烟秆生物质炭热解温度优化及理化性质分析

杨兴, 黄化刚, 王玲, 申燕, 陆扣萍, 韩学博, 王海龙

(1.贵州省烟草公司毕节市公司，贵州 毕节551700；2.浙江农林大学环境与资源学院，浙江省土壤污染生物修复重点实验室，

浙江 临安 311300；3.河南农业大学作物学博士后流动站，郑州 450002)



烟秆生物质炭热解温度优化及理化性质分析

杨兴1,2, 黄化刚1,3*, 王玲1, 申燕1, 陆扣萍2, 韩学博2, 王海龙2

(1.贵州省烟草公司毕节市公司，贵州 毕节551700；2.浙江农林大学环境与资源学院，浙江省土壤污染生物修复重点实验室，

浙江 临安 311300；3.河南农业大学作物学博士后流动站，郑州 450002)

摘要为了解热解温度对烟秆生物质炭物理和化学特征的影响，将烟秆分别在350、400、450、500、550和600 ℃条件下热解制备生物质炭，测定烟秆生物质炭的得率、pH值、电导率和比表面积等基本特征，并通过扫描电镜、红外光谱、X射线能谱、X射线衍射和(13)C核磁共振等方法分析烟秆生物质炭的成分及结构特征。结果表明：烟秆生物质炭的得率、O含量、H含量和H/C、O/C、(O+N)/C原子比均随热解温度的提高逐渐降低，而pH值、电导率、比表面积和C含量等指标随热解温度提高逐渐增大；得率和pH值在大于500 ℃时趋于稳定，比表面积和pH值在450 ℃时均达最大(8.86 m2/g和9.98)。此外，随着热解温度的提高，烟秆生物质炭表面的含氧官能团明显减少，矿质元素和表面晶体含量逐渐增大。烟秆生物质炭中K、Al、Ca元素含量较高，分别为28.46～35.47、10.74～35.86和13.15～24.95 g/kg；生物质炭的稳定性和芳香化程度随热解温度升高而提高，而整体极性逐渐降低。综合分析，在450 ℃制备的烟秆生物质炭对农业生产和生态环境的预期效果最好。该研究结果可以为烟秆的资源化利用和烟秆生物质炭在农业生产和生态环境方面的推广应用提供理论依据和技术支持。

关键词烟秆； 生物质炭； 热解温度； 理化特征

Pyrolysis temperature optimization of biochar from tobacco stalk and its physicochemical characterization.JournalofZhejiangUniversity(Agric. &LifeSci.), 2016,42(2):245-255

YANG Xing1,2, HUANG Huagang1,3*, WANG Ling1, SHEN Yan1, LU Kouping2, HAN Xuebo2, WANG Hailong2

(1.BijieTobaccoCompanyofGuizhouProvince,Bijie551700,Guizhou,China; 2.KeyLaboratoryofSoilContaminationBioremediationofZhejiangProvince,SchoolofEnvironmentalandResourceSciences,ZhejiangA&FUniversity,Lin’an311300,Zhejiang,China; 3.PostdoctoralResearchCenterofCrops,HenanAgriculturalUniversity,Zhengzhou450002,China)

Summary Tobacco (NicotianatabacumL.) is an important commercial crop planted in China. Generally, tobacco stalks were burnt in the field after harvest, causing severe air pollution. The utilization of tobacco stalk has become an increasingly challenging issue in tobacco production, whereas conversion of tobacco stalk into biochar may provide a feasible approach. Biochar is a carbonaceous solid pyrolyzed from residual of agricultural and forest biomass. It can be used as soil amendment due to its favorable properties, such as high pH value, cation exchange capacity, oxygen-containing function groups, as well as microporous structures. Previous studies have demonstrated that biochar can be used for remediation of soils contaminated with organic and inorganic pollutants. Moreover, biochar has the potential of enhancing long-term sequestration on soil organic carbon, improving soil structure and water retention ability, promoting bioavailability and retention of the nutrients, and ultimately promoting plant growth and increasing crop yield. The environmental behavior and impacts of biochar mainly depend on its physical and chemical properties, while pyrolysis temperature is the main factor affecting the physicochemical characteristic.

To understand the influence of pyrolysis temperature on the physicochemical properties of biochars, the tobacco stalk was pyrolyzed at 350, 400, 450, 500, 550 and 600 ℃, then the properties of biochars such as yield rate, pH value, electrical conductivity and specific surface area were determined. The composition and structure characteristics of biochars were investigated by scanning electron microscopy, Fourier transform infrared spectroscopy, energy dispersive X-ray spectrometry, X-ray diffraction and13C-nuclear magnetic resonance analyses.

