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。

快速和慢速热解对棉秆生物炭理化特性及土壤持水量的影响

以新疆棉秆为原料,在300~700℃下利用快速和慢速热解方式制备了生物炭,研究了快速和慢速热解对棉秆生物炭形貌、表面官能团、pH值、元素组成的影响.利用室内土柱试验,研究了不同条件下制备的生物炭对土壤持水量的影响.结果表明:1)随着热解温度的升高,生物炭产率下降,pH值提高,孔隙度增加.快速热解生物炭具有孔隙发达、芳香性高、稳定性强的优点.2)土壤持水量随着生物炭添加量和热解温度的升高而提高.生物炭添加量为0.03 g/g时,土壤持水量分别为51.7%和49.7%,比未添加生物炭提高了32.5%和27.4%.3)添加生物炭土壤15 d后保水量仍有40.3%,远高于纯土壤,且添加快速热解生物炭的土壤保水量高于慢速热解生物炭.

生物发酵前处理生物炭对亚甲基蓝的吸附研究

原始生物炭由于比表面积小、官能团含量低,吸附性能受到影响。为提高生物炭的吸附性能,以棉秆生物质为基质,采用生物质微生物发酵前处理结合低温热空气碳化(TAT)技术制备高比表面积、高含氧官能团的生物炭,并通过扫描电镜(SEM)对发酵前后棉秆生物质的形貌进行表征,采用N_(2)吸附-脱附实验、傅里叶红外变换(FT-IR)、拉曼光谱对所制备生物炭的比表面积、官能团进行分析。结果表明,微生物发酵前处理所得的棉秆生物质表面附着大量微生物,微生物的分解作用破坏了生物质形貌结构,使所制备的生物炭的比表面积由0.01 m^(2)/g提高至20.53 m^(2)/g,C—O及其他含氧官能团含量大幅增加。吸附实验表明,微生物发酵前处理所得的棉秆基生物炭对亚甲基蓝(MB)的吸附容量为64.9 mg/g,是直接碳化制备的生物炭吸附容量的8倍;发酵前后棉秆生物质所制备的2种生物炭对MB的吸附均符合准二级动力学模型,其吸附过程受生物炭活性位点数和生物炭层状结构的控制;羟基在生物炭和MB之间的相互作用中起着关键作用,是主要的活性吸附位点。

Influence of the Addition of Cotton Stalk during Co-pyrolysis with Sewage Sludge on the Properties, Surface Characteristics, and Ecological Risks of Biochars

Sewage sludge produced by municipal sewage treatment plants can potentially be used as a biomass energy source because of its high organic content.Presently,the conversion and utilization of rapidly growing amounts of sewage sludge represent an urgent challenge in China.Thermal conversion of sewage sludge to biochar through pyrolysis is a promising solution to this problem.However,biochar produced by pyrolysis of sewage sludge alone has a poor pore structure as a result of its low C content and high ash content.Furthermore,it is enriched in heavy metals that may pose high ecological risks.In this study,we addressed these issues through co-pyrolysis of sewage sludge and cotton stalks(1:1,wt./wt.)at different pyrolysis temperatures ranging from 350℃ to 750℃.The properties and surface characteristics of the biochars were investigated.Meanwhile,the transformation behavior of heavy metals during the co-pyrolysis process was studied,and the potential ecological risks of heavy metals in biochars were assessed.The results showed that elevated pyrolysis temperatures reduced the biochar yield and C content of the biochars,whereas such temperatures increased the pH value and ash content of the biochars.The biochars prepared at different pyrolysis temperatures were all mesoporous materials.The elevated temperatures promoted the transformation of heavy metals from mobile fractions to stable ones,thus resulting in a significant decrease in the ecological risks.In summary,co-pyrolysis of sewage sludge with cotton stalks proved to be a feasible method for the conversion and utilization of sewage sludge.

