PDF《生物质内源矿物对热解过程及生物炭稳定性的影响》

1 材料与方法 1.1 生物质样品采集和预处理 花生壳和牛粪两种农业生物质废弃物均取自上 海市宝山区某农场. 首先将生物质通过晾晒的方式自 然风干, 再通过破碎设备 (6202 小型高速粉碎机, 台湾) 破碎成

1 cm 左右的小段, 经球磨机 (QM-3SPO4, 行星球磨机) 进一步粉碎成粉状物料. 在60 益左右干 燥至含水率小于 1.0%后保存. 1.2 生物质中矿物的酸洗去除 本研究选用酸洗的方法去除生物质中的矿物[8] , 选用 HCl 与HF 混合酸对生物质进行去矿处理, 二者 的浓度均为 0.5 mol ・ L-1 . 分别取

30 g 生物质, 添加

1 L 混合酸, 浸泡在聚四氟乙烯塑料瓶中, 搅拌均匀后置 于60 益条件下保持

2 h, 再于振荡器中振荡

2 h 后固 液分离.将酸处理后的生物质用去离子水冲洗至 pH 为中性, 放置在干燥箱内

80 益下干燥

24 h. 1.3 向去矿生物质中外加目标矿物 为了进一步确认主要矿物的作用, 向去矿生物质 中添加矿物以观察其对热解过程的影响. 由于 KCl 为 农作物类生物质中最常见的物质, 而CaCl2 为牛粪中 的主要矿物, 实验分别选取这两类物质加入去矿生物 质中.实验首先验证了矿物与生物质简单混合后共 热解的添加方式对生物质热解行为没有显著影响 (TGA) , 因此选用了浸渍负载法进行矿物添加.将一 定量去矿生物质与配制好的 KCl 和CaCl2 溶液用磁 力搅拌器 (X85-2S 型号) 搅拌均匀后, 干燥至无水状 态, 使矿物成分被粉末态生物质充分浸渍吸附, 均匀 负载到物料上. 1.4 生物质热解 为了精确控制热解条件 (温度、 氮气流量) , 并观 察热解过程, 首先采用热重分析仪进行生物质的热解 (TGA/DSC 1, Netzsch, 德国) .称取约

20 mg 生物质样 品放置于 Al2O3 坩埚中, 置于热重分析仪内, 最高热 解温度设定为

500 益,载气为高纯 N2,流速

50 mL ・ min-1 , 升温速率为

15 益・min-1 .

592 第32 卷第

1 期2017 年3月表1生物质元素组成 Table

1 Elemental components of biomass 1.5 生物炭的制备 为了得到一定量的生物炭产物, 采用管式马弗炉 热解系统进行生物炭的制备, 制备条件同上, 即最高 热解温度设定为

500 益, 载气为高纯 N2, 流速

50 mL ・ min-1 , 升温速率为

15 益・min-1 . 生物炭的产率是由生物质热解前后物料质量差 来计算得到, 产率 Y (%) 和有机质转化率 Yo (%) 计算 公式: Y= Mbc Mbs 伊100% (1) Yo = Mbc-M Mbs-M 伊100% (2) 式中: Mbc 为热解后生物炭质量;

Mbs 为热解前生物质 质量;

M 为生物质内源矿物质量 (假定质量恒定) .生 物炭的元素分析方法同生物质. 生物炭的碳保留计算公式: Cr = Cbc Cbs 伊Y (3) 式中: Cr 为生物炭的碳保留量, %;

Cbc 为生物炭含碳 量, %;

Cbs 为生物质含碳量, %;

Y 为生物炭产率, %. 1.6 性质表征方法 生物质及生物炭中 C、 H、 N、 S 元素的含量采用元 素分析仪测定 (Vario EL 芋, Elementar, 德国) ;

生物质 及生物炭中金属类矿物元素的测定采用先灰化、 后微 波消解的方法. 灰化法参考国家 GB/T 6438―1992 的 方法: 在恒重的坩埚内称取

1 g 物料, 于马弗炉中

550 益灼烧

5 h,冷却称重后再灼烧

1 h 至两次质量差小 于0.001 g 即可.得到的灰分采用质量分数为 65%的HNO3 与48%的HF 进行消解 (Topwave, Analytik Jena, 德国) , 消解液在

250 益下除酸, 再经 0.45 滋m 滤膜过 滤后使用电感耦合等离子体原子发射光谱法 (ICP- AES PS3500 DD, 日立, 日本) 测定金属元素浓度;