The results showed that the yield rate, contents of O and H as well as the H/C, O/C, (O+N)/C ratios of the biochars decreased with the rise of pyrolysis temperature. However, the pH value, electrical conductivity, specific surface area and total carbon contents of biochars increased as the pyrolysis temperature increased. The yield rate and pH value of biochar tended to be stable above 500 ℃, and the specific surface area and pH value peaked at 450 ℃. With the rise of pyrolysis temperature, the content of mineral elements and surface crystal increased, whereas the content of oxygen-containing functional groups decreased. Concentrations of K, Al and Ca were 28.46-35.47, 10.74-35.86 and 13.15-24.95 g/kg, respectively. The stability and aromaticity of biochar increased but its polarity decreased with the rise of pyrolysis temperature.

Overall, the tobacco stalk biochar pyrolyzed at 450 ℃ could achieve the optimal benefits for agricultural production and environmental protection. The results can provide useful theoretical guidance and technological support for the recycle and utilization of tobacco stalk, and the application of tobacco stalk biochar in agricultural production and environmental protection.

Key wordstobacco stalk; biochar; pyrolysis temperature; physicochemical characteristic

烟草(NicotianatabacumL.)为茄科烟草属植物，是一种重要的经济作物[1]。采收完烟叶后剩余的烟秆经常被当作废弃物丢弃在田间或直接燃烧，不仅浪费资源，还易造成环境污染[2]。据统计，我国每年约产生150万t烟秆[3]。因此，开展烟秆资源化利用研究的重要性不言而喻。目前，烟秆的资源化利用主要包括制备活性炭、提取低聚木糖和果胶、加工人造板、提取燃料油和化工材料、生产肥料和培养基质等方面[3]，但在实际生产中规模化应用很少。目前，在全国主要烟区仍然有大量的废弃烟秆堆积田间，不仅对生态环境和生态景观造成很大影响，同时也增加了烟草病虫害传播的概率。随着生物质炭研究的不断发展，热解烟秆制备生物质炭可成为实现烟秆资源化利用的一个重要途径。

生物质炭是将生物质农林废弃物、植物组织或动物尸体和粪便等在高温厌氧条件下热解而形成的一种含碳丰富的固体产物[4]。大量研究表明，生物质炭施入土壤后，可以增加土壤通气性和保水性，提高土壤肥力[5]，降低重金属和有机污染物毒性，改善土壤环境[6-7]，还可以促进植物生长，提高作物产量[8-9]，并且可以增强土壤固碳作用，减少土壤碳排放量[4,10]。龚亚琴等[11]将烟秆炭化制备生物质炭，通过盆栽试验施入植烟土壤中后，烟株生物量及对P、K的吸收量显著增加。王晋等[12]研究发现，在土壤中添加0.5%～1%烟秆生物质炭可以促进水稻幼苗的生长，添加量超过5%时则抑制其生长。生物质炭的环境行为及环境效应主要取决于其基本理化性质，而热解温度是影响生物质炭理化性质的主要因素[13]。大量学者采用不同种类的生物质为研究对象，考察了热解温度对生物质炭理化性质的影响[14-18]。然而，以烟秆为生物质原料的相关研究还鲜有报道。因此，本文以烟秆为研究材料，在不同厌氧条件下热解制备生物质炭，对比分析热解温度对烟秆生物质炭的得率、pH值、电导率、比表面积、元素含量、表面特性等理化性质的影响，评价其作为土壤改良剂的应用潜力，以期为烟秆的资源化利用和烟秆生物质炭在农业生产和生态环境方面的推广应用提供理论依据和技术支撑。

1材料与方法

1.1烟秆生物质炭的制备

试验所用的烟秆采自贵州省毕节市威宁县连片烟地，将所采集的烟秆加工成2～3 cm小段，在热解前于室温下自然风干为含水量5%～10%。将风干的烟秆装入自主设计的生物质自动炭化装置反应釜(TH-01，容积5 L，可以通N2，热解温度及功率可设定，最高温度800 ℃)内，在厌氧条件下以10 ℃/min的升温速率缓慢热解，热解最高温度分别选取350、400、450、500、550和600 ℃ 6个温度，达到最高温度时继续保持2 h使样品充分热解；在所有温度条件下均重复热解制备3次。将热解后的烟秆生物质炭冷却至室温后分别过20和100目不锈钢筛，保存，待分析。