棉花秸秆及其生物炭对滴灌棉田氨挥发的影响

土壤氨挥发是干旱区农田氮肥损失的重要途径之一，通过田间试验研究了施用棉花秸秆及其生物炭对滴灌棉田土壤无机氮含量及氨挥发的影响。试验设对照、施用棉花秸秆（12 t·hm-2）和等碳量生物炭（4.5 t·hm-2）三个处理，每个处理设置不施氮肥和施氮450 kg N·hm-2两种条件。试验结果表明，施用棉花秸秆和生物炭可显著降低土壤 NH＋4-N 含量，分别较对照降低8.01豫～19.88豫和5.49豫～9.90豫。棉花秸秆及其生物炭处理土壤 NO-3- N 含量和脲酶活性在不施氮肥条件下显著降低，而在施氮肥条件下显著增加。不施氮肥条件下，棉花秸秆和生物炭处理土壤氨挥发较对照分别降低22.06豫和21.27豫；而在施氮450 kg N·hm-2条件下，分别降低30.58豫和40.59豫。因此，棉花秸秆及其生物炭还田都可以减少滴灌棉田氨挥发，其中生物炭还田效果更显著，是一种更好的秸秆利用方式。

施用生物炭对灰漠土养分及棉花生长的影响

【目的】生物炭作为一类富含碳、高度芳香化和稳定性高的有机物质,是改良农业土壤,维持和提高土壤肥力的重要途径。研究施用生物炭对灰漠土养分及棉花生长的影响。【方法】以450℃炭化1 h的棉秆炭为试材,研究添加耕层土重的0、1.5%(1.5Bc)、3.0%(3.0Bc)、6.0%(6.0Bc)棉秆炭对灰漠土土壤养分及棉花生长的影响。【结果】添加棉秆炭对全量养分影响不明显,但提高了灰漠土碱解氮和速效钾含量,相比对照CK处理增加在31.27%~44.10%和36.4%~98.5%(P<0.05),比NPK处理,速效钾含量增加了29.4%~88.3%;CEC随添加量的增加而增加;棉秆炭的添加,降低了土壤的p H值,1.5Bc添加量降低更明显,降低了0.13个单位;另外添加棉秆炭显著提高了棉花的产量,比对照CK增加7.9%~21.3%,而NPKM比CK增产12.4%;也提高了对棉花茎粗、株高及生物量等的影响,但不显著(P>0.05)。【结论】棉秆炭的添加提高了阳离子交换性能,增加了土壤肥力,有利于新疆灰漠土土壤生产力的提高。

棉秆炭和炭基专用肥对棉花生长及产量的影响

【目的】新疆是我国最大的商品棉生产基地,部分主产区连作时间长,棉秆还田对土壤带来了一定的病虫害,研究棉秆炭和炭基专用肥对棉花生长及产量的影响,为棉花秸秆制备生物炭或生物炭基肥再返还到棉田提供依据。【方法】棉花秸秆长度控制在8-12 cm,在缺氧的环境下燃烧制炭。棉秆炭与化肥按一定的比例加工炭基肥,通过田间试验进行验证。【结果】与对照处理相比,生物炭处理与炭基肥处理提高花蕾数38%、92.3%,果苔数都提高25%,总生物量分别提高25.8%、39%,生物炭处理比对照增产28.9%,炭基肥处理比对照增产25.1%;棉花产量生物炭处理与炭基肥处理比较差异不显著（P〈0.05）。【结论】生物炭处理、炭基肥处理、对照处理的株高、SPAD值比较差异不显著,炭基肥处理与对照处理的花蕾数、果苔数比较差异不显著,而生物总量、产量有极显著提高,生物炭处理多项指标表现最好。

热解终温和加热速率对棉杆热解生物炭的影响研究

以棉杆为研究对象,在管式炉上进行了生物质热解实验研究,对热解终温、升温速率对生物质热解过程中固体炭的产率及理化特性的影响进行试验及分析研究.热解实验分别以10~30℃/min的升温速率升温到热解终温300~700℃.结果发现,随着热解温度的升高,焦炭的产量呈减少趋势,而以10℃/min升温速率在700℃下获得的生物炭有最大的固定碳含量（67.62%）和碳含量（68.78%）,升温速率对生物炭的产率的影响不是很明显.FTIR分析表明不同条件获得的生物炭的官能团组成非常相似.550℃时产生的生物炭有较高的比表面积,表面孔结构较均匀.生物炭可以被用在活性炭的生产以及净化过程等方面.

