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%。

玉米秸秆炭基肥制备及应用现状

我国玉米种植面积大,玉米秸秆作为制备生物质炭的原料,储备非常丰富。生物质炭基肥制备技术是玉米秸秆的利用技术之一,在绿色农业发展中具有巨大的应用潜力。明确了生物质炭基肥的研究背景,阐述了玉米秸秆炭基肥生产制备工艺研究现状,讨论了生物质炭基肥在土壤改良、治理重金属污染土壤、作物增产提质,农户增产增收和提高肥料利用率等方面对农作物及土地的增益性,展望了炭基肥的应用前景。

玉米秸秆生物炭的制备改性及其对孔雀石绿染料的吸附效果

利用玉米秸秆制备了生物炭并对其进行了改性,将其用于处理废水中的有机染料孔雀石绿。采用SEM、XRD、FTIR、N_(2)吸附-脱附等方法对生物炭的形貌及结构进行了表征,研究了影响吸附效果的因素及吸附过程的特点,并通过吸附动力学、吸附等温线和吸附热力学研究了生物炭对孔雀石绿的吸附规律。实验结果表明,原炭(CSC)、NaOH改性生物炭(NaCSC)和十六烷基三甲基溴化铵进一步改性的NaCSC(CTAB-NaCSC)对孔雀石绿的吸附效果良好,吸附过程符合准二级动力学模型,相关系数分别为0.9976,0.9920,0.9799。与CSC比,NaCSC的表面粗糙程度增加,孔径增大,孔隙分布不规则,提高了对孔雀石绿的吸附能力;CTAB-NaCSC的表面更加粗糙不平,且有颗粒状凸起。CSC,NaCSC,CTAB-NaCSC的吸附-脱附循环再生实验结果表明,三种生物炭具有良好的循环利用性,再生率分别达到84.29%,91.59%,111.75%。

凹凸棒土/玉米秸秆生物炭制备及对四环素的吸附

研究以NaOH为活化剂对凹凸棒土/玉米秸秆(ATP/CS)进行碱改性,在限氧条件下慢速共热解制备凹凸棒土/玉米秸秆生物炭(ATP/CSBC),用于去除水中的四环素(TC)。采用响应曲面法对NaOH浸渍浓度、NaOH浸渍时间、热解温度3种制备影响因素进行优化研究,探讨各因素之间对ATP/CSBC吸附性能的交互影响。通过多种仪器对ATP/CSBC的微观形貌和理化性质进行了分析,同时考察了吸附剂投加量、pH、初始浓度及吸附时间等因素对TC吸附量的影响。实验结果表明,在投加量为0.6 g/L,pH=8,TC初始质量浓度为200 mg/L、吸附时间为240 min时,ATP/CSBC质量比为1∶1时,TC的吸附量最大为177.77 mg/g。ATP/CSBC对TC的吸附更符合Langmuir等温线模型和准二级动力学模型,且颗粒内扩散模型拟合结果表明该扩散行为非吸附过程中唯一限速因素,吸附速率可能由液膜扩散、颗粒内扩散和表面吸附等共同控制。

添加剂对污泥堆肥过程中气体排放和酶活性的影响

针对市政污泥与秸秆混合在传统堆肥过程中温室气体排放量与氮损失量较高的问题,采用玉米秸秆生物炭(CSB)与煤矸石基沸石(ZL)联合堆肥,为减少堆肥过程中CH_(4)、NH_(3)、N_(2)O气体排放.将10%的CSB与0%、10%、20%、30%的ZL混合(百分比为添加剂与污泥秸秆混合物质量之比),同时,无添加剂作为对照组,结果表明,与对照组相比,CSB与ZL联合添加(记为10%CSB+ZL)显著提高了堆肥过程中温度和pH值,增加了堆肥有机质降解,且降解速率高于对照组和10%CSB处理.两种添加剂联合添加降低了堆肥过程中氮损失,10%CSB+10%ZL、10%CSB+20%ZL、10%CSB+30%ZL处理中CH_(4)、NH_(3)、N_(2)O累积排放量比对照组分别降低87.81%~90.87%、41.61%~57.45%、85.01%~94.92%,CO_(2)累积排放量比对照组提高55.45%~86.55%;同时,在堆肥过程中脱氢酶、蛋白酶、木聚糖酶、磷酸酶活性增强.生物炭作为膨松剂,提高堆肥孔隙率促进微生物生长和相关酶活性提高,煤矸石基沸石通过吸附减少气体排放,10%CSB+20%ZL处理通过减少堆肥过程中CH_(4)、NH_(3)、N_(2)O排放速率实现降低氮损失的效果最佳.