1.2样品测定

1.2.1烟秆生物质炭的基本理化性质

烟秆生物质炭得率(Y)由热解前烟秆的质量(m1)和热解后生物质炭的质量(m2)计算所得，计算公式为Y=m2/m1×100%。将烟秆生物质炭和去离子水按质量体积比1∶20混匀，用玻璃棒充分搅拌1 h，在25 ℃条件下静置后用pH计测定烟秆生物质炭的pH值[14]。将烟秆生物质炭与去离子水按质量体积比1∶10混匀，充分搅拌后在25 ℃条件下用电导率仪(DDS-307型，上海虹益仪器仪表有限公司)测定电导率。烟秆生物质炭的比表面积利用比表面积分析仪(TristarII3020，Micromeritica仪器公司，美国)在77 K氮气条件下测定[9]。采用元素分析仪(Flash EA1112, Thermo Finnigan公司，意大利)测定烟秆生物质炭中C、N和H元素的含量，并计算出O元素的含量。矿质元素(K、Ca、Mg、Al、Cu和Zn等)含量采用硝酸-氢氟酸-高氯酸消煮，电感耦合等离子体发射光谱(ICP-OES，Optima 2000，PerkinElmer公司，美国)测定消煮液中矿质元素含量[19]，采用钼锑抗比色法(700 nm)测定消煮液中P元素含量[20]。

1.2.2烟秆生物质炭的表面特征分析

将烟秆生物质炭样品与无水KBr以质量比1∶50混合，用玛瑙研钵研磨后于压片机上压成均匀的薄片，在傅里叶变换红外光谱仪(IS-10系列，Nicolet公司，美国)上测定，测定范围为4 000～400 cm-1，分辨率为4 cm-1，通过波谱特征分析生物质炭的表面特征。采用X射线衍射仪(X’Pert PRO，PANalytical公司，荷兰)测定烟秆生物质炭原子结构和物相，采用Cu-kα射线，波长为0.154 1 nm，工作电压为30 kV，电流为30 mA，步长为0.01°，范围从10°到80°。分别使用发射扫描电镜(SU-8010，日立公司，日本)和能谱仪(Aztec X-MaxN，牛津仪器公司，美国)测定烟秆生物质炭的表面结构、形态和表面元素组成。烟秆生物质炭的固态交叉极化-魔角旋转13C核磁共振分析采用300 MHz核磁共振仪(AVANCE Ⅱ，布鲁克公司，德国)，13C频率为75.5 MHz，魔角自转频率为5 kHz，接触时间为2 ms，循环时间为2.5 s，转子直径为7 mm。

1.3数据统计分析

采用Excel 2007对数据进行处理，运用SPSS 17.0软件中的单因素方差分析和邓肯多重比较进行数据统计检验，应用Origin 8.0软件作图。

2结果与分析

2.1烟秆生物质炭的得率、pH值和电导率

在不同温度条件下制备的烟秆生物质炭的得率、pH值和电导率如表1所示。生物质炭的得率随热解温度的升高而逐渐降低，在350～600 ℃内，烟秆的热解得率为45.23%～33.42%，热解温度大于500 ℃时，所得生物质炭的得率差异无统计学意义(P>0.05)。与350 ℃相比，当热解温度升至400 ℃时，得率降低9.04%；当热解温度从400 ℃升至450 ℃时，得率降低1.84%；热解温度从450 ℃继续升至500 ℃时，得率降低1.9%。MAEK等[13]将松木、杉木等生物质在350～550 ℃条件下热解，结果表明提高热解温度会降低生物质炭的得率。UCHIMIYA等[21]将棉籽壳在200～800 ℃条件下热解，得率为83.4%～24.5%。王立华等[16]以猪粪和鸡粪为原料的相关研究也得出类似结果。这可能是在烟秆热解过程中，C—H、C—O等化学键随温度升高而断裂，H、O等挥发性元素的损失量大于C、K、Ca等元素的富集量所致[15]，也可能是在低温热解条件下容易形成二次结炭或发生重聚反应导致产量增加[22]。

在350～600 ℃之间热解制备的烟秆生物质炭均呈碱性，pH值最低为350 ℃时的9.13，最高为450 ℃时的9.98。当热解温度小于450 ℃时，随着热解温度的升高，烟秆生物质炭的pH值呈显著递增趋势(P<0.05)。尹云锋等[23]以杉木和木荷的凋落物为原料在250～750 ℃条件下制备生物质炭，pH值随热解温度升高呈递增趋势，原因在于温度升高导致挥发性物质减少，K、Ca、Mg等元素相对富集，这些元素多以氧化物或碳酸盐形式存在，这些物质溶于水可提高pH。然而，当热解温度大于500 ℃时，所得烟秆生物质炭的pH值在统计学上没有显著差异(P>0.05)，基本保持在9.6左右。姚红宇等[18]研究也发现，从300～450 ℃，棉秆炭的pH值迅速增大，当热解温度大于450 ℃时，棉秆炭的pH值基本保持在10.48左右。当热解温度由450 ℃升至500 ℃时，烟秆生物质炭的pH显著降低，这一结果的具体机制和原因有待于进一步研究。由于大多数生物质炭呈碱性，在降低酸性土壤酸度、交换性铝离子和盐基含量，提高酸性土壤肥力和作物产量方面具有很大潜力，被作为一种很有潜力的土壤改良剂[7,15]。