施用棉秆炭对新疆盐渍化土壤理化性质及作物产量的影响

【目的】施用棉秆研制的生物炭,研究其对新疆盐渍化理化性状及作物产量的影响。【方法】采用高低两个水平一次性施入生物质炭,连续监测3年,分别测定2013年播种前、收获后与2014年收获后、2015年收获后的0~20 cm、20~40 cm土层的土壤田间持水量、容重与总盐,养分含量及作物产量。【结果】在三年四茬连作体系上施用生物炭提高土壤的田间持水量（平均每年提高2.63%~7.57%）,降低土壤容重（平均每年降低1.66%~2.18%）与土壤总盐含量（平均每年降低24.32%~28.06%）;提高土壤中原有养分含量促进作物生长,提高作物产量（平均每茬可提高25.52%~27.47%）。【结论】施用棉秆可有效改良新疆盐渍化土壤的理化性质,改善土壤特性,并在提高土壤质量的同时提高作物产量。

棉秆生物质炭对两种石灰性土壤速效磷、速效钾的激活效应研究

[目的]研究棉秆生物质炭对灰漠土、风沙灌淤土速效磷、钾的影响.[方法]采用室内培养试验,分别以两种土壤为研究对象,设置四个处理,分别为空白土壤（CK）、土壤质量0.5％的棉秆炭（0.5％BC）、土壤质量1.0％的棉秆炭（1.0％ BC）、土壤质量2.0％的棉秆炭（2.0％ BC）;检测不同培育时间,两种土壤的pH、速效磷、速效钾、阳离子交换量（CEC）的变化.[结果]棉秆炭（BC）呈现碱性,随着添加量的增加,不同程度的提高两种土壤pH、速效磷、速效钾、阳离子交换量.其中棉秆炭高剂量（2％）处理能明显提高两种土壤速效磷、速效钾（P＜0.05）,增加幅度分别为25.21％ ～45.79％、10.24％ ～ 28.05％、23.34％ ～ 101.17％、38.95％ ～62.36％.[结论]棉杆炭具有激活两种土壤速效磷、速效钾的效应,对土壤保肥能力有一定的影响.

生防链霉菌配施棉秆炭对连作棉田土壤微生物区系的影响

棉花是重要的经济作物,长期连作能引起棉花土壤微生态的失衡、土传病害加重、进而导致产量和品质的下降,影响棉花产业的健康发展。本文以连作棉田土壤为研究对象,进行室内培养试验,在施用生防放线菌黄三素链霉菌(Streptomyces flavotricini)的基础上添加不同量的棉秆炭[0 g·kg^(-1)(CK)、25.0 g·kg^(-1)、50.0 g·kg^(-1)、100.0 g·kg^(-1)],采用微生物计数和16S rDNA基因序列分析的方法,研究两者配施对连作棉田土壤中生防菌数量、微生物数量和种类的影响,为棉花黄萎病的生物防治提供新的思路。研究结果表明:(1)生防放线菌配施棉秆炭对连作棉田土壤中微生物区系有显著的影响。与单施生防放线菌菌剂的处理相比,两者配施显著增加了土壤中细菌、放线菌和真菌数量,其中配施25.0 g·kg-1棉秆炭处理使土壤中细菌/真菌数量比(B/F)、放线菌/真菌数量比(A/F)分别增加了5 271.2%和30.8%(P<0.05)。(2)土壤中生防放线菌数量随着棉秆炭施用量增加而显著增加,配施100.0 g·kg^(-1)棉秆炭处理显著增加了2 672.8%(P<0.05)。棉秆炭具有作为生防放线菌良好载体的潜力。(3)生防放线菌配施棉秆炭也改变了土壤中优势微生物的数量和比例,尤其提高了细菌中芽孢杆菌的数量和所占的比例;100.0 g·kg^(-1)棉秆炭与菌剂配施使土壤中链霉菌的数量及比例显著高于对照,但降低了小单孢菌数量;增加了真菌中米曲梅、黑曲霉和木霉的数量,但使其所占比例降低。由此可以看出,生防放线菌配施棉秆炭能提高连作棉田土壤中生防放线菌的数量,增强生防菌制剂的防病促生作用,改善连作棉田土壤微生物群落结构,在防控棉花连作障碍上具有较大的应用潜力。