生物炭负载蒽醌-2-磺酸钠对厌氧消化的影响

为提高厌氧消化系统的降解效率,以生物炭(BC)为载体负载蒽醌-2-磺酸钠(AQS),制备复合材料BC/AQS并应用于厌氧消化系统.在中温条件(35℃)下开展批式厌氧消化试验,探究BC/AQS对玉米秸秆厌氧消化的影响.结果表明,当AQS浸渍浓度为1mmol/L时,BC/AQS强化厌氧消化的产甲烷效率最高,此时最大产甲烷速率Rmax达到10.64mL/(d·g),最大累积甲烷产量Pmax达到240.41mL/g,单位挥发性固体(VS)累积产甲烷量分别比空白对照组和添加BC的试验组提高20.60%和12.11%(P<0.05).产甲烷古菌中甲烷八叠球菌属(Methanosarcina)和甲烷泡菌属(Methanofollis)得到富集.此外,BC/AQS在发酵前期促进了挥发性脂肪酸(VFA)的生成,使总VFA浓度在第10d比对照组提高了7.73%~18.54%;在中后期促进了VFA的降解,其中BC/AQS-1mmol/L使总VFA浓度下降77.43%,降幅最大.BC/AQS提高了水解产酸菌群Ruminofilibacter、Proteiniphilum、Fermentimonas和不动杆菌属(Acinetobacter)的丰度.

玉米秸秆生物炭对磷酸三(2-氯异丙基)酯的吸附特性及机理

为探究生物炭对磷酸三(2-氯异丙基)酯(TCIPP)的吸附机理及pH、温度和吸附剂添加量对吸附效果的影响,以玉米秸秆为原料,经500℃限氧热解制备生物炭,通过元素分析、FTIR及XPS等方法分析了生物炭吸附前后表面官能团及元素的变化。结果表明,生物炭对TCIPP的吸附过程更符合准二级动力学(R^(2)=0.964 1)和Temkin(R^(2)=0.994 8)方程,吸附过程以化学吸附为主且存在分子间作用力;生物炭对TCIPP的吸附过程包括液膜扩散、表面吸附及颗粒内部扩散三个过程。pH值和吸附剂添加量对吸附效果的影响较大,而温度对吸附过程的影响较小。生物炭吸附前后的FTIR和XPS表明,生物炭表面的—OH、C=O及芳环上的C—H等官能团以π-π、配位作用参与了吸附过程。研究表明,生物炭对TCIPP的吸附受多个因素的影响,因此在使用生物炭去除污染物时要综合考虑其本身理化性质及外界环境因素的影响。

玉米和小麦秸秆生物炭对四环素吸附效果研究

试验测定了玉米和小麦秸秆生物炭对四环素的吸附能力。采用单因素法,探讨了吸附剂添加量、吸附时间、pH值、温度、MgCl2以及吸附等温线等因素对吸附试验的影响。结果表明,玉米和小麦秸秆生物炭的添加量均为250 mg、吸附时间均为1 h;碱性环境对吸附均有明显抑制作用,中性环境对吸附效果抑制作用均明显减小,而酸性环境对吸附作用几乎无影响;MgCl2对吸附均有抑制作用;等温吸附过程都遵循Langmuir方程。此外,不同的是,温度对玉米秸秆生物炭的吸附效果无明显影响,而小麦秸秆生物炭在低温条件下吸附效果好低温条件下。

不同碳化温度下玉米秸秆生物炭的结构性质及其对氮磷的吸附特性

以玉米秸秆为生物质材料,分别在250,350,450℃碳化温度下制备3种玉米秸秆生物炭(分别命名为B250,B350,B450),利用红外光谱和扫描电镜对其结构和表面形貌进行表征,并通过实验室模拟考察其对氮磷的吸附性能.结果表明:随着碳化温度的升高,玉米秸秆生物炭表面的微孔形变程度加剧,粗糙程度增大,芳构程度提高,稳定性增强;B250玉米秸秆生物炭稳定性相对较弱,在吸附过程中存在较强的磷释放作用,对磷呈现显著负吸附;B350和B450对磷的吸附动力学过程均可用Lagergren准二级动力学模型描述;3种玉米秸秆生物炭对磷的吸附热力学过程均可用Langmuir方程描述,对磷的饱和吸附量为B450>B350>B250;玉米秸秆生物炭对氮的吸附动力学过程符合Lagergren准二级动力学模型,吸附热力学过程符合Langmuir方程,对氮的吸附速率为B450>B350>B250,饱和吸附量为B450>B350>B250.

