磷酸二氢钙与生物质共热解提高生物炭固碳效果

2017-05-22田震亚

中文信息 2017年3期

田震亚

摘要：我国是能源大国，每年向空气中排放的碳元素是巨大的，我国政府在固碳和碳元素的减排能力方面面临着的巨大压力。而在碳元素减排过程中通过利用相应的生物技术和废弃的物质开展生物炭制备逐渐成为社会大众普遍关注的研究领域。生物质在向着生物炭转化过程中会产生生物油和生物混合气体等生物能源物质，进一步减小化石燃料的排放，同时，生成的生物炭进入土壤之后能够切实改善土壤的理化性质，提高土壤固碳能力，减少肥料的使用量，促进农作物增产增收。本文主要以锯末和鸡粪作为原料，通过向其中添加上磷酸二氢钙和生物质原料开展研究，分析磷酸二氢钙与生物质共热解提高生物炭固碳效果，希望通过本次研究对同行有所帮助。

关键词：磷酸二氢钙生物质热解生物炭固碳效果

中图分类号：S156.2 X142 文献标识码：A 文章编号：1003-9082（2017）03-0272-01

生物炭的固碳效果取决于生物质向着生物炭热解碳化和生物炭进入土壤进行封存的两个过程，而在热解碳化反应过程中如何制备出中碳保留量高和稳定性强的生物炭产品就显得尤为重要。最近国内外参考文献围绕生物质类型、热解工艺等生产条件进行了大量的研究，而对添加物的研究较少。有文献指出向玉米秸秆中添加适量的磷酸二铵进行生物炭制备，能够显著提升生物炭的生产效率。但是对于添加矿物质和生物质共热热解，对生物炭中碳元素的保留量和碳稳定性的研究较少。基于此，本次研究主要参考前人研究基础上，对磷酸二氢钙与生物质共热解提高生物炭固碳效果进行了研究，现将研究内容报告如下：

一、材料和方法

1.材料选取

本次研究过程中选择中锯末和鸡粪作为生物质原料，将上述材料风干后粉碎处理，使用100目筛筛选之后就可以使用了。共热矿物质材料选择使用磷酸二氢钙。实验过程中将锯末和鸡粪与磷酸二氢钙按照一比四的比例进行混合，然后将磷酸二氢钙与锯末以及鸡粪的混合材料分别放入到指定的生物炭热解装置，然后向装置中融入氮气，在氮气的保护下进行热解反应。实验过程中采用逐段升温的方式，现将热解装置升温到200度，作用一个小时后再升高到300度，作用一小时升到400度，直至升高到500度作用一小时。本次实验过程中设置锯末和鸡粪未添加磷酸二氢钙两个组别作为对照，添加脸酸二氢钙的锯末和鸡粪组分别命名为N1和N2，未添加磷酸二氢钙的锯末和鸡粪组命名为M1和M2。

2.生物炭分析方法

首先，生物炭的PH值、元素组成和比表面积测定按照相应的研究文献中进行；其次，生物炭保留量测定按照如下公式计算：C=（Cbc·Mbc/Mbm·Cbm+Ma·Ca）·100%，在这个公式Mbc为共热解后固体残留物的质量单位为g，Mbm为生物质质量，单位为g，Cbc为生物质原料的碳含量，单位为%，锯末和鸡粪的原料的碳质量分数分别为44.4%和38.0，Ma为添加磷酸二氢钙的质量，单位为g，Ca为添加物磷酸二氢钙的含碳量，单位为%；再次，生物炭化学稳定性测定。取一定量的生物炭粉末，放入试管中加入过氧化氢，混合均匀后水浴80度氧化2天，自然冷却后称取质量，测定残留物中的含碳量，每次测试重复三次，根据損失量来表示生物炭的化学氧化稳定性；最后，生物炭的微生物矿化稳定性。称取一定量的生物炭和一定量洗净的石英砂，放入20ml真空玻璃瓶内，向其中加入营养液和接种液，30度环境下培养60天，分别在培养的第1天、5天、12天、24天、36天、48天和60天进行采样测定。采样过程中密封玻璃瓶，选择相应的方法玻璃瓶中的空气排出去二氧化碳的空气置换出来，密封24小时，采用气相色谱法测定真空瓶中的二氧化碳含量。

二、结果

1.生物炭的理化性质分析

在生物质热解转化生物炭过程中，通过添加磷酸二氢钙对生物炭的PH值，生物炭含碳量，氢碳比都产生的了不小的影响，添加了磷酸二氢钙后生物炭的比表面积增加。详细情况见表1所示。

2.生物炭碳保留量

本次研究过程中生物炭碳保留量如表1所示，添加磷酸二氢钙比未添加磷酸二氢钙的生物炭炭保留量增加了30%和25%以上的量。详细情况见表2所示。

3.生物炭化学稳定性分析

未添加磷酸二氢钙的锯末生物炭被过氧化氢氧化后，高达65%以上的碳损失，而处理过的生物炭稳定性显著增强。相反的改性后鸡粪生物炭化学稳定性显低于改性前，说明生物炭化学稳定性取决于生物炭原料。详细情况见表3所示。

4.生物炭微生物矿化稳定性

未添加磷酸二氢钙的锯末和鸡粪中12天前排放速率最大随后趋于稳定，而经过处理的生物炭相对于未处理的生物炭更加稳定，这说明添加磷酸二氢钙能后显著抑制二氧化碳的排放。详细情况见表4所示。

三、结论

1.在生物质热解过程中添加磷酸二氢钙是一个减少热结果碳损失并提高生物炭保留量的有效手段。

2.磷酸二氢钙改性生物炭的化学稳定性取决于生物炭原材料类型。