基于高效解离-选择性絮凝耦合作用的煤气化渣提炭实验研究

煤气化渣是由煤气化工艺产生的一种富含铝硅酸盐、灰组分及残炭的大宗工业固体废弃物,其规模化生产对生态环境造成了严重的影响。因此,将煤气化渣进行炭-灰分离是实现其减量化、无害化和资源化利用的关键。以煤气化渣为研究对象,采用高效解离-选择性絮凝耦合作用的工艺,为实现煤气化渣更为合理、高效的资源化利用,减少煤气化渣带来的土壤、空气、水体资源等污染问题,对煤气化渣进行提炭实验研究。首先分析了煤气化渣的理化性质,其次采用单因素变量法探究了磨矿时间、pH、絮凝剂种类、絮凝剂用量、高速剪切转速对煤气化渣提炭实验的影响,以实现残余炭产品的高度富集。结果表明:原煤气化渣灰分质量分数为67.19%,普通湿筛筛上物料灰分质量分数为54.3%,当煤气化渣磨矿时间为5 s, pH为7,絮凝剂聚氧化乙烯用量为0.4 kg/t,在转速为4 000 r/min高速剪切15 min的条件下提炭效果最佳,最终可获得产率为26.6%、湿筛筛上灰分质量分数为43.3%的残炭产品。对比普通湿筛法,基于高效解离-选择性絮凝实验方法在普通湿筛的基础上灰分质量分数降低了11%,降灰效果明显。

采用两步炭化法和熔盐模板法制备N、S共掺杂煤基硬炭及共储钠性能

硬炭因资源丰富、结构稳定及安全性高等优势,已成为钠离子电池常用阳极材料。其中,煤基衍生硬炭受到了广泛的关注。本工作以长焰煤为碳源,硫脲为氮硫源,NaCl为模板,通过两步炭化工艺和杂原子掺杂相结合的方法合成了N和S共掺杂的煤基硬炭(NSPC1200)。两步炭化过程在调节碳微晶结构和扩大层间距方面发挥了重要的作用。N和S的共掺杂调节了炭材料的电子结构,赋予其更多的活性位点;此外,引入NaCl作为模板有助于孔结构的构建,有利于电极和电解质之间的接触,从而实现Na+和电子的有效传输。在协同作用下,样品NSPC1200表现出优异的储钠能力,在20 mA g^(−1)电流密度下呈现314.2 mAh g^(−1)的可逆容量。即使在100 mA g^(−1)下循环200次,仍保持224.4 mAh g^(−1)的比容量。这项工作成功实现了策略性调整煤基炭材料微观结构的目标,最终获得了具有优异的电化学性能的硬炭阳极。

低阶煤基炭材料研究进展

低阶煤因其储量丰富、富含多环芳烃有机物、含碳量高、成本低等特点,被认为是炭材料的优质前驱体。然而,由于不同低阶煤的灰分、微观结构、界面的差异,导致了煤基炭材料结构、性能难以有效调控的问题。近年来,研究人员提出了低阶煤基炭材料微观结构、表界面调控的有效方法。本文重点总结了低阶煤制备吸附活性炭、电容炭、硬炭、石墨和纳米炭材料的差异化策略,进一步讨论了煤种和工艺对煤基炭材料的微观结构、界面特性和官能团种类等的影响。同时介绍了煤基炭材料在吸附、超级电容器和碱金属电池中的应用。最后,展望了低级煤基炭材料未来研究的方向和挑战。