溶液初始pH值及裂解温度对玉米秸秆基生物炭吸附Cr(Ⅵ)的影响

以玉米秸秆为原料,在300、450℃和600℃下裂解得到3种生物炭,通过批处理实验讨论了溶液初始pH值和裂解温度对玉米秸秆及其生物炭吸附Cr(Ⅵ)的影响,并用吸附动力学模型和等温吸附模型对实验结果进行拟合。结果表明:对于同种吸附材料而言,溶液初始pH值越低,玉米秸秆及其生物炭对Cr(Ⅵ)的吸附量越大;当溶液初始pH值为3或5时,对Cr(Ⅵ)的吸附性能大小顺序为:玉米秸秆>生物炭300℃>生物炭450℃>生物炭600℃;当溶液初始pH=1时,对Cr(Ⅵ)的吸附性能大小顺序为:生物炭300℃>玉米秸秆>生物炭450℃>生物炭600℃,且生物炭300℃对Cr(Ⅵ)的最大吸附量约为141.24 mg·g^(-1)。可见,溶液初始pH值越低,生物炭的裂解温度越低,越有利于生物炭对Cr(Ⅵ)的吸附。

生物质炭中盐基离子存在形态及其与改良酸性土壤的关系

为研究生物质炭中盐基离子存在形态及其与改良酸性土壤的关系,通过厌氧热解的方法于300、500和700℃下制备了玉米秸秆炭。考察了热解温度对玉米秸秆炭水溶性、交换性和盐基总量的影响。采用室内培养的方法考察了添加玉米秸秆炭对酸性土壤的改良效果。结果表明:热解温度影响玉米秸秆炭各形态盐基离子含量,玉米秸秆炭总K、总Na、总Ca、总Mg、水溶性K、水溶性Na、水溶性Ca、交换性Ca和交换性Mg含量随热解温度升高显著增加;水溶性Mg和交换性K含量随热解温度升高先增加后下降。玉米秸秆炭中的K和Na主要以水溶态存在,约40%的Ca和30%的Mg以交换态存在,约50%的Ca和70%的Mg以其他形态(主要为难溶态)存在。添加玉米秸秆炭能极显著提高酸性土壤pH和降低土壤交换性Al3+含量,提高和降低幅度随热解温度升高极显著增加。总K+总Na+总Ca+总Mg含量可以作为衡量玉米秸秆炭提高酸性土壤pH能力的间接指标。添加玉米秸秆炭能极显著提高土壤交换性K、Na和Mg含量,能显著提高交换性Ca和总盐基离子含量。玉米秸秆炭总K和总Na含量是提高土壤交换性K和Na含量的决定因素,交换性Ca含量在提高土壤交换性Mg和交换性盐基总量中起决定作用。

生物炭对盐碱土氮淋溶的影响

生物炭对某些高度风化的热带土壤和温带酸性土壤有改善土壤结构,减少营养元素淋失的作用,但关于温带干旱区的盐碱土的改良效果却很少报道。以新疆绿洲盐碱土为对象,研究玉米秸秆生物炭对氮淋溶的影响。采用室内土柱淋滤试验,土柱包含炭土比(W/W)0%、1%、5%和10%四个处理,模拟大气降雨,定期收集淋滤液,分析其中的氮素指标。结果显示,5%和10%添加比例分别减少了土壤氨态氮的淋失量31.14%和52.43%,1%的添加比例增加了铵态氮淋失。对比空白,10%处理的铵态氮、硝态氮和总氮减少淋失量分别达到52.43%、50.01%和33.83%,1%和5%处理土柱的硝态氮和总氮在试验10 d内(降雨量140 mm)就基本淋失完,而10%处理土柱则显得较为平缓,几乎到25 d(降雨量290 mm)时才基本淋失完。四个土柱的铵态氮的淋失都较为平缓。另外,生物炭可以减少土柱的溶液淋失量(20.95%),增加土壤持水能力。上述结果表明,生物炭施用于干旱区盐碱土能明显减少硝态氮和总氮淋失并延长其在土壤中的停留时间,增强土壤的持续供氮能力。