磷酸活化法制备棉秆基活性炭实验优化及其孔隙结构表征

本文首先将棉花秸秆热解制得生物炭,而后以磷酸为活化剂对所制备的生物炭进行活化得到棉秆基活性炭,采用正交实验方法研究了活化剂与生物炭比例、浸渍时间、活化温度和活化时间对棉秆基活性炭的持水能力的影响,采用极差分析方法对实验条件进行优化,并对所制备的样品进行了比表面积、SEM等性能测定。结果表明:最优化实验方案为磷酸与生物炭质量比为2∶1,浸渍时间12 h,活化温度450℃,活化时间30 min,该条件下所制备的棉秆基活性炭持水能力为5.11 g/g,平均孔径为3.58 nm,最可几孔径为1.81 nm。

不同温度下棉杆颗粒热解制炭的性能研究

为了考察不同热解温度下制备的棉杆颗粒炭(CSPB)的理化性能,评价其农业、工业等不同领域的应用价值和最佳工艺条件.分别采用FTIR分析、元素及工业分析、燃烧测试方法对热解温度在300℃、400℃、450℃、500℃、600℃下制备的CSPB的官能团、元素含量、表观特性及燃烧性能进行研究.结果表明,随着热解温度的升高,CSPB中羟基、脂肪族C-H键、羰基、醚类C-O键等含量逐渐减少,芳香族C=C键逐渐增多,与粉末炭相比其波数在2 000 cm1以下的官能团峰值较大.热解温度对CSPB的性能影响显著,高温颗粒炭有较高的碳含量、固定碳含量、p H值、导电性和持水量,但其跌落强度、质量得率、能量得率、固定碳得率均相对较低,且高温颗粒炭的灰分大、着火点较高.综合考虑450℃热解温度下制备的CSPB性能较好,适用于颗粒活性炭、固体燃料等二次加工产品.

炭化温度对南疆沙化土壤理化性能影响

将棉秆基生物炭施入土壤中,研究炭化温度对南疆沙化土壤理化性能影响。结果表明随炭化温度升高,土壤 pH 增大,总孔隙度降低,毛管孔隙度和田间持水量出现波动;并且二者变化趋势相同。在炭化温度为350 ℃和450 ℃时土壤保水率相同。因此 350 ℃炭化的棉秆基生物炭有利于解决南疆沙化土壤碱性强,水分持留能力差的问题。

南疆棉秆生物炭的制备及理化特性分析

以新疆棉花秸秆为原料,研究炭化温度和炭化时间、升温速率对棉秆基生物炭产量和理化性质的影响。选择300℃、400℃、500℃、600℃为最高炭化温度,5℃/min、10℃/min、15℃/min、20℃/min为升温速率,30 min、60 min、90 min、120min为炭化时间。棉秆生物炭的最高固定碳为63%。原料的热解特性在惰性气体N2保护下进行TG-DTG分析。对棉秆生物炭的元素成分、PH值、固定碳、灰分和碳含量进行研究,同时进行了SEM,FT-IR表征。随着炭化温度的增加,生物炭pH值、灰分含量、碳稳定性及总碳的含量也逐渐增加,而生物炭产量、挥发分、H、O、N、S元素的含量减少。比表面积结果显示高温制备生物炭的孔隙率有所增加,但增加幅度并不大。研究发现加热时间和升温速率对棉秆生物炭性质的影响不显著,炭化温度对棉秆生物炭性质的影响显著。