当热解温度从350 ℃升至600 ℃时，所得烟秆生物质炭的电导率变化较大，从2.29 mS/cm至5.46 mS/cm，每提高一个温度梯度，电导率均显著增大，差异有统计学意义(P<0.05)。其中，热解温度由450 ℃增加至500 ℃时，烟秆生物质炭的电导率增幅最大，增加了1.24 mS/cm。本研究结果与姚红宇等[18]的研究结果一致，他们发现棉秆炭的电导率随热解温度的升高而增加，且当热解温度为600 ℃时，电导率迅速提高(P<0.05)，而阳离子交换量随热解温度的升高有降低的趋势。因此，烟秆生物质炭作为改良剂可以提高土壤的电导率和阳离子交换量[15,18]。

表1　不同热解温度烟秆生物质炭得率、pH值、电导率和比表面积

同列数据后的不同小写字母表示在P<0.05水平差异有统计学意义。

The values followed by different lowercase letters in the same column represent statistically significant differences at the 0.05 probability level.

2.2烟秆生物质炭的比表面积和表面结构分析

比表面积是单位质量或者单位体积的某种物质的总表面积，包括外表面积与空隙表面积[24]。由于大量空隙的存在，生物质炭的比表面积可能是外表面积的几十倍甚至数百倍。因此，在生物质炭施入土壤后，可以增加土壤的透气性，从而起到改善土壤物理结构的作用[6-7]。生物质炭的比表面积和表面结构特征也是影响其吸附性能的一个重要参数[15]。在不同温度条件下制备的烟秆生物质炭的比表面积见表1。从中可知，当热解温度低于500 ℃时，随着温度升高，烟秆生物质炭的比表面积呈逐渐增加的趋势，最高达8.86 m2/g；当热解温度升至550 ℃时，所得烟秆生物质炭的比表面积降低至4.51 m2/g；当热解温度为600 ℃时，烟秆生物质炭的比表面积又升至8.05 m2/g。与本研究不同，大多数学者的研究结果表明，生物质炭的比表面积随热解温度的升高而逐渐增大[15,25-26]。但CHEN等[27]测定不同热解温度(150～600 ℃)橘子皮炭的比表面积发现，所得生物质炭的比表面积随热解温度的增加呈波动变化，原因可能是橘子皮中木质素含量较少。在本研究中热解温度大于500 ℃时，温度对烟秆生物质炭比表面积的影响机制尚不清楚，有待进一步试验验证。总体而言，热解温度越高，烟秆生物质炭的比表面积越大，且在500 ℃时达到最大。

图1显示了在6种不同温度下制备的烟秆生物质炭的扫描电镜图。从中可知，不同热解温度对烟秆生物质炭的表面结构具有不同的影响。烟秆在高温热解过程中，生物质表面结构逐渐破裂，在表面形成明显的孔隙结构。在较低温度(350～500 ℃)条件下热解制备的烟秆生物质炭还具有烟秆的骨架结构，孔隙结构较规则，大小孔分布较均匀。形成此结构的主要原因可能是生物质本身具有海绵结构，也可能是热解时水蒸气和气体逸出时形成了气泡或气孔[15]。在350和400 ℃制备的烟秆生物质炭孔隙结构的发达程度明显弱于450和500 ℃制备的烟秆生物质炭。这可能是由于随热解温度的提高挥发性物质释放量增大而造成的。在较高温度(550～600 ℃)时，烟秆生物质炭结构破坏较严重，孔隙结构不规则，孔径大小不一，差别较大。罗凯等[28]研究发现，提高裂解温度会促进稻壳和梧桐叶生物质炭的塑性变形，原因可能是炭化程度增大，木质素发生软化和熔融，阻塞气孔而导致空隙结构变差。

图1　不同热解温度烟秆生物质炭的扫描电镜图Fig.1　Scanning electron microscope results of tobacco stalk biochars pyrolyzed at different temperatures

2.3烟秆生物质炭的元素组成分析

表2为烟秆生物质炭的C、N、H和O 4种元素的含量对比。结果表明，热解温度决定烟秆生物质炭的元素含量。随着热解温度的升高，烟秆生物质炭的含C量从54.65%(350 ℃)升至66.03%(550 ℃)，当热解温度为600 ℃时，含C量降至65.04%；含N量则由2.21%(350 ℃)降至1.64%(600 ℃)，不同热解温度制备的烟秆生物质炭的N元素含量相对较稳定；相应的H元素含量则随着热解温度的升高而逐渐降低，从3.75%(350 ℃)降至1.56%(600 ℃)。总体而言，在本研究中随热解温度的升高，烟秆生物质炭的C元素含量逐渐增加，H和O元素含量相应降低。这与以其他生物质为试验材料的研究结果[14,29-30]相一致。