玉米秸秆生物质炭对铅的吸附动力学特征

选用玉米秸秆为原材料,采用限氧裂解法制备生物质炭。研究了其对Pb^(2+)的吸附动力学特征,并探讨了不同温度、pH值、离子强度对吸附效果的影响。结果表明,生物质炭对Pb^(2+)的吸附过程均表现一致,0~4 h内为快速吸附阶段,吸附速率较快,此后呈现为慢速吸附阶段,直至30 h基本达到吸附平衡。随着温度(25~55℃)和pH值(3~6)的升高,生物质炭对Pb^(2+)的饱和吸附量增加。而随着离子强度(CaCl_20.005~0.05 mol/L)的增大,生物质炭对Pb^(2+)的饱和吸附量降低。拉格朗日准二级动力学方程能更好的拟合生物质炭对Pb^(2+)的吸附过程。说明该吸附过程为化学吸附。且内扩散模型对吸附初始阶段的数据拟合效果也较好,这表明Pb^(2+)在生物质炭上吸附速率同时受颗粒内扩散过程和外扩散过程的控制。

秸秆及生物质炭对砖红壤酸度及交换性能的影响

为合理运用秸秆材料改良热带地区砖红壤,采用室内培养试验研究了玉米秸秆及其制备的生物质炭对海南花岗岩母质发育的砖红壤的酸度和交换性能的影响。试验设单施生物质炭(B)、生物质炭和秸秆混合施用(BCS)、单施秸秆(CS)及对照(CK)共4个处理。结果表明,添加生物质炭和秸秆显著提高土壤p H、CEC、交换性盐基总量和盐基饱和度。秸秆和生物质炭可降低土壤交换性酸,尤其是交换性酸中交换性铝含量更是显著降低,表明生物碳和秸秆施用能够有效降低砖红壤酸度,提高交换性能。不同处理改良效果的大小顺序为CS>BCS>B。

玉米秸秆生物炭对水中氨氮的吸附特性

采集农林废弃物玉米秸秆制备生物炭,以批平衡试验法研究了溶液pH、粒径、投加量、温度和共存阳离子等因素对玉米秸秆生物炭吸附氨氮的影响.结果表明：在共存离子Na^＋、Ca^2＋浓度相同条件下对氨氮吸附影响大小顺序为Na^＋〉Ca^2＋;玉米秸秆生物炭对氨氮吸附的最佳pH范围为5-8;吸附动力学数据拟合结果发现准二级动力学方程能更好地拟合吸附过程,颗粒内扩散方程拟合结果表明玉米秸秆生物炭对氨氮的吸附速率由表面吸附和颗粒内扩散两个过程综合控制.Langmuir-Freundlich方程能很好地描述氨氮在玉米秸秆生物炭上的吸附行为,由Langmuir拟合所得的氨氮理论最大吸附量为3.4849 mg·g^-1.吉布斯自由能变化（ΔG^θ）、焓变（ΔH^θ）和熵变（ΔS^θ）的计算结果表明,玉米秸秆生物炭对氨氮的吸附是自发的放热过程.

基施富硒有机肥料对玉米和土壤硒含量的影响

采用土培盆栽试验研究了贫硒土壤中添加富硒奶牛粪和富硒水稻秸秆生物炭2种不同富硒有机肥对玉米硒含量及贫硒土壤硒含量的影响。研究结果表明:添加富硒奶牛粪处理中的玉米对硒的吸收富集效果优于添加富硒水稻秸秆生物炭的处理,且植株根部吸收硒后更易于转运到地上部,硒在其体内的迁移率高。从2种有机肥的添加量来看,基施25 t·hm^(-2)富硒奶牛粪以及40 t·hm^(-2)富硒水稻秸秆生物炭对玉米生长有更好的促进作用,玉米植株内的硒含量及生长状况均优于其他处理。与此同时,富硒奶牛粪和富硒水稻秸秆的添加均能显著提高土壤中全硒的含量,且均随着富硒有机肥施用量的增加而增加,与富硒有机肥施用量呈显著正相关。