棉秆与棉秆纤维基纳米碳材料的结构及电容性能对比分析

以棉秆和棉秆纤维作为碳源,三聚氰胺为氮源,在800℃氮气气流下制备出氮掺杂棉秆碳(NCSC)和氮掺杂棉秆纤维碳(NCSFC).采用傅立叶变换红外光谱(FT-IR)、X射线光电子能谱(XPS)、N_(2)吸/脱附和恒流充放电法表征了2种碳材料的组成、结构、表面性质和比电容,对比分析了2种碳材料的碳-氧-氮元素含量、官能团结构和电容性能.结果表明,除碳元素含量外,氮掺杂棉秆纤维碳NCSFC表面N/O化学官能团、比表面积(1155 m^(2)·g^(-1))和介孔孔容(2.485 cm^(3)·g^(-1)),均明显高于氮掺杂棉秆碳NCSC.但后者NCSC的比电容高达195 F·g^(-1),远高于NCSFC(90 F·g^(-1)),这主要归因于制备NCSC碳的原材料为棉秆,棉秆中富含木质素,制备的NCSC中碳元素含量显著高于棉秆纤维碳NCSFC,形成的芳环碳结构提升了碳材料电极电子储存性能.

生物炭对干旱区绿洲农田土壤呼吸的影响

为探究不同粒径秸秆生物炭添加对绿洲农田土壤CO_2排放及Q10的影响,以新疆典型绿洲农田土壤灰漠土为供试材料,采用室内土柱培养的方法,研究添加>5、1～5、0.25～1和<0.25mm共4种粒径棉花秸秆生物炭和葡萄藤生物炭对农田土壤CO_2释放的影响。结果表明:(1)试验周期内(0～85d),添加生物炭处理土壤呼吸速率呈先增加后降低的趋势,前10d土壤呼吸增速较高;添加生物炭的土壤呼吸速率(1.27μmol·m^(-2)·s^(-1))高于不添加生物炭的对照处理(1.01μmol·m^(-2)·s^(-1)),棉花秸秆生物炭处理土壤呼吸速率(1.43μmol·m^(-2)·s^(-1))高于添加葡萄藤生物炭处理(1.08μmol·m^(-2)·s^(-1))。培养期内土壤CO_2累积过程符合一级反应动力学方程,生物炭添加改变了土壤CO_2潜在排放量、周转速率和半周转期。(2)添加棉花秸秆和葡萄藤两种生物炭处理与土壤CO_2累积排放量(y)分别符合y=7.51x+88.53和y=2.68x+75.85的线性关系(x为生物炭粒径)。(3)添加生物炭处理土壤呼吸速率与空气温度和土壤温度显著相关,棉花秸秆生物炭处理土壤呼吸速率与温度的相关性高于葡萄藤生物炭处理,土壤温度敏感系数随粒径的减小而增加。综合土壤呼吸速率和温度敏感系数考虑,建议绿洲农田施用1～5mm中等粒径生物炭。