超级电容器用生物质衍生多孔炭材料研究进展

能源消费增加促使绿色能源开发成为趋势,同时推动能源存储系统快速发展,超级电容器以高功率密度和长循环寿命的优势得到广泛关注,其中电容炭材料逐渐成为研究热点。用来源广泛、有可再生性、价格低廉、绿色环保的生物质制备超级电容器用多孔炭材料,在开发绿色能源的同时解决了能源存储问题。多孔炭材料结构调控与性能完善是提高超级电容器性能的重要途径之一。综述了生物质衍生多孔炭材料及其在超级电容器领域的应用,按原料来源(植物、动物和微生物)及材料维度(0D、1D、2D和3D)的分类体系,多孔炭材料制备方法及技术现状。将多孔炭的制备分为炭化和活化,简述了炭化与活化机理、活化方式选择和常见活化剂特性,但生物质衍生多孔炭材料制备过程中影响因素多,且性能不及传统煤基碳材料,需进行多方面设计优化,包括选择生物质前驱体、合理使用炭化技术、调控活化过程各影响因素和选择改性过程中掺杂物等。基于在超级电容器领域的应用需求,重点探讨生物质多孔炭材料优化方式,包括孔结构调控、表面元素掺杂及与石墨烯复合形成新型炭材料等。梳理多孔炭材料用于超级电容器中时的难题与重点,通过寻找多孔炭材料在高比表面积、均匀孔隙分布和高导电性3方面的最优组合,提升电极材料电荷存储能力攻克超级电容器能量密度低的问题,同时确保超级电容器耐压能力达到要求。在此基础上,提出提升材料电化学性能和循环稳定性、确保原料来源稳定性和一致性、逐步实现量产的商业化需要等有望取得突破的研究方向。

水氮炭动态调控对大豆根际土壤环境及其产量品质的影响

为探讨水肥耦合配施改性生物炭对大豆根际土壤理化性质、酶活性及其产量品质等的影响,设置3因素(灌溉量、施氮量和施炭量)3水平正交试验。结果表明:施炭量对土壤理化性质影响最为显著,其次是灌溉量;轻度或中度亏缺灌溉可以显著提高土壤微生物量碳、氮含量;对于土壤酶活性,灌溉量对土壤过氧化氢酶和磷酸酶影响最为显著,轻度亏缺灌溉条件下活性最高;相同灌溉量下,除N-乙酰基-β-D-葡萄糖苷酶外,酶活性都随着施氮量和施炭量的增加而增加;灌溉量对蛋白质和大豆籽粒含油量影响最显著,其他品质指标受水氮炭的影响不显著;基于正交试验的大豆最优产量水氮炭组合试验结果分析,3个因素主次顺序为灌溉量、施炭量和施氮量,大豆产量的最优组合为W1N1B1(即中度亏缺灌溉、氮肥施用量为75 kg/hm^(2)、生物炭施用量为15 t/hm^(2))。研究为认识水氮炭耦合关系、指导云南季节性干旱区大豆优质节水高产高效种植提供理论依据与技术支撑。

生物炭辅配硫酸铵对土壤氮素淋溶的影响

为探究添加生物炭对硫酸铵肥料中氮素释放性能的影响。通过土柱淋溶模拟试验研究不同炭肥比(1∶3、1∶4、1∶5)下制备的生物炭-硫酸铵肥料(BC-AS_(1/3)、BC-AS_(1/4)、BC-AS_(1/5))的氮素淋失特征。结果表明:1)添加生物炭能够有效吸附硫酸铵肥料,减缓硫酸铵的氮素释放速率。3种不同炭肥比下,BC-AS1/4处理的生物炭-硫酸铵颗粒表面最为光滑紧密,成型性最好;2)与常规硫酸铵处理AS相比,不同炭肥处理均显著改善了土壤保水保肥性能,减少了土壤无机氮淋失。其中BC-AS(1/4)处理的铵、硝态氮累积淋出量相较于AS处理分别降低80.83%、11.56%,表现出最小的淋出速率和累积淋失量,缓释效果最好;3)相较于常规硫酸铵处理AS,不同炭肥处理均提高了土柱土壤氮素累积。其中BC-AS1/4处理表现出最好的养分固持效果;4)各土层土壤有机碳含量与土壤全氮呈正相关关系,生物炭-硫酸铵肥料中碳的投入能够有效提高土壤养分的持有能力。综上,生物炭-硫酸铵肥料能够有效减缓氮素释放速率,减少氮素养分淋失,提高土壤养分持有能力,有利于提高肥料利用效率。其中炭肥比为1∶4时生物炭与硫酸铵结合效果最好,表现出最佳的缓释效果及培肥特征。