从表2还可以看出，烟秆生物质炭的H/C、O/C和(O+N)/C原子比随热解温度的升高呈逐渐降低的趋势。随着热解温度的升高，烟秆生物质炭H/C原子比由0.07(350 ℃)降至0.02(600 ℃)，而O/C比和(O+N)/C比则从0.72(350 ℃)和0.76(350 ℃)分别降至0.45(550 ℃)和0.48(550 ℃)。以上4种元素原子比可以表征生物质炭的芳香化程度和极性[24]，其中，H/C和O/C越小，芳香化程度越高，(O+N)/C越大则极性越大。这一结果与其他相关研究结果[14,21,31]一致。

与其他生物质炭类似，烟秆生物质炭的元素组成主要受热解温度影响[18,30]。随着热解温度升高，烟秆生物质炭的稳定性也逐渐提高[15,32]，因而施入土壤后抵抗微生物分解的能力更强，可以在土壤中稳定存在较长时间，对土壤碳汇和土壤环境产生长远影响[7]。

表2　不同热解温度烟秆生物质炭元素组成分析

烟秆生物质炭中矿质元素质量分数见表3。与C元素相似，烟秆生物质炭中矿质元素含量随热解温度升高而逐渐增加。其中K、Al、Ca元素含量较高，分别为28.46～35.47、10.74～35.86和13.15～24.95 g/kg，Mg、P元素含量较低，分别为4.82～7.73和0.43～0.72 g/kg，Zn、Cu元素含量则更低，分别为59.57～149.23和22.56～49.89 mg/kg。CAO等[33]研究发现，热解温度从100 ℃升至500 ℃，所得牛粪生物质炭的全P、Ca、Mg含量分别提高192%、202%和172%。王立华等[16]研究表明，提高热解温度可以增加猪粪和鸡粪生物质炭中P、K、Ca、Fe、Mn、Cu、Zn等元素的含量。这说明在热解过程中烟秆C、H、O、N等不稳定元素热解挥发，而P、K、Ca、Mg、Al等矿质元素被浓缩，在生物质炭中富集[7]；而这些矿质元素含量的升高也是烟秆生物质炭pH值升高的主要原因[17]。烟秆生物质炭施入土壤后可以提高土壤肥力，为植物、微生物提供必需营养元素，从而提高土壤质量[6-7]。

表3　不同热解温度烟秆生物质炭的矿质元素质量分数

同列数据后的不同小写字母表示在P<0.05水平差异有统计学意义。

The values followed by different lowercase letters in the same column represent statistically significant differences at the 0.05 probability level.

此外，将在不同温度条件下制备的生物质炭进行能量色散X射线检测，分析烟秆生物质炭表面某点的元素组成及含量(图2，表4)。结果表明，烟秆生物质炭表面的某一点主要由C和O元素组成，此外，还有少量的Mg、Al、K、Ca和Cl等元素。随着热解温度的升高，C元素含量逐渐升高，由350 ℃的79.25%增至600 ℃的94.88%。对比表2和表4可知：烟秆生物质炭的表面C含量均高于相同热解温度下的总C含量，这说明烟秆生物质炭的组成具有空间异质性[34]；随着热解温度的升高，烟秆生物质炭表面O元素含量逐渐降低，由350 ℃的18.99%降至550 ℃的10.66%，当热解温度为600 ℃时，O元素未检测出。这与烟秆生物质炭总O元素含量的变化趋势一致。在不同热解温度条件下制备的烟秆生物质炭除Ca和Si外，其他元素含量均随热解温度增加而递增。这说明较高温热解制备的烟秆生物质炭具有较高的表面极性[34]。

图2　不同热解温度烟秆生物质炭表面某位点能量色散X射线图谱Fig.2　Energy dispersive X-ray spectrometry (EDS) of tobacco stalk biochars pyrolyzed at different temperatures

w/%

—：未检测出。 “—” indicates no detected.

2.4烟秆生物质炭红外光谱分析

图3　不同热解温度烟秆生物质炭的红外光谱Fig.3　Fourier transform infrared spectrometry of tobacco stalk biochars pyrolyzed at different temperatures

2.5烟秆生物质炭的X射线衍射图谱分析

图4　不同热解温度烟秆生物质炭的X射线衍射图谱Fig.4　X-ray diffraction spectrometry of tobacco stalk biochars pyrolyzed at different temperatures

