两类生物炭的热稳定性和化学稳定性比较

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生物炭作为减缓大气温室效应的新途径,具有固定碳源的优点,对土壤碳汇的贡献十分可观的。可是不同来源的生物炭性质、稳定性不同,对碳锁定的贡献也不同。依据云南地方特性,本文选用一种富含高有机质的天然物质制备生物炭--滇池沉积物生物炭(泥炭土,草海底泥)和一类在云南广泛种植的农作物制备生物炭--秸秆类生物炭(玉米秆和麦秆),对其理化性质、热稳定性和化学稳定性进行了对比分析。生物炭及原样的理化性质,热稳定性通过CHNSO元素分析仪(Elementar),傅里叶红外变换仪(FT-IR),X光衍射(XRD)和差热热重仪(TGA-DTA)测定。秸秆类原料还分析了其中的木质素、纤维素含量。化学稳定性通过氧化降解实验得到。选用NaClO、H2O2口KMn04三种不同pH的氧化剂,通过一个月的氧化降解实验,对氧化前后的生物炭C损失率进行分析,得出较稳定的生物炭类型并探讨不同类型生物炭稳定的机理。实验结果表明:(1)生物炭理化性质和热稳定性:植物生物炭碳化程度高(玉米杆和麦秆C含量分别为72%、56%),产出率小:沉积物生物炭产出率高(约70%左右),且因其含有大量的无机组分,其碳化程度没有秸秆类生物炭高。生物炭制备过程中有机组分富碳,极性官能团大量烧失,芳香环增加,表面疏水性更强,pH值升高,生物炭稳定性更强。沉积物类生物炭的热稳定性好于秸秆类生物炭。(2)制备温度和化学稳定性:本研究发现生物炭的化学稳定性和不同的制备温度、不同的氧化剂以及不同类型的生物炭来源关系紧密。本实验中不同制备温度的生物炭的稳定性规律如下:500℃制备的生物炭>原样>200℃制备的生物炭,200℃生物炭的稳定性最弱可能和纤维素的物理保护被破坏以及低温时未形成稳定的碳结构有关。(3)氧化剂:由于氧化机理不同,同一类生物炭在不同的氧化剂中的稳定性并不同。比如在本实验中,沉积物生物炭在NaClO和KMnO4中的化学稳定性比秸秆类生物炭略好一些,可是在H202氧化下得到的结果正好相反,这是由于H202破坏了沉积物中无机矿物对有机质的保护。(4)沉积物生物炭的稳定性:去除草海底泥中的无机矿物后再进行氧化实验,结果证明沉积物类生物炭中的无机矿物能增强沉积物类生物炭的稳定性,沉积物生物炭中有机质部分(如腐殖质)可以和一些矿物结合形成致密的有机无机复合体结构,但不同类型的复合体稳定性不同,对于不同矿物和不同腐殖质结合的有机无机复合体的稳定性还需要进一步研究。此外沉积物中的有机质如胡敏酸、胡敏素的自身化学稳定性也是沉积物类生物炭稳定的重要因素。泥炭土的稳定性比草海底泥弱,方面是由于前者的有机质组分稳定性不如后者,另一方面也存在着前者的有机无机复合体数量和稳定性不如后者的情况。(5)秸秆类生物炭稳定性:本实验中沉积物中的有机质稳定性不如秸秆类生物炭中的木质素、纤维素等稳定,由于秸秆类生物炭中灰分含量很少,对秸秆类物质稳定性影响不大,秸秆类生物炭的稳定性主要由原样中的木质素(木质素在高温时生成石墨烯碳)、纤维素含量决定,这两种成分含量越高则植物类生物炭越稳定,故本实验中出现玉米秆的稳定性好于麦秆的现象。植物秸秆类生物炭的稳定性是以有机质为主导的,沉积物生物炭的稳定性则主要是建立在有机质的化学稳定性和无机矿物对有机质的保护程度上的。在不破坏矿物的条件下,沉积物生物炭具有较好的热稳定性和化学稳定性,由此证明沉积物是可用于制备生物炭的良好原料。但由于自然条件下氧化情况千差万别,不同沉积物内部的组分形式不同,对沉积物类生物炭的稳定性还需要进行更深入的研究。
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