污泥-玉米秸秆热解制生物炭及其对Pb^(2+)的吸附特性

开展了脱水污泥单独热解及其与玉米秸秆共热解(泥秆质量分别为9∶1,8∶2,5∶5)制备生物炭吸附剂的研究。采用元素分析、扫描电镜和比表面积仪对4种生物炭的理化特性及微观形貌进行了全面分析。结果表明,在相同热解温度下,随着玉米秸秆掺杂量的增加,生物炭产率及灰分含量降低,全碳含量增加,pH值略有下降,生物炭比表面积和总孔体积增大,棒状残焦分布量增多,孔结构更加发达。生物炭对Pb^(2+)的吸附动力学符合准二级动力学模型,吸附过程分为快反应和慢反应两个阶段,吸附实验前10 min的吸附量达到饱和吸附量的80%以上。Dubinin-A模型较好地描述了生物炭对Pb^(2+)的等温吸附行为,4种生物炭对Pb^(2+)的饱和吸附量大小依次为:SSMT50%(44. 8 mg/g)> SS-MT20%(38. 1 mg/g)> SS-MT10%(30. 7 mg/g)> SS(21. 7 mg/g),表明污泥-玉米秸秆生物炭有作为重金属Pb吸附剂的潜力。

玉米秸秆和污泥共热解制备的生物质炭及其对盐碱土壤理化性质的影响

[目的]研究不同温度制备的玉米秸秆和污泥基生物质炭不同施加量对盐碱土壤基本理化性质的影响,为盐碱土改良及土壤污染物质的生态修复等方面的研究提供科学依据。[方法]以质量比5∶2的玉米秸秆和剩余活性污泥为原料,分别在300,350,400,450,500℃共5个不同温度条件下热解制备生物质炭,通过扫描电镜、元素分析和红外光谱对其性质及结构进行分析,并通过培养试验研究其对盐碱土壤基本理化性质的影响。[结果]随着热解温度的升高,生物质炭微观结构越发达,比表面积越大,表面官能团的种类和数量也产生了显著性变化;同时随着热解温度逐渐升高,生物质炭C含量不断增加,而O,H和N含量却逐渐降低;添加玉米秸秆和污泥共热解制备的生物质炭能够显著增加盐碱土壤中有机碳含量,而土壤中总氮、总磷、有效磷、速效钾含量变化幅度较小;水溶性盐含量降低明显;加入生物质炭后大幅度提高了土壤阳离子交换能力,添加量越大,阳离子交换量越大;但生物质炭对土壤pH值影响不大。[结论]玉米秸秆和污泥基生物质炭提高了土壤养分含量和肥力指标,降低了土壤盐碱性。玉米秸秆和污泥基生物质炭可用于盐碱土壤的改良。

玉米秸秆生物质炭在电化学储能中的应用

玉米秸秆作为一种农业生产副产品具有资源丰富、价格低廉、环境友好等优点,是一种潜在的生物质资源。用作生物质炭的原材料,可以制备出孔隙结构优良、比表面积大、导电性能好的多孔碳材料,可应用于土壤改良、废水处理、储能装置等领域。简要介绍了玉米秸秆生物质炭材料的主要制备方法,综述了玉米秸秆生物质炭在锂离子电池、钠离子电池、锂硫电池和电化学电容器中应用的研究进展,着重讨论了可逆容量、循环稳定性、倍率特性等电化学性能,展望了玉米秸秆生物质炭在电化学储能方面的应用前景。

氯化锌改性玉米秸秆生物炭对Cr(Ⅵ)的吸附特性研究

为了提高对废水中Cr(Ⅵ)的去除效率,获得高效且成本低廉的吸附剂,以农业废弃物玉米秸秆为原材料制备生物炭,并采用氯化锌对其进行改性。实验表明,在固液比为2 g/L、pH为2、Cr(Ⅵ)溶液初始质量浓度为100 mg/L、吸附时间为6 h时,最佳改性剂比例条件下改性炭的去除率能够达到99.3%,比未改性的生物炭高73.7%。此外,考察了单一因素改性剂比例、溶液pH、吸附温度、离子强度对吸附效果的影响。同时研究了改性炭对Cr(Ⅵ)的吸附动力学和吸附等温线。结果说明该吸附是自发、熵增的吸热过程且吸附反应符合准二级动力学方程和Langmiur等温模型,最大饱和吸附容量为72.46 mg/g。通过扫描电镜(scanning electron microscopy)、傅里叶红外光谱(Fourier transform infrared spectroscopy)、X射线衍射(X-ray diffraction)等方法对原炭(biochar)和改性生物炭(modified biochar)进行表征,分析表明改性炭微孔结构明显,表面粗糙,吸附位点增加,芳香化程度提高,从而提高了吸附性能,且锌以氢氧化物颗粒形式存在于生物炭表面。