2.6烟秆生物质炭的13C核磁共振图谱分析

从图5可以看出，烟秆生物质炭主要由烷基碳、芳香碳和少量羧基、羰基炭组成。由表5可知：当热解温度较低(小于400 ℃)时，烟秆生物质炭中有机质以脂肪碳为主，芳香碳含量次之，羧基、羰基碳含量最低；随着热解温度的提高，生物质炭中烷基碳、甲氧基和碳水化合物含量均逐渐降低，脂肪碳总含量由55.36%降至12.62%，芳香碳含量则剧烈升高，由29.21%升至74.04%；羧基和羰基碳含量则变化不大，由350 ℃的15.43%升至550 ℃的26.62%，在600 ℃时则又降至13.34%。该结果证明随热解温度的提高，烟秆生物质炭的芳香化程度逐渐提高[14,37]。这也与本研究中O/C比(表2)和X射线衍射图谱分析(图4)结果相一致。此外，总体上，随着热解温度的提高，烟秆生物质炭中极性碳含量逐渐降低，尤其在热解温度为600 ℃时降低最明显。这一结果与根据(O+N)/C比(表2)所得结论一致。徐东昱等[34]研究发现，柳条生物质炭和水稻秸秆生物质炭的极性也随热解温度的升高而降低。

图5　不同热解温度烟秆生物质炭的13C核磁共振图谱Fig.5　13C-nuclear magnetic resonance spectrum of tobacco stalk biochars pyrolyzed at different temperatures

热解温度Pyrolysistemperature/℃w(羧基和羰基碳等)Carboxylandcarbonylcarbon,etc.content/%w(芳香碳)Aromaticcarboncontent/%脂肪碳Aliphaticcarbon甲氧基碳/碳水化合物Ratioofmethoxylcarbontocarbohydratew(烷基碳)Alkylcarboncontent/%合计Total/%w(极性碳)Polaritycarboncontent/%35015.4329.2119.1036.2655.3634.5340019.1435.0615.5330.2745.8034.6745020.2042.4014.6322.7637.3934.6350025.1154.528.4712.0120.4833.5655026.6251.797.2114.3921.6033.8360013.3474.040.0012.6212.6213.34

3结论

3.1烟秆生物质炭的得率随热解温度的升高逐渐降低，热解温度大于500 ℃时趋于稳定。烟秆生物质炭的pH值在热解温度为450 ℃时达到最大(9.98)；电导率随热解温度提高逐渐增大，且热解温度为600 ℃时迅速提高；随着热解温度的提高，烟秆生物质炭表面结构逐渐被破坏，比表面积逐渐升高，在500 ℃时达到最大(8.86 m2/g)。

3.2随热解温度的提高，烟秆生物质炭的C和矿质元素含量均增大，H/C、O/C、(O+N)/C比逐渐降低，烟秆生物质炭的芳香性和表面极性提高，而整体极性却逐渐降低，因而生物质炭的稳定性和养分含量均随热解温度的升高而提高。

3.3通过对烟秆生物质炭进行红外光谱、X射线衍射和13C核磁共振等分析，发现在热解过程中，烟秆生物质炭表面形成了多种含氧官能团，随着热解温度的升高，官能团逐渐减少直至消失，且烟秆生物质炭有机质中主要以芳香碳为主。生物质炭表面还含有KCl和CaCO3等矿物和类石墨微晶，这些晶体可以提高生物质炭的稳定性和吸附性能。

综上，结合生物质炭得率、pH、比表面积、元素含量、表面结构特征等特性指标变化趋势，本研究认为在450 ℃条件下制备的烟秆生物质炭适合作为土壤改良剂用于农业生产。

参考文献(References)：

[1]龚迎春,李晓平,吴章康,等.烟秆制备刨花板的力学性能研究.西部林业科学,2013,42(6):115-118.

GONG Y C, LI X P, WU Z K,etal. Research on the mechanical properties of particleboard of tobacco rod.JournalofWestChinaForestryScience, 2013,42(6):115-118. (in Chinese with English abstract)

[2]王敏.废次烟草中有效成分的综合利用.中国资源综合利用,2003(2):16-18.

WANG M. Comprehensive utilization of effective constituent in abandoned tobacco.ChinaResourcesComprehensiveUtilization, 2003(2):16-18. (in Chinese)

[3]刘超,翟欣,许自成,等.关于烟秆资源化利用的研究进展.江西农业学报,2013,25(12):116-119.

LIU C, ZHAI X, XU Z C,etal. Research advance in resource utilization of tobacco stalk.ActaAgriculturaeJiangxi, 2013,25(12):116-119. (in Chinese with English abstract)

[4]YANG X, LIU J J, MCGROUTHER K,etal. Effect of biochar on the extractability of heavy metals (Cd, Cu, Pb and Zn) and enzyme activity in soil.EnvironmentalScienceandPollutionResearch, 2016,23(2):974-984.

[5]SPOKAS K A, NOVAK J M, VENTEREA R T. Biochar’s role as an alternative N-fertilizer: Ammonia capture.PlantandSoil, 2012,350:35-42.

[6]ZHANG X K, WANG H L, HE L Z,etal. Using biochar for remediation of soils contaminated with heavy metals and organic pollutants.EnvironmentalScienceandPollutionResearch, 2013,20(12):8472-8483.