含不同官能团溶聚丁苯橡胶与炭黑和白炭黑复合材料的性能

通过官能化引发剂合成改性溶聚丁苯橡胶Sn-SSBR和Si-SSBR,分别与炭黑和白炭黑进行复配,采用密炼过程控制仪、填料分散仪,橡胶加工分析仪、无转子硫化仪和动态热力学分析仪等对复合材料混炼过程能耗、温升、混炼胶门尼黏度,硫化胶物理机械性能和动态性能进行了研究。结果表明,Sn-SSBR比Si-SSBR更容易与炭黑亲和,表现为前者与炭黑混合过程的加工能量损耗小,混炼胶门尼黏度低,综合物理机械性能好,具有更好的高抗湿滑和低滚动阻力的平衡性;而后者更容易与白炭黑亲和,表现为白炭黑在其中分散更均匀,具有更好的低滚动阻力性能;两者均可用作绿色轮胎胎面胶。

生物炭对新烟碱类农药的吸附性能与环境应用评估

农药的广泛高剂量使用对生物产生严重的毒性作用,造成严重的土壤污染和水污染。农药污染问题日益突出,迫切需要经济、有效的农药污染土壤修复处理技术加以解决。生物炭具有比表面积大、孔隙度高、吸附能力强等特点,可以吸附污染土壤中的农药,改善土壤状况,是一种具有广阔应用前景的生物材料。近年来,人们通过制备改性生物炭来提高生物炭的理化性能和吸附性能,为生物炭的应用开辟了新道路。详细阐述了生物炭的特性、新烟碱类农药的危害、生物炭对新烟碱类农药的吸附以及生物炭再生方法,以期为修复新烟碱类农药污染提供一定的参考和指导。此外,通过比较生物炭再生方法,为今后选择经济、有效、简便的生物炭再生应用提供参考。

反冲洗对4种换炭模式下生物活性炭层生物量和水质指标的影响

以水厂砂滤池出水作为生物活性炭柱的反冲洗水,研究了4种换炭模式下反冲洗前后炭层中生物量和出水水质指标的变化情况。结果表明,旧炭(已经运行使用3年的颗粒炭)的装填比例对炭层中生物量和出水水质指标均有不同程度的影响。通常情况下,全新炭柱上的生物量略高于旧炭,但反冲洗后旧炭比例高的炭柱生物量损失率更低。气水先后反冲洗后总生物量的损失率比单独水冲后总生物量的损失大,但附着生物量的损失基本不变,说明生物活性炭池可尝试使用单独水反冲洗。除高锰酸盐指数(COD_(Mn))变化不明显外,紫外吸光度(UV_(254))、可溶性有机碳(DOC)、生物可降解溶解性有机碳(BDOC)、生物不可降解溶解性有机碳(NBDOC)和三卤甲烷生成潜能(THMFP)的去除率在反冲洗后均有不同程度的上升。因此,反冲洗有利有弊,它既能冲刷掉部分附着在活性炭上的生物膜,对生物的冲刷力较强,同时又能恢复活性炭的吸附能力,使有机物的去除效果增强。反冲洗对填装精制新炭的4#炭柱炭层的吸附容量的恢复力最强,但其生物量的损失率却最大,说明相对于填装粗制新炭的3#炭柱,4#炭柱上的生物系统抵抗水力冲刷能力相对较弱,因此,精制或粗制炭的选择应根据活性炭池是主要发挥其吸附能力还是生物降解能力的需要进行。

