王金钢 郑嘉玲 刘颖
内蒙古科技大学 生命科学与技术学院 内蒙古 包头 014000
摘要：许多研究表明热解温度、热解工艺、原料类型是影响生物炭的理化特性的重要因素。然而目前尚没有确定在特定热解温度、热解工艺以及原材料下制备的生物炭性态特征的研究。为此，本文旨在综合分析以上三种因素对生物炭性态特征影响，以帮助学者、生物炭生产商和相关从业人员从不同出发点选择合适的生物炭制备参数。为特定条件下生物炭特性预测提供了理论依据和技术支撑。研究结果对解决特定环境问题和促进作物生长的功能性生物炭产品的设计与生产提供了良好的理论支撑。
关键词：生物炭；热解温度；热解工艺
Effects of pyrolysis temperature, pyrolysis process and raw material type on physicochemical properties of biochar
Abstract：Various studies have established that feedstock choice, pyrolysis temperature, and pyrolysis type influence final biochar physicochemical characteristics. However, overarching analyses of pre-biochar creation choices and correlations to biochar characteristics are severely lacking. Thus, the objective of this work was to help researchers, biochar-stakeholders, and prac- titioners make more well-informed choices in terms of how these three major parameters influence the final biochar product. Results can be used to create designer biochars to help solve environmental issues and supply a variety of plant- available nutrients for crop growth.
Key words: Biochar; Pyrolysis temperature; pyrolysis technology
1. 引言
生物炭是在限氧条件下，在相对较低的温度(300-700°C)下通过生物质热解产生的富含碳的一种环境友好型材料[1]。农林业废物、市政废物和食品废物等生物质都可以作为生产生 物炭的原料。生物炭将生物质中的 C 转化为非常稳定的 C，使生物炭可在土壤中存在数百年 甚至数千年。因此，生物炭输入土壤有望减少温室气体排放，帮助缓解气候变化。
短期时间范围内(一到几年)，生物炭已被证明可以通过吸收重金属和有机污染物来改善环境质量、增加土壤持水能力、减少温室气体排放并改善作物生长。为了达到以上目的，虽然原料选择是非常重要的，但热解温度和热解工艺也很重要。因此，明晰原料、热解温度 和热解工艺(即快速或慢速热解)对生物炭特性影响，将有助于制备功能性生物炭选择合适的工艺参数。原料选择是影响生物炭特性的重要因素。相对而言，木质生物炭 C 含量高和有效态养分含量低，粪便生物炭则与之相反，而草类生物炭通常介于木质和粪便生物炭之间。 但是，这些性质也因热解温度和热解工艺不同而改变。热解温度和热解工艺对生物炭化学和 结构特性起着关键作用。例如，随着热解温度的升高，养分的利用率发生急剧变化[3]。具体而言，随着热解温度的升高，通常会观察到生物炭中 C、磷(P)、钾(K)、钙(Ca)、灰分、 pH、比表面积(SSA)的增加以及氮(N)、氢(H)和氧(O)含量减少。生物炭特性主要 来源于生物质热解过程中将 C 转化成更加稳定的形式，并且形成 P、K、Ca 氧化物/碳酸盐矿物相，产生大量的灰分和更高的 pH 值，而 N、H 和 O 通过挥发部分损失，挥发损失进一步提高了其他元素在生物炭中的占比[4]。与快速热解相比，慢速热解得到的生物炭通常具有更高 N、硫(S)、有效 P、Ca、镁(Mg)、比表面积和阳离子交换容量(CEC) [5]。生物炭的性态特征已经获得科学家们广泛的关注。不同原料选择、热解温度和热解工艺组合条件下产生的生物炭的性态特征已经有颇多研究。然而，这些因素将如何影响生物炭形态特征并不清楚。
