PDF《生物质内源矿物对热解过程及生物炭稳定性的影响》

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2017 年3月农业环境科学学报允燥怎则灶葬造 燥枣 粤早则燥鄄耘灶增蚤则燥灶皂藻灶贼 杂糟蚤藻灶糟藻 顾博文, 曹心德, 赵玲, 等. 生物质内源矿物对热解过程及生物炭稳定性的影响[J]. 农业环境科学学报, 2017,

36 (3) : 591-597. GU Bo-wen, CAO Xin-de, ZHAO Ling, et al. Influence of inherent minerals on biomass pyrolysis and carbon stability in biochar[J]. 允燥怎则灶葬造 燥枣 粤早则燥-耘灶增蚤则燥灶原 皂藻灶贼 杂糟蚤藻灶糟藻, 2017,

36 (3) : 591-597. 生物质内源矿物对热解过程及生物炭稳定性的影响 顾博文, 曹心德, 赵玲*,赵英豪 (上海交通大学环境科学与工程学院, 上海 200240) 农业环境科学学报 第36 卷第

3 期 近年来, 利用生物质废弃物如农作物残体、 畜禽 粪便等制备生物炭获得国内外学者的广泛关注[1] .生 物质在无氧状态下热解转化为芳香化的富碳物质即 生物炭.生物炭具有高度的碳稳定性, 被认为是一种 能有效缓解温室效应的固碳材料[2] , 制备出高产率、 富 碳且高稳定性的生物炭对固碳有重要意义[3] .生物质 热解包含有机质分解、 炭化、 气化和液化, 且不同成分 和过程相互叠加, 过程复杂;

生物质的性质及热解条 件都将影响最终产品的组分和性质[4] .尽管生物质中 主要成分为有机质, 但其中含有的少量金属矿物对生 物质的热解起着不可忽视的催化作用[5-6] . 矿物元素一 般以氧化物、 硅化物、 碳酸盐、 氯盐和磷酸盐等形式 存在, 还有极少部分以有机形式存在.植物类生物质 中一般 KCl 含量较高, K 元素含量约 1.5%耀5.5%;

畜 禽粪便和污泥生物质中 P 元素含量较高;

而SiO

2、 CaCO

3、 Ca3 (PO4 )

2 等也在这两类生物质中检测出含量 较高[7] .这些矿物组分都可能影响热解过程进而影响 碳结构和产物性质, 从而影响生物炭的固碳效果. 已有学者通过酸洗去除矿物的方法研究了矿物 对生物质热解特性的影响[8-9] .Raveendran 等[4] 选取了

13 种生物质进行酸洗去矿并外加不同矿物,发现大 部分生物质去除矿物后增大了生物质的分解温度和 分解速率,并得到比表面积较大的生物炭;

Williams 等[10] 在热解分析仪 (TGA) 和固定床反应器上研究了 金属盐对生物质热解的影响,发现添加金属盐如 NaCl、 Na2CO3 等降低了纤维素的分解速率, 增加了焦 炭产量;

Mourant 等[11] 在固定床反应器上研究发现, 碱 金属作用并没有显著改变固相和液相的产率, 但对生 物油的性质有很大影响.Stephanidis 等[12] 认为去矿提 升了左旋葡萄糖的产量, 同时其他的一些小分子如羧 酸、 酚类、 酮等的含量下降;

Patwardhan 等[13] 探究了碱 金属 K、 Na、 Ca 及Mg 盐对纤维素裂解产物的作用, 结 果表明这些无机盐促进了低分子量化合物的裂解. Varhegyi 等[14] 采用热重质谱分析无机矿物质 (NaCl、 MgCl

2、 FeSO

4、 ZnCl2 ) 对纤维素热解的影响, 发现当添 加无机矿物时分解温度和最大失重速率均降低, 矿物 不仅催化解聚反应, 并且促进大分子二次降解向小分 子转化. 综合分析已有的研究, 金属矿物对生物质热解起 着不可忽视的作用, 但影响的规律却依据不同的矿物 种类和不同的生物质而有差异.碱金属、 碱土金属对 生物质热解起着催化分解的作用, 而某些过渡金属如 Zn, 对生物质热分解起抑制作用[4] . 在生物炭形成过程 中, 内源矿物如何通过影响生物质的热解及生物炭碳 结构, 进而改变生物质碳元素在生物炭中的保留以及 生物炭的碳稳定性, 尚未有系统研究. 因此, 本研究选 用花生壳和牛粪两种典型富碳生物质, 通过酸洗去除 矿物和外加目标矿物的方法, 结合热重分析仪等仪器 分析手段, 考察生物质内源矿物对热解行为和生物炭 碳稳定性的影响.