不同龄期生物炭混凝土力学性能试验研究

将生物炭用于混凝土材料可改善其力学性能,实现固碳的同时丰富了生物质材料固废利用的途径。为研究不同龄期下椰壳、玉米秸秆、稻壳3种生物炭混凝土的工作性能与力学性能,将它以不同质量百分比替代水泥制备生物炭混凝土,对生物碳混凝土的塌落度、基本力学性能展开试验研究。采用SEM和XRD观察生物炭混凝土微观结构与水化产物。结果表明微观结构上生物炭促进了混凝土中水化硅酸钙的生成,水化产物间搭接密实,填充内部孔隙,增加密实程度,进而提升混凝土的宏观力学性能;生物炭可使混凝土7、14 d早期强度显著提升,早期抗压强度最高可提升19.7%,劈裂抗拉强度最高可提升21.7%,抗折强度最高可提升17.3%。

连续式生物质热解炭化设备设计与试验

针对现有生物质热解炭化设备生产效率低、设备运行不稳定、生产连续性差及需引用外部热源加热致使耗能高等问题,采用热解可燃气回燃利用方案,设计了一种双筒回转连续式生物质热解炭化设备。详细介绍了生物质热解炭化设备的结构和工作原理,并进行热解炭化试验测试。试验表明,热解温度450℃、物料平均滞留时间30 min时,生物质热解炭化设备纯小时生产率103.8kg/h、生物炭得率34.6%和出炭温度47℃,各项性能指标均达到设计要求,可实现连续运行生产生物炭。

甘肃省炭素产业发展现状及对策建议

炭素产业是国家重要原材料产业。炭素产品具有耐高温、耐腐蚀、抗热震及导电性能好等优良特性,被广泛应用于冶金、有色、化工、机械制造、航空航天、核工业、新能源等领域。甘肃省炭素产业起步于20世纪60年代中期,经过六十多年发展,已成为全国重要的炭素产品生产研发基地。目前全省已形成以石墨电极、预焙阳极、高炉炭砖等传统炭素产品为主,石墨负极材料、炭/炭复合材料、炭纤维制品等新型炭素产品共同发展的产业格局。

水基炭黑-胶原蛋白纳米流体制备及稳定性实验

纳米流体由于其优异的光热转换性能,已成为新型太阳能集热介质的研究重点;但因其稳定性差、制备工艺复杂,未能在实际应用中得到推广。本文以去离子水为基液,通过两步法制备炭黑-胶原蛋白纳米流体。探究了材料添加顺序、胶原蛋白种类、超声时间、材料配比以及溶液pH等对纳米流体稳定性的影响。结果表明,制备水基炭黑-胶原蛋白纳米流体时,先分散炭黑再加入胶原蛋白可以提高其稳定性;猪皮胶原蛋白更适用于炭黑-胶原蛋白纳米流体的制备;超声45min,炭黑胶原蛋白质量配比为1/20,悬浮液pH在6.5~7.5之间制备得到的纳米流体稳定性较好。本研究有助于今后水基炭黑-胶原蛋白纳米流体产业化应用于太阳能光热转换领域。

生物炭基肥制备及其农业应用研究进展

生物炭是碳化的生物质材料,具有比表面积大、孔隙度大、官能团丰富和吸附性能好等优点,被广泛应用于工业、农业等行业的实际生产。然而,在农业生产过程中,单独使用生物炭存在养分易流失和肥料利用率较低的问题。因此,以生物炭为载体制备而成的生物炭基肥作为一种新型缓释肥料而受到广泛关注。然而,关于生物炭基肥制备方法及其优点和局限性缺乏系统而全面的报道。对近年来生物炭基肥的组成、制备方法及其在农业中的应用进行总结归纳,讨论不同生物炭原料、肥料和黏结剂对生物炭基肥性能的影响;归纳掺杂法、造粒法、包膜法和吸附法4种生物炭基肥制备方法的优缺点;分析生物炭基肥作为肥料,在改善土壤理化性质、土壤微生物和土壤酶以及提高作物产量和品质方面的影响。结果表明,以生物炭为载体与不同肥料通过不用方法制备而成的生物炭基肥,不仅能够实现废弃物的资源化利用,还能改善土壤的理化性质,调节土壤微生物和酶活性,提高植物对养分的利用效率以及减少土壤中的养分流失。可见,生物炭基肥是促进农业绿色可持续发展的可行途径。