棉花秸秆生物炭对水中硫酸根离子的吸附特性

以棉花秸秆生物炭(BCS)为吸附剂,研究了BCS的吸附动力学、热力学特性以及制备温度、投加量和溶液p H等因素对BCS吸附SO_4^(2-)的影响.结果表明,制备温度为500℃的BCS(BCS500)比300℃的BCS(BCS300)更有利于SO_4^(2-)的吸附去除;在20 m L溶液中,BCS500的投加量为0.1000 g时,对SO_4^(2-)的吸附去除最为理想,升高溶液p H值会减小BCS500对SO_4^(2-)的吸附量.动力学拟合表明准二级动力学方程比准一级动力学方程和Elovich方程能更好地描述吸附过程,所得吸附平衡时间为6 h.颗粒内扩散模型拟合发现BCS吸附SO_4^(2-)分为表面吸附和颗粒内扩散两个过程.相比于其他等温吸附方程,Langmuir方程能更好地描述BCS500对SO_4^(2-)的吸附行为,由Langmuir方程拟合所得BCS500的理论最大吸附量(52.13 mg·g^(-1))比BCS300的理论最大吸附量(31.46 mg·g^(-1))大.而计算所得热力学参数,如吉布斯自由能变&G_m<0,焓变&H_m<0和熵变&S_m>0,表明BCS500对SO_4^(2-)的吸附是一个自发、吸热且熵增加的过程;在25、35、45℃时,&G_m分别为-9.61、-12.50、-13.96 k J·mol^(-1),介于-20─0 k J·mol^(-1)之间,且反应为吸热反应,表明BCS500吸附SO_4^(2-)主要以物理吸附为主.

棉秆生物炭去除水中Pb(Ⅱ)吸附机理的量化分析

为消除酸洗对生物炭吸附量的影响,更精确地量化分析各吸附机理在生物炭吸附重金属过程中的作用,该研究以棉花秸秆为原料,采用慢速热解法制备棉秆炭,棉秆炭经酸洗后制得脱矿炭;以吸附水中Pb^(2+)为例,研究该过程中棉秆炭的各吸附机理。采用先进技术表征吸附前后棉秆炭的表面形貌结构和理化特性,定量分析吸附前后棉秆炭上的含氧官能团和吸附溶液中可交换阳离子,从而计算出各吸附机理的贡献。结果表明,棉秆炭吸附Pb^(2+)的过程中包含沉淀、离子交换、π电子、络合及物理吸附五种作用机理;随热解温度升高,沉淀和π电子作用增强,离子交换和络合作用减弱;Ca^(2+)和Mg^(2+)在离子交换中起主导作用,占比超过95%;吸附机理的量化分析结果表明:无机组分对棉秆炭吸附Pb^(2+)具有重要作用,沉淀和离子交换的贡献不低于70.6%。研究结果可为生物炭/改性炭吸附重金属机理的量化分析、废弃棉秆的资源化利用、水体和土壤重金属污染防治提供理论依据。

棉秆炭减缓土壤中镉对水稻生长的胁迫效应

为探讨棉花秸秆生物质炭减缓镉对水稻(Oryza sativa L.)生长的胁迫影响,采用室外盆栽试验,以水稻品种‘特丰优2号’为试验材料,在镉浓度为0、1、4、8 mg·kg^-1的稻田土壤中分别添加炭土质量比为0%(C0)、1%(C1)、2.5%(C2.5)和5%(C5)的棉花秸秆生物质炭,分析水稻拔节期、孕穗期、灌浆期和完熟期施用生物质炭对水稻株高、叶片SPAD值、光合特性、叶片水分利用率等生理及产量指标的影响。结果表明:①C0处理条件下,镉胁迫处理均使水稻株高、叶片SPAD值、光合能力、叶片水分利用率和产量降低,并随着镉浓度的增加,降低幅度增大。C1和C2.5处理显著提升了水稻叶片光合能力,C2.5处理的水稻叶片SPAD值较C1更高(P<0.05)。②镉胁迫处理下,与C0相比,C1处理可以显著提高水稻株高、叶片水分利用率,并使水稻增产(P<0.05)。在0、1、4、8 mg·kg^-1四个镉浓度梯度下,与C0相比,C1处理的水稻产量分别增加45.45%、30.63%、22.20%和12.98%。综上,重金属镉对水稻生长具有胁迫效应,降低水稻光合能力及产量,施用1%生物质炭后可以有效减弱镉对水稻造成的胁迫,提高水稻产量。