[7]袁金华,徐仁扣.生物质炭的性质及其对土壤环境功能影响的研究进展.生态环境学报,2011,20(4):779-785.

YUAN J H, XU R K. Progress of the research on the properties of biochars and their influence on soil environmental functions.EcologyandEnvironmentalScience, 2011,20(4):779-785. (in Chinese with English abstract)

[8]ASAI H, SAMSON B K, STEPHAN H M,etal. Biochar amendment techniques for upland rice production in Northern Laos 1. Soil physical properties, leaf SPAD and grain yield.FieldCropsResearch, 2009(111):81-84.

[9]LU K P, YANG X, SHEN J J,etal. Effect of bamboo and rice straw biochars on the bioavailability of Cd, Cu, Pb and Zn toSedumplumbizincicola.AgricultureEcosystemsandEnvironment, 2014,191:124-132.

[10]LEHMANN J, GAUNT J, RONDON M. Bio-char sequestration in terrestrial ecosystems: A review.MitigationandAdaptationStrategiesforGlobalChange, 2006,11(2):395-419.

[11]龚亚琴,尹力初,舒荣波,等.不同生物黑炭对烤烟生长及养分吸收的影响.湖南农业科学,2012(14):20-21.

GONG Y Q, YIN L C, SHU R B,etal. Effect of different biochars on the growth and nutrient uptake of tobacco.HunanAgriculturalSciences, 2012(14):20-21. (in Chinese)

[12]王晋,庄舜尧,曹志洪,等.不同原料生物炭对水稻幼苗发育的影响评估.安徽农业科学,2014,42(22):7360-7362.

WANG J, ZHUANG S Y, CAO Z H,etal. Evaluation of effects of different biochars on the growth of rice seedlings.JournalofAnhuiAgriculturalSciences, 2014,42(22):7360-7362. (in Chinese with English abstract)

[14]WU W X, YANG M, FENG Q B,etal. Chemical characterization of rice straw-derived biochar for soil amendment.BiomassandBioenergy, 2012,47:268-276.

[15]罗煜,赵立欣,孟海波,等.不同温度下热裂解芒草生物质炭的理化特征分析.农业工程学报,2013,29(13):208-217.

LUO Y, ZHAO L X, MENG H B,etal. Physio-chemical characterization of biochars pyrolyzed from miscanthus under two different temperatures.TransactionsoftheChineseSocietyofAgriculturalEngineering, 2013,29(13):208-217. (in Chinese with English abstract)

[16]王立华,林琦.热解温度对畜禽粪便制备的生物质炭性质的影响.浙江大学学报(理学版),2014,41(2):185-190.

WANG L H, LIN Q. Characterization of poultry and swine manure-derived biochar as affected by pyrolysis temperature.JournalofZhejiangUniversity(ScienceEdition), 2014,41(2):185-190. (in Chinese with English abstract)

[17]许燕萍,谢祖彬,朱建国,等.制炭温度对玉米和小麦生物质炭理化性质的影响.土壤,2013,45(1):73-78.

XU Y P, XIE Z B, ZHU J G,etal. Effects of pyrolysis temperature on physical and chemical properties of corn biochar and wheat biochar.Soils, 2013,45(1):73-78. (in Chinese with English abstract)

[18]姚红宇,唐光木,葛春辉,等.炭化温度和时间与棉秆炭特性及元素组成的相关关系.农业工程学报,2013,29(7):199-205.

YAO H Y, TANG G M, GE C H,etal. Characteristics and elementary composition of cotton stalk-char in different carbonization temperatures and time.TransactionsoftheChineseSocietyofAgriculturalEngineering, 2013,29(7):199-205. (in Chinese with English abstract)

[19]CARIGNAN R, TESSIER A. The co-diagenesis of sulfur and iron in acid lake sediments of southwestern Québec.GeochimicaetCosmochimicaActa, 1988,52(5):1179-1188.

[20]鲁如坤.土壤农业化学分析方法.北京:中国农业科学技术出版社,2000:167-168.

LU R K.AnalyticalMethodsofSoilAgrochemistry. Beijing: China Agricultural Science and Technology Press, 2000:167-168. (in Chinese)

[21]UCHIMIYA M, WARTELLE L H, KLASSON K T,etal. Influence of pyrolysis temperature on biochar property and function as a heavy metal sorbent in soil.JournalofAgriculturalandFoodChemistry, 2011,59(6):2501-2510.

[22]WILLIAMS P T, BESLER S. The influence of temperature and heating rate on the slow pyrolysis of biomass.RenewableEnergy, 1996,7(3):233-250.

[23]尹云锋,张鹏,雷海迪,等.不同热解温度对生物质炭化学性质的影响.热带作物学报,2014,35(8):1496-1500.