生物炭对微塑料污染下普通白菜生长和土壤细菌群落结构的影响

采用盆栽试验,以四季小白菜为试材,研究了施用生物炭对不同微塑料类型(PP、PE、PVC)污染下普通白菜生长、土壤细菌群落结构和丰度的影响,并进行了功能预测分析。结果表明,微塑料污染对普通白菜鲜质量和叶片数有抑制作用,施用生物炭对微塑料污染下的普通白菜鲜质量、株高和根长均有促进作用。微塑料及其与生物炭共存处理显著增加了土壤细菌丰度,其中PER处理土壤细菌丰度最大;PE、PVC及其与生物炭共存处理均显著促进土壤细菌Chao1指数和ACE指数增加。在门水平上,放线菌门、变形菌门、绿弯菌门、厚壁菌门、酸杆菌门为优势类群;微塑料及其生物炭共存处理促进了放线菌门相对丰度的增加,抑制了变形菌门、酸杆菌门相对丰度。土壤p H以及有机碳、铵态氮、硝态氮、速效钾含量是土壤细菌群落结构变化的主要影响因素。PICRUSt分析表明,施用生物炭提高了微塑料污染下土壤新陈代谢、环境信息处理和有机系统等有益细菌代谢通路的相对丰度。综上,施用生物炭对微塑料污染下土壤微生物影响较大,但其影响程度因微塑料类型而异。

磁性生物炭合成及其对重金属吸附机制的研究进展

磁性生物炭(Magnetic biochar,MBC)因其磁分离能力和广阔应用前景而受到研究者广泛关注。MBC中碳基结构特征(如形貌、比表面积、官能团等)和铁氧化物形态及分布受多因素影响,如原料来源、热解温度、合成方法等。然而,MBC特性与合成条件的关联性以及MBC对重金属的吸附机制有待进一步研究。本文通过阐述合成条件对MBC特性的影响及其吸附重金属机制,提出关于未来MBC吸附重金属研究的一些科学问题,这将为认识MBC的环境效应提供重要的基础信息。

减氮施炭对温室膜下滴灌黄瓜土壤呼吸和氮素气态损失的影响

为降低温室蔬菜过量施氮的不利影响,明确减氮施炭条件下温室膜下滴灌黄瓜土壤呼吸和氮素气态排放特征,以不覆膜不施炭(CK)为对照,设置覆膜(M)、覆膜施炭(MB)、覆膜施炭减氮(MBN_(80%))共4个处理,对覆膜条件下减氮施炭处理对黄瓜产量、耗水量、土壤养分动态、土壤呼吸、N_(2)O排放和氨挥发的影响进行探讨。结果表明:与CK相比,M可降低温室膜下滴灌黄瓜全生育期耗水量20.95%,提高水分利用效率41.03%,降低0~20 cm表层土铵态氮48.12%,降低全生育期氨挥发32.35%、N_(2)O排放量14.34%和CO_(2)排放量12.68%(<0.05)。施炭后,与CK相比,MB可降低耗水量28.37%,提高水分利用效率55.60%,降低表层土铵态氮30.0%,提升硝态氮12.37%,有机质56.28%,降低氨挥发36.68%、N_(2)O排放18.64%,但却显著增大了CO_(2)排放4.66%(p<0.05)。同M对比,MB可在M基础上,进一步提升表层土有机质和铵态氮含量,降低氨挥发,但促进了CO_(2)排放。覆膜施炭减氮20%后,与CK相比,MBN_(80%)可增产25.47%,降低耗水量32.43%,提升水分生产率72.67%,降低表层土铵态氮56.33%,增加有机质51.72%,降低氨挥发40.48%、N_(2)O排放20.79%(p<0.05)。CK全生育期全球增温潜势(global warming potential,GWP)和活性氮排放分别为13.57 t·CO_(2)-eq·hm^(-2)和6.54 kg·hm^(-2),M可显著降低GWP(14.15%)和活性氮排放(27.37%);在M基础上施炭,将进一步降低活性氮排放,但导致GWP显著增大;而在MB基础上减氮20%,可同时显著降低GWP和活性氮排放(p<0.05)。与CK相比,MBN80%在通过施炭20 t·hm^(-2),减氮20%条件下,实现增产25.47%,降低耗水量32.43%,增加有机质51.72%,增加收入17.52%,降低活性氮排放35.32%和GWP 2.28%,也可在MB的基础上,进一步实现增产,降低氨挥发,并破解M和MB处理CO_(2)排放增大的问题(p<0.05)。研究揭示了减氮施炭条件下温室膜下滴灌黄瓜土壤呼吸和氮素气态排放特征,为实现温室蔬菜节水增产固碳减排提供理论依据和技术支撑。

