热解气氛和温度协同调控对生物炭的化学组成、碳稳定性和四环素吸附性能的影响研究

作     者：吴亮 

作者单位：福建师范大学 

学位级别：硕士

导师姓名：陈卫锋

授予年度：2022年

学科分类：083002[工学-环境工程] 0830[工学-环境科学与工程（可授工学、理学、农学学位）] 081702[工学-化学工艺] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 

主      题：生物炭 热解温度 热解气氛 碳稳定性 吸附 四环素 

摘      要：热解温度和热解气氛作为生物炭制备过程中两个重要且易于调控的因素,显著地影响着生物炭的性质和环境应用。以往的研究主要集中在单一热解条件对生物炭的性质和环境应用的影响,鲜少考虑不同热解气氛和温度的综合作用。本研究选取农林废弃物松木屑和小麦秸秆作为生物质,在不同热解气氛（限空气、CO和N）和热解温度（300～750℃）下热解,制备出一系列不同性质的生物炭。首先,对生物炭进行表征,明确热解气氛和热解温度对生物炭性质的影响;其次,通过计算相关指标,并结合生物炭的性质,阐明热解气氛和热解温度对生物炭碳稳定性的影响,探明生物质热解过程中固碳最佳的热解条件;最后,通过对四环素（TC）的吸附实验,并结合生物炭的性质,阐明热解气氛和热解温度对生物炭吸附TC的影响,明确吸附性能最优的热解条件。主要研究结果如下:（1）对于任一气氛条件（限空气、CO和N）,低热解温度比高热解温度更有利于提高生物炭的产率、极性和含氧官能团含量,但高热解温度能明显提高生物炭的比表面积、微孔体积和芳香性;与限空气热解相比,CO和N热解的生物炭具有更高的产率、C含量和固定C含量,以及较低含量的无机元素;在低热解温度300℃,CO和N热解具有最高的生物炭产率和含氧官能团含量,在高热解温度750℃,CO热解的生物炭具有最高的石墨化程度、比表面积和微孔体积。（2）生物质热解生成生物炭是一条有效的固碳途径,生物质热解的固碳潜能取决于生物炭的碳保留率和生物炭的碳稳定性。提高热解温度会增强生物炭的碳稳定性但会降低生物炭的碳保留率;CO和N热解比限空气热解更有利于提高生物炭的碳保留率,且在较高的热解温度下,这两种气氛制备的生物炭的碳稳定性更高;在300℃,CO和N热解的生物炭具有最高的碳保留率（50.8～62.5%）;在750℃,CO和N热解的生物炭具有最佳的碳稳定性(碳稳定性指数R值:0.54～0.64);生物质热解的固碳潜能主要受生物炭的碳保留率控制,在300℃,CO和N热解条件下,生物质热解的固碳潜能最高（固碳系数CS值:23.6～32.1%）。（3）高热解温度比低热解温度更有利于增强生物炭的TC吸附能力;在同一热解温度下,限空气热解的松木屑生物炭对TC的吸附能力明显比CO和N热解的松木屑生物炭高;与其它热解温度相比,在750℃下,CO热解能够显著提高松木屑生物炭的吸附能力;在750℃下,三种气氛热解的小麦秸秆生物炭的TC吸附能力差异最大,CO热解明显比限空气和N热解更能提高小麦秸秆生物炭的TC吸附能力;松木屑在750℃下限空气热解的生物炭呈现出最强的TC吸附能力,最大吸附容量高达176.33 mg/g,小麦秸秆在750℃下CO热解的生物炭表现出最高的TC吸附能力,最大吸附容量可达51.60 mg/g,主要归因于该热解条件下生物炭的比表面积、微孔体积和芳香性均较高,主要的吸附机制为微孔填充和π-π电子供受体作用。本研究系统地阐明了热解气氛和温度协同调控对生物炭化学组成、碳稳定性和四环素吸附性能的影响,为优化生物炭的性质,提高其环境应用潜力（如:固碳、污染物吸附能力）提供理论参考。