朱启林, 曹 明, 张雪彬, 陶 凯, 柯用春*, 孟 磊

(1.三亚市南繁科学技术研究院,海南 三亚 572000； 2.海南大学 热带作物学院,海南 海口 570228)

生物炭是生物质在少氧或缺氧条件下高温热解炭化(通常<700 ℃)得到的一种难溶的、稳定的、高度芳香化的黑色蓬松固体物质[1],因其具有丰富的表面活性官能团、较多的孔隙度、较大的比表面积而具有吸附能力强的特性[2]。生物炭的理化性质不但受制备原料影响[3],也因热解温度[4]及生产工艺[5]等不同而有所差异。当前,制作生物炭的原料有作物秸秆、动物粪便和污泥等[6-7],作物秸秆是生物炭原料的重要来源,其中禾本科作物在农业生态系统中占有相当大的比重[8]。国内外针对禾本科的水稻秸秆[9]、玉米秸秆[10]和甘蔗渣[11]等为原料制备的生物炭进行了制备条件、理化性质及应用效果等研究,发现其不但具有增强土壤保水保肥能力[12],还有很强的吸附能力和较高的阳离子交换量[13]。生物炭制备原料决定着生成炭的理化特性[14],孙涛等[15]发现不同原料制备的生物炭在工业分析、孔隙率及比表面积等方面差异明显。热解温度对生物炭的产率及理化特性影响较大[16]，简敏菲等[17]对不同裂解温度水稻秸秆生物炭进行研究,发现裂解温度越高越利于生物炭孔隙结构的发育和微孔的形成,可以通过提高裂解温度来生产符合需求的生物炭。高热解温度虽然会降低生物炭的产率,但可以促进生物炭芳香结构形成,增大比表面积,提高其吸附能力等[18-19]。

土壤碳氮含量是表征土壤质量的重要指标,碳氮比的高低对植物生长发育具有重要影响,生物炭施入土壤后,可以起到调节土壤碳氮含量的作用。大量研究指出,生物炭可以对土壤温室气体排放起到抑制作用,张晟等[20]发现500 ℃制备的水稻秸秆生物炭施入土壤后温室气体排放最低。目前国内生物炭研究主要集中于材料类型、制备温度对其生物炭理化性质的影响。生物炭的这些性质又由其表面特征和化学结构特性决定,但这方面的研究甚少,尤其缺乏相同科属植物原料在不同温度下的生物炭比较分析。因此,本研究选取4种禾本科植物为原料,在厌氧条件下分别于300、 500和700 ℃热裂解制备生物炭,在选择合适热裂解温度的同时,对比分析原料种类对生物炭的元素含量、表面结构等理化性质的影响,以期为生物炭制备工艺和农业固碳减排提供依据。

1 材料与方法

1.1 原料、试剂及仪器

王草、水稻秸秆、甘蔗渣和玉米秸秆，海南省三亚市南繁科学技术研究院提供；浓硫酸、溴化钾、氢氧化钠、硼酸、双氧水,均为分析纯。

KTF管式真空气氛电阻炉，江苏宜兴市前锦炉业设备有限公司；Nicolet 6700傅里叶变换红外光谱仪,美国尼高利仪器公司；CNS 2000元素分析仪,美国LECO公司；S-3400 N扫描电子显微镜,日本日立公司；……