶液消耗量即为碱性基团数量[4]。

其次滴定浸泡前后NaOH浓度的变化，使用的指示剂为酚酞，用标定好的0.1mol·L-1盐酸溶液进行滴定。

根据实际情况计算出单位质量样品所消耗的盐酸量，作为其酸性基团的数量。

NaOH溶液消耗量即为酸性基团数量[4]。

1.2.2.6持水性试验
测试不同裂解温度下的生物炭持水性的强弱，本试验采用方法为盆栽试验，试验材料为土壤、樱桃、番茄构成的系统作为试验对象，其中试验的盆栽分为对照组（纯土壤），每个裂解温度下制备的生物炭各3次重复，然后每个盆栽分别添加200g土（精确至0.01g），然后按照1%的比例加入2g样品生物炭（精确至0.01g），置于相同的条件下培养，每个盆栽播种8粒樱桃番茄种子，后期保证发芽数一致。

培养至种子发芽后，记录下每个培养盆的质量及每次浇水量（精确至0.01mL），此后每隔2天记录1次试验数据。

按照培养盆水分的蒸发量来推算正常状态下生物炭对土壤持水性的影响（按照土壤称重的前后质量比进行计算），以此来研究在不同裂解温度下制备的生物炭对土壤持水性是否有影响。

2结果与分析
2.1裂解温度对食用菌菌渣制备的生物炭产率的影响
从图1可知，生物炭的产率受裂解温度的影响比较大，裂解温度越高，生物炭的产率就越小。

裂解温度在300℃时的产率为44.87%，而700℃下的产率仅有26.87%，两者产率相差很大。

从300～500℃区间内产率急剧下降，下降幅度达到68.22%，500～700℃区间内的产率下降幅度变缓，500～600℃区间内的产
率变化较小，产率比较稳定。

其中300℃下制备的生物炭产率最高，700℃下制备的生物炭产率最低，而且两者产率相差比较大。

生物质中的不同组成成分，都有自身的分解温度。

当裂解温度比较低时，食用菌菌渣中的纤维素及半纤维素的分解量大大提高，导致制备的生物炭产量迅速减少，产率变化比较明显。

木质素在高温条件下分解量比较多，裂解温度慢慢升高时，原材料裂解比较彻底，所以产率变化会慢慢趋于
稳定，波动比较平缓。

图1不同裂解温度对生物炭产率的影响
2.2裂解温度对食用菌菌渣制备的生物炭中灰分及pH值的影响
不同裂解温度下灰分的百分含量测试结果见图2。

在有氧充足的环境条件下，生物炭经过高温裂解会产生白色或者是浅红色的无机物质，成为灰分。

在裂解温度从300℃升至700℃时，食用菌菌渣制备的生物炭中的灰分含量由18.00%上升到29.00%，其中300～400℃，500～600℃两个区间的灰分含量变化幅度不大，但700℃时灰分含量明显增加。

这说明食用菌菌渣在炭化过程中析出了碱金属，而且碱金属的析出量
随着温度的升高而增加。

图2不同裂解温度对生物炭灰分含量的影响
由图3可以看出，食用菌菌渣制备的生物炭pH值随着裂解温度的升高而上升，pH值只有300℃下呈弱酸性，其他裂解温度下都呈碱性。

其中每个温度的pH 值上升幅度基本相同，上升幅度稳定在84%左右，属于规律上升的状态。

但是300℃与700℃下pH值对比相差较大。

究其原因，主要是生物炭在裂解过程中会有一些酸性物质残留在其中，但是这些酸性物质在裂解温度慢慢上升后又逐渐达到分解点，故在裂解温度高时生物炭中残留的酸性物质会减少，pH
值相应升高。

图3不同裂解温度对生物炭pH值的影响
2.3裂解温度对食用菌菌渣制备的生物炭中官能团数
量的影响
从图4中数据可以看出，不同裂解温度下制备的生物炭中的碱性和酸性基团都随着温度的升高而变化。

很显然，在单位质量对比下，碱性基团的数量明显比酸性基团多了不少，并且碱性基团所占的比例也要高出许多。

再从曲线的趋势看，2种基团都随裂解温度的升高而呈下降的趋势，但是碱性基团的下降趋势比较平缓，300～700℃区间碱性基团的比例下降10%左右，而酸性基团的下降将近28%。