YIN Y F, ZHANG P, LEI H D,etal. Influence of different pyrolysis temperatures on chemical properties of biochar.ChineseJournalofTropicalCrops, 2014,35(8):1496-1500. (in Chinese with English abstract)

[24]徐义亮.生物炭的制备热动力学特性及其对镉的吸附性能和机制.杭州:浙江大学,2013:11-12,30-32.

XU Y L. Thermodynamic properties of biochar preparation and sorption characteristics and mechanisms of cadmium onto biochars. Hangzhou: Zhejiang University, 2013:11-12,30-32. (in Chinese with English abstract)

[25]BERGERON S P, BRADLEY R L, MUNSON A,etal. Physico-chemical and functional characteristics of soil charcoal produced at five different temperatures.SoilBiologyandBiochemistry, 2013,58:140-146.

[26]CHEN B L, ZHOU D D, ZHU L Z. Transitional adsorption and partition of nonpolar and polar aromatic contaminants by biochars of pine needles with different pyrolytic temperatures.EnvironmentalScienceandTechnology, 2008,42(14):5137-5143.

[27]CHEN B L, CHEN Z M. Sorption of naphthalene and 1-naphthol by biochars of orange peels with different pyrolytic temperatures.Chemosphere, 2009,76:127-133.

[28]罗凯,陈汉平,王贤华,等.生物质焦及其特性.可再生能源,2007,25(1):17-19.

LUO K, CHEN H P, WANG X H,etal. Characterization of bio-char and its characteristics.RenewableEnergyResources, 2007,25(1):17-19. (in Chinese with English abstract)

[29]AZARGOHAR R, NANDA S, KOZINSKI J A,etal. Effects of temperature on the physicochemical characteristics of fast pyrolysis bio-chars derived from Canadian waste biomass.Fuel, 2014,125:90-100.

[30]李飞跃,汪建飞,谢越,等.热解温度对生物质炭碳保留量及稳定性的影响.农业工程学报,2015,31(4):266-271.

LI F Y, WANG J F, XIE Y,etal. Effects of pyrolysis temperature on carbon retention and stability of biochar.TransactionsoftheChineseSocietyofAgriculturalEngineering, 2015,31(4):266-271. (in Chinese with English abstract)

[31]SUN Y N, GAO B, YAO Y,etal. Effects of feedstock type, production method, and pyrolysis temperature on biochar and hydrochar properties.ChemicalEngineeringJournal, 2014,240:574-578.

[32]KEILUWEIT M, NICO P S, JOHNSON M G,etal. Dynamic molecular structure of plant biomass-derived black carbon (biochar).EnvironmentalScienceandTechnology, 2010,44(4):1247-1253.

[33]CAO X D, HARRIS W. Properties of dairy-manure-derived biochar pertinent to its potential use in remediation.BioresourceTechnology, 2010,101(14):5222-5228.

[34]徐东昱,金洁,颜钰,等.X射线光电子能谱与13C核磁共振在生物质炭表征中的应用.光谱学与光谱分析,2014,34(12):3415-3418.

XU D Y, JIN J, YAN Y,etal. Characterization of biochar by X-ray photoelectron spectroscopy and13C nuclear magnetic resonance.SpectroscopyandSpectralAnalysis, 2014,34(12):3415-3418. (in Chinese with English abstract)

[35]NOVAK J M, LIMA I, XING B S,etal. Characterization of designer biochar produced at different temperatures and their effects on a loamy sand.AnnalsofEnvironmentalScience, 2009,3:195-206.

[36]余峻峰,陈培荣,俞志敏,等.KOH活化木屑生物炭制备活性炭及其表征.应用化学,2013,30(9):1017-1022.

YU J F, CHEN P R, YU Z M,etal. Preparation and characteristics of activated carbon from sawdust bio-char by chemical activation with KOH.ChineseJournalofAppliedChemistry, 2013,30(9):1017-1022. (in Chinese with English abstract)

[37]BONELLI P R. Slow pyrolysis of nutshells: Characterization of derived chars and of process kinetics.EnergySources, 2003,25(8):767-778.

中图分类号X 712

文献标志码A

收稿日期(Received)：2015-09-10；接受日期(Accepted)：2015-11-27；网络出版日期(Published online)：2016-03-20

*通信作者(

Corresponding author)：黄化刚(http://orcid.org/0000-0003-2478-9205)，E-mail:hhg491124@163.com

基金项目：中国博士后科学基金(2015M572107)；贵州省自然科学基金([2013]2193)；贵州省毕节市烟草公司专项基金(BJYC201308).

第一作者联系方式：杨兴(http://orcid.org/0000-0002-4060-1404)，E-mail:YX20080907@163.com

URL:http://www.cnki.net/kcms/detail/33.1247.S.20160321.1424.014.html