化肥减施下不同生物质炭对大棚辣椒生长及产量品质的影响

通过田间试验,考察化肥减施条件下两种小麦秸秆生物质炭在辣椒生产上的应用效果。结果表明,在氮磷钾总养分量减少30%以上的条件下,生物质炭1号(T1)、生物质炭2号(T2)均可明显改善土壤理化性质,提高大棚辣椒的产量与品质。与不施生物质炭(CK)相比,T1和T2处理的土壤有机质含量分别提高了15.57%和30.54%,辣椒产量分别提高了16.28%和12.66%,差异均显著;T1处理辣椒果实干物质、VC含量均最高,T2处理的可溶性糖、蛋白质含量均最高。综合对比两种生物质炭施肥处理效果,T1处理促进辣椒增产的效果较好,T2处理提升辣椒品质的效果较好。

棉秆和油页岩共热解生物炭的氨氮吸附性能研究

使用棉秆(CS)和油页岩(OS)为原料,采用共热解的方式制备了共热解生物炭,探究了对氨氮的吸附性能。考察了不同热解时间、CS和OS比例、热解温度、CS的粒径对共热解生物炭的氨氮吸附量的影响规律,确定了最佳制备条件,并研究了吸附动力学和吸附等温线模型。研究表明,棉秆和油页岩共热解后生物炭的结构特性和表面形貌有较大改善,对氨氮的吸附能力有明显的提高。最佳的制备条件是热解温度为500℃、m(棉秆)∶m(油页岩)=3∶1、热解时间为30 min和CS的粒径为0.20~0.30 mm。在投加量为10.0 g/L、pH 9.0时,最佳条件所制备炭的吸附量为4.89 mg/g,是棉秆生物炭的2.2倍。吸附过程以准二级动力学和Langmuir等温吸附模型描述。吸附机制主要包括为离子交换、静电吸附和配位作用。

生物炭基产品及其对土壤培肥改良效应的研究进展

生物炭疏松多孔,具有很强的吸附和抗分解能力,其在农业中的应用不仅实现了秸秆资源的有效利用,还对改良土壤、减少化肥使用、增强土壤固碳能力和降低温室气体排放具有重要意义。然而,生物炭直接用作肥料时,由于其养分含量相对较低,运输和储存成本较高,加之易引起粉尘污染等问题,限制了其在农业中的广泛应用。近年来,将生物炭作为载体或特定功能组分,开发新型土壤培肥改良产品及配套技术,成为推动可持续农业发展的重要方向。通过养分合理组配和控制释放,生物炭基产品不仅能改善土壤结构、提高养分利用率,还能缓解土壤障碍、改善作物生长条件,已成为当前本领域研究热点。本文综述了生物炭基产品的类型、制备工艺、性能评价和在土壤改良与培肥中的应用,指出其对提升土壤质量、促进作物增产和环境保护具有显著效果,未来需加强新材料和技术研发,完善检测标准,加快示范推广,并关注其长期应用的生态环境效应。