由此可见，在裂解温度慢慢升高的情况下，碱性基团比酸性基团更具稳定性。

碱性和酸性基团数量的差异会影响生物炭的亲水性及对重金属的吸附作用。

两者的数量越多，生物炭的亲水性就越强，也就是生物炭持水性越理想。

结合前面生物炭的灰分与pH的影响关系，再结合图4中的曲线分析，虽然两者都呈下降趋势，但是酸性基团波动较大，这说明可能酸性物质遇到高温会分解得较快，而碱性物质则比较稳定。

此数据验证了前面的结果，在酸性基团数量大量减少的情况下，碱性基团的变化不明显，所测生物炭的pH值也就越大，呈碱性居多。

而在300℃时，生物炭呈弱酸性的说法也可由此数据体现。

官能团的测定结果既解释了灰分与pH 值之间的影响关系，也解释了不同裂解温度下几种指标的差异原因。

图4不同裂解温度对生物炭中官能团数量的影响2.4裂解温度对食用菌菌渣制备的生物炭持水性的
影响
从图5中可知，对照组的持水性最低，即说明加入生物炭之后，每个温度下的生物炭对土壤的持水性影响明显增强。

裂解温度从低到高呈下降的曲线，其中300℃下制备的生物炭持水性比较大，而中间温度制备的生物炭持水性下降则比较平缓，700℃下制备的生物炭持水性最低，说明了生物炭的持水性受到制备温度的影响，制备温度越低则持水性能越强，反之亦然。

生物炭的持水性还与其密度有关，密度越大持水性能越强。

这可能是由于裂解温度高的情况下，生物炭的成分挥发得比较明显，分解的物质也比较多，导致生物炭的密度减小，从而高裂解温度下制备的生物炭持水性弱。

数据表明，加入生物炭的土壤比不加生物炭的土壤保水能力强。

根据试验结果也得出生物
炭能促进植物种子的萌发及幼苗的生长。

图5不同裂解温度对生物炭持水性的影响
3讨论与结论
本试验通过测定300～700℃下制备成的生物炭的特性，探讨了裂解温度对于生物炭的产率、灰分、pH 值、官能团数量及持水性等的影响，结果表明不同裂解温度下制备的生物炭对这些特性都有不一样的影响程度。

其中：生物炭产率受到裂解温度影响较大，产率的波动起伏的幅度在某些温度区间平缓，而在某些温度区间突然跳跃。

简明菲等用水稻秸秆制备不同温度（300～700℃）的生物炭，结果也表明在300～
500℃阶段产率下降较大，下降幅度达67.96个百分点，500℃以上的产率趋于平缓[5]，与本试验研究的结果基本上一致。

其中的pH值与灰分含量测试出的结果也与其他试验的结果吻合。

生物炭中的酸性物质随着裂解温度升高而逐渐分解，生物炭中的碱性物质随着温度升高而析出量变大，从而导致pH值升高。

Yuan用作物残渣制备不同温度下的生物炭研究生物炭中的碱金属形态，发现随着裂解温度的升高，碱金属析出量增加，稻秆在热解过程中的有机物减少，同时随着制备温度升高，Si、Ca、Mg、Cl等无机离子烧结、融合，形成了无机矿物质，碱金属析出量增加，因而导致灰分含量增加[6]。

综上所述，本试验制备生物炭结果为：1）产率：300℃＞400℃＞500℃＞600℃＞700℃；2）灰分含量及pH值：300℃＜400℃＜500℃＜600℃＜700℃；3）官能团测定碱性基团及酸性基团数量：300℃＞400℃＞500℃＞600℃＞700℃；4）持水性：300℃＞400℃＞500℃＞600℃＞700℃＞对照。

参考文献：
[1]张雅坤.不同施肥类型对杨树人工林土壤微生物
功能多样性的影响[D].南京:南京林业大学,2016.
[2]蒋太英,徐凡,甄晓溪,等.生物炭表面水溶活性分
子可以有效提高水稻的耐旱性[J].分子植物育种,
2015,13(6):1223-1232.
[3]孔祥清,韦建明,常国伟,等.生物炭对盐碱土理化
性质及大豆产量的影响[J].大豆科学,2018,37(4):
647-651.
[4]万哲希.臭氧/活性炭系统对焦化废水有机物的去
除性能研究[D].上海:上海大学,2013. [5]简明菲,高凯芳,余厚平.不同裂解温度对水稻秸
秆制备生物炭及其特性的影响[J].环境科学报,
2016,36(5):1757-1765.
[6]Yuan.Molecular and functional of COPT/Ctr-type
copper transporter-like gene family in rice[J].BMC
Plant biol,2011(11):69.
（责任编辑：敬廷桃）。