热解过程中生物炭形成机制及吸水特性研究

同时,对比研究了原材料种类对热解生物炭的理化特性的影响,并结合聚类分析基于生物炭理化特性对生物炭进行分类分析。结果表明,生物质的理化特性对其炭产物特性具有重要作用,麦秆炭具有较高的可溶性物质含量和孔隙结构特性。
聚类分析结果表明热解温度对生物炭的理化特性的影响分为三个温度段:350-450℃、550℃左右、650-850℃;550℃热解温度对生物炭理化特性影响较大。接着,借助恒温恒湿培养装置以及质量在线监测系统研究生物炭吸水过程特性,分析了吸水过程以及生物炭特性对其平衡含水量影响机制,并对生物炭吸水过程进行动力学机理分析,揭示生物炭的吸水作用机理。
热解过程中生物炭形成机制及吸水特性研究
生物炭因可用于解决农业、环境和能源等人类面临的生态安全及可持续发展问题,引起国内外学者的广泛关Байду номын сангаас。生物炭所具有的多孔结构、较强的吸附能力、抗氧化能力和抗生物分解能力等特性,决定了其应用方向及价值,而生物炭的理化特性受热解条件和原材料共同影响。
目前,有关农作物生物炭理化特性的研究相对较少且不全面。吸水特性一方面可表征生物炭的理化特性,另一方面又能反映其在土壤中的应用特性。
虽然生物炭吸水特性及对土壤水分特性的影响已有初步研究,但生物炭吸水特性影响因素及机制还不明确。因此,对生物炭理化特性及吸水特性进行深入系统研究对其生产及利用具有更好的指导作用和参考依据。
鉴于此,本文在国家自然科学基金面上项目“生物炭与土壤混合体系中重金属运移与固定机制研究”的资助下,研究了热解温度和生物质原材料对生物炭理化特性的影响及作用机制,并通过聚类分析方法探究了生物炭理化特性的差异,在此基础上,系统深入研究生物炭平衡含水量变化规律和吸水过程作用机理,最后探索了生物炭对土壤理化特性及吸水特性的影响效果。首先,采用管式炉固定床与红外分析仪等结合研究了热解过程中稻壳炭和麦秆炭理化特性的演变机理,系统分析了热解温度对稻壳炭和麦秆炭理化结构的影响机制。
结果表明,生物炭平衡含水量随外在湿度和温度的增加而增加。Modified Halsey模型能准确预测生物炭的平衡含水量。
敏感性分析表明外在因素中湿度对生物炭的平衡含水量的影响最大,其次为温度和样品量;而内在因素中空隙率对生物炭平衡含水量的影响最大,其次为堆积密度、pH和挥发分。准二级反应动力学方程能很好地描述生物炭的吸水过程特性,三段式内颗粒扩散方程进一步阐明了生物炭对水分的吸附机制,较高的挥发分、氧含量、O/C、pH、总可溶性物质含量和空隙率有利于吸水过程中生物炭含水量增加。
结果表明,随着热解温度的增加,稻壳炭和麦秆炭的炭产率均降低,含氢和氧官能团逐渐分解,而堆积密度、真密度和空隙率增加;比表面积及孔容先增加后降低,在550℃具有最大值。不同热解温度下制得的生物炭均为碱性,稻壳炭和麦秆炭的总可溶性物质含量随热解温度的增加先增加后降低,分别在750℃和550℃具有最高值。
生物炭吸水作用受物理吸附和化学吸附的共同影响,在不同湿度条件下其影响效果不同。最后,研究了麦秆炭添加对土壤理化结构特性及吸水特性的影响规律及机制。
结果表明,麦秆炭使湖北水稻土的pH、TDS和空隙率增加,而降低其堆积密度和真密度;麦秆炭增加土壤的吸湿性,随生物炭添加量增加土壤平衡含水量增加;在不同的湿度条件下,较高的pH、总可溶物质含量以及丰富的孔隙结构有利于含炭土样平衡含水量和持水含水量的增加。