不同反应条件下番茄秸秆水热生物炭的理化性质和微观结构变化

作     者：黄家庆 刘岑薇 叶菁 王义祥 任丽花 HUANG Jiaqing;LIU Cenwei;YE Jing;WANG Yixiang;REN Lihua

作者机构：福建省农业科学院农业生态研究所/福建省红壤山地农业生态过程重点实验室福建福州350013 福建省农业科学院土壤肥料研究所福建福州350013 福建省农业科学院农业质量标准与检测技术研究所福建福州350003 

出 版 物：《河南农业科学》 (Journal of Henan Agricultural Sciences)

年 卷 期：2023年第52卷第5期

页      面：170-180页

学科分类：08[工学] 09[农学] 0902[农学-园艺学] 0822[工学-轻工技术与工程] 090202[农学-蔬菜学] 

基　　金：中央引导地方科技发展专项(2021L3021) 福建省红壤山地农业生态过程重点实验室开放课题(ephrs-202101) 福建省农业高质量发展“5511”协同创新工程项目(XTCXGC2021010) 福建省公益类科研院所基本科研专项(2021R1021004)。 

主　　题：番茄秸秆 水热生物炭 炭化温度 功能基团 

摘      要：为探究炭化温度和裂解时间对番茄秸秆水热生物炭(TSHB)微观结构、理化性质、主要成分及炭化效率的影响,并获得高效的炭化条件,采用低耗能的水热炭化法将番茄秸秆裂解为番茄秸秆水热生物炭。设置3个炭化温度(180、220、260℃)和4个裂解时间(2、4、6、8 h),共12个处理,研究不同组合的炭化温度和裂解时间对番茄秸秆水热生物炭形貌结构、功能基团、pH值、电导率(EC值)、生物炭成分的影响,并分析番茄秸秆水热生物炭主要成分的变化。结果表明,番茄秸秆多孔且中空的维管束结构有利于水分和热量在番茄秸秆内部的快速传递,增加水热炭化温度能加速破坏番茄秸秆维管束结构和将条状番茄秸秆炭化为颗粒状水热生物炭。番茄秸秆水热生物炭的功能基团主要是脂肪醚C-O、烷烃C-H、饱和脂肪酸酯C-O、胺C-N以及细胞壁基团C-O、C=O、C-N、C-O-C。提高炭化温度可增加番茄秸秆水热生物炭功能基团数量,但炭化温度达到260℃时,明显破坏且大幅度减少番茄秸秆水热生物炭功能基团数量。水热炭化法制备的番茄秸秆水热生物炭为酸性生物炭(pH值5.13~5.33)。在相同的裂解时间下,相较于180℃和260℃炭化温度,220℃炭化温度制备的番茄秸秆水热生物炭均获得最高的EC值(6 213~7 899μs/cm),但裂解时间从2 h延长到8 h,番茄秸秆水热生物炭EC值大幅下降18.19%~26.92%。提高炭化温度和延长裂解时间均显著增加番茄秸秆水热生物炭固定碳含量(2.23~27.99个百分点),但降低番茄秸秆水热生物炭挥发分含量(2.46~30.97个百分点)。提高炭化温度能增加番茄秸秆水热生物炭的总有机碳含量及全氮、灰分含量,增加幅度分别为10.63~29.91、0.58~0.87、1.82~3.09个百分点。综上,相对于延长裂解时间,提高水热炭化温度能更有效地提高番茄秸秆的炭化效率,增加番茄秸秆水热生物炭的氮氧功能基团数量及固定碳、全氮含量。水热炭化温度是决定番茄秸秆水热生物炭微观结构、功能基团、pH值、主要成分的关键因素,220℃炭化温度和4~6 h裂解时间是水热炭化法制备番茄秸秆水热生物炭较为合适的炭化条件。