因此，本文通过综合现有文献，从原料选择、热解温度和热解工艺对生物炭性态特征影响进行全面分析总结，以期实现对特定生产条件下生物炭的性态特征预测，并且帮助以改良土壤，修复土壤污染等不同期望的生物炭需求者做出有效决策[6]。因此，本文旨在通过对生物炭制备过程中原料选择，热解温度，热解工艺对其性态、营养元素总量、有效态营养元素含量等，明确生物炭输入带来的农业效益。
2. 生物炭理化特征
2.1热解工艺
一般来讲，慢速热解使用较低的温度加热速率(0.01~2°C s-1)，如果进行适当的调整，可以产生近似等量的固体(即生物炭)、气体和液体产品[7]。快速热解在热转化过程中加热速率 较高(> 2°C s-1)且停留时间较短(<2 s)，可提供更高的生物油产率(75%)，但气体和生物炭产量较少[8]。与慢速热解相比，快速 热解制备的生物炭 SSA 更高和 APS 较低。与快速热解相比，慢速热解制备的生物炭 CCE 和灰分含量高。随着灰分含量的增加，酸性官能团减少，矿物氢氧化物和碳酸盐相增加。灰分含量的增加也与 CCE 密切相关[9]。
2.2原料选择
原料性质是影响生物炭特性的重要因素。与其他原料相比，木质生物炭通常具有更 高的 SSA 和 PV，这是由于热解过程将相对较大的木质孔结构转化为较小的孔，从而增加整 体的 SSA 和 PV[10]。生物质热解过程中气体或水挥发，微分子有机化合物也会损失，因此生物 炭基质内产生空隙，增加SSA和PV。相反，由粪便/生物固体产生的生物炭通常表现出相对 较低的 SSA。这可能是由于这一类生物炭孔隙本就较少，加之在热解过程中结构发生变形 (结构破裂或微孔堵塞)所以降低了 SSA。与木质生物炭相比，农作物废料和其他草和粪便 /生物固体生物炭 CEC 和 pH 较高[11]。热解过程中氧化表面和无机官能团的形成、高 pH 以及 灰分中存在的不溶性沉淀均是生物炭 CEC 的重要来源。灰分含量与 CEC 呈正相关关系，随 着木材、作物、其他叶、草、粪便/生物固体生物炭中灰分含量依次增加，因此粪便生物固体生物炭的 CCE 也往往是最大的。这可能主要是由于热解过程中氧化物和氢氧化物矿物相沉淀所致[12]。
2.3热解温度
热解温度对生物炭灰分含量和比表面积具有重要影响，比表面积随热解温度的升高而增加[13]。这是主要是由于热解过程中固体基质收缩，使相对较大的孔变小，增加整体 SSA。由于热解温度的升高增加了生物炭灰分中的固相氢氧化物和碳酸盐相，因此 pH 值随之增加[14]。
3. 结论
明晰热解工艺、热解温度和初始原料对最终生物炭特性的影响，有助于帮助研究人员和 从业人员制备满足农业环境需求的生物炭。与快速热解相比，慢速热解导致生物 炭含有更高的 SSA、CCE、灰分、有效铁和 NO3--N 浓度。
热解温度对生物炭的稳定性影响很大，大于 500°C 制备的生物炭通常半衰期更长(> 1000 年)。高温热解生物炭碳结构更稳定，SSA更大，且能改善土壤通气性、渗滤、渗透功 能及其物理结构，这也表明了高温热解可有利于土壤长期改良和碳固存。
原料选择是影响生物炭性质的最重要因素。与其他原料相比，通常木质原料生物炭的 SSA 最大。与木材生物炭相比，作物废弃物、草和粪便/生物固体生物炭的 CEC 更高，这对土地施用后的养分吸收有重要影响。部分有效态元素可通过生物炭营养元素总量预测。通过 收集到的数据集，我们可以合理地预测:(1)软木、玉米、猪粪和牛粪生物炭中的有效氮; (2)玉米、小麦和稻草/稻壳生物炭中的有效磷;(3)硬木、软木和小麦生物炭中有效钾。研究结果将对设计生产特定特性的的生物炭提供理论支撑。
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