人粪生物炭的制备及性能分析

白晓凤，张耀中，李子富，倪结文，云玉攀，尹福斌

人粪生物炭的制备及性能分析

白晓凤，张耀中，李子富，倪结文，云玉攀，尹福斌

(北京科技大学能源与环境工程学院，北京市工业典型污染物资源化处理重点实验室，北京，100083)

以人粪为原料制备生物炭，以得率、碘吸附值和亚甲基蓝吸附值为评价指标，考察制备过程中升温速率、热解温度和热解时间等因素对自制人粪生物碳吸附性能的影响。利用比表面积及孔径分析仪分析人粪生物碳的孔径分布和孔容以及比表面积。利用扫描电镜和XRD对生物碳的表面形貌和晶体结构进行分析。采用正交实验，确定最佳制备工艺条件。研究结果表明：在最优制备工艺条件下(升温速率15℃/m in，热解温度600℃，热解时间70m in)，人粪生物炭平均得率为49%，碘吸附平均值为682mg/g，亚甲基蓝吸附平均值为93m L/g。在最优条件下制得的人粪生物碳比表面积为690.8m2/g，总孔容积为0.329 cm3/g，中孔容积和微孔容积分别为0.235 cm3/g和0.087 cm3/g，平均孔径2.832 nm。生物碳表面比较粗糙，呈现凹凸不平、蜂窝状结构，并且表面存在发达的、孔径不一的孔结构，孔的形状多样。自制人粪生物碳中一部分碳原子形成了比较稳定的片层石墨结构，有利于应用中生物炭性质保持相对稳定。

生物炭；人粪；热解；FTIR分析

人类的生存与发展伴随着大量人类排泄物的产生，随着人们生活水平的提高，人粪对环境的污染也日益严重。据统计，2012年全国粪便清运量达到1 811.8万t，而无害化处理的粪便量仅801.4万t[1]。人粪污水中的有机质和氮、磷等物质若直接排放，会造成水体污染和富营养化，影响水体生态平衡。粪便污水中含有大量病原体，容易引发大规模传染病的流行[2]。随着近年来全球变暖和碳减排受到越来越多关注，低温热解制生物炭技术凭借其显著的固碳作用及对土壤肥效的促进作用，正逐步被人们关注并应用于农林废弃物、粪便污泥等固废的处理。与其他常规处理法相比较，低温热解技术显著优势主要表现在：固碳效果好，有助于减缓气候变化；处理迅速，占地面积小；灭菌效果好，无二次污染；产物−生物炭具有能源物质的作用，具有一定的经济价值[3]。生物炭特定的结构影响着其性能，而这些结构性能最终还要取决于生物质材料的种类和热解条件。一般粪质生物质材料的灰分含量要比木材和秸秆类生物质的髙，相应的生物炭产率也有同样规律[4]。热解温度对生物炭的结构影响很大，随着热解温度的升高(100～800℃)，生物炭逐渐从脂肪性炭转变为芳香性炭[5−6]，高温下的生物炭还具有类似于活性炭高比表面积的特性[7−8]，对土壤中有机和重金属污染物都有优良的吸附固定作用[9−10]。郝蓉等[11]认为，高温炭的芳香化程度更强，芳环结构使生物炭具有亲脂性，从而可吸附大量疏水性有机化合物。低温热解生物炭对极性污染物吸附能力较强，高温热解炭对非极性污染物吸附能力更强。另外，炭化升温速率和热解时间也会影响生物炭的结构特征[12−14]。于娟等[15]用热失重分析法对木屑及造纸厂污泥的热解行为及其动力学规律进行了研究，研究分析了3种试验样品在不同升温速率(10～30℃/min)下的实验结果。结果显示随着升温速率的提高，柳桉和水杉样品失重率和失重速率峰值均出现一定提高。根据人粪的特点，将其制成生物炭既可防止其对环境的污染，其产物生物炭又是一种良好的土壤调理剂。将生物炭施加在土壤中对土壤水分、氮磷钾等元素具有较好的吸附效果，对土壤可以起到贮水保肥的功效[16−17]，生物炭在土壤中能够贮存上千年的时间[18]，因此在土壤中施加生物炭对于减轻温室效应及增加土壤有机碳库具有重大意义。本文作者以人粪为原料制备生物炭，首先以得率、碘吸附值、亚甲基蓝吸附值为评价指标，考察制备过程中升温速率、热解温度、热解时间等因素对自制人粪生物炭吸附性能的影响。选择对自制生物炭的得率、碘及亚甲基蓝吸附值影响较大的3个水平，采用L9(34)正交试验表进行试验。研究得出制备人粪生物炭的最佳制备条件，并对在最佳工艺条件下制备的生物炭进行了表征。

1 材料与方法

1.1 材料

实验所用人粪取自北京科技大学校园化粪池内，在制备生物炭前对人粪污泥主要成分进行了测定，测定结果如表1所示。实验所用试剂均为分析纯。

表1 人粪的主要成分Table1 Ingredientsof human feces

1.2 人粪生物炭的制备

将风干的人粪置于坩埚中，压实后用盖子将其密封，放于管式炉中，分别于不同温度下热解特定时间，冷却后取出粉碎，过孔径75μm筛。用体积分数为10%的盐酸除去人粪生物炭表面的碳酸盐，用去离子水洗涤至滤液为中性后过滤，烘干后中备用。

1.3 分析方法

生物炭结构性能表征主要包括比表面积、孔径分析、红外光谱(FTIR)分析、X线衍射(XRD)分析和扫描电镜(SEM)分析等。生物炭的孔结构和孔体积、比表面积主要表征其表面物理特征。生物炭的表面含氧化学官能团的性质用于表征其表面化学特征。生物炭所表现出来的这些特征与制备生物炭原材料及制备方法等相关。生物炭的孔径、孔容及比表面积采用孔径分析测试仪及比表面积分析仪进行分析，生物炭样品的表面结构采用扫描电镜进行观察，生物炭样品表面的化学基团采用FTIR红外光谱仪进行表征。碘吸附值依据GB/T 12496.8—1999进行测定。亚甲基蓝吸附值依据GB/T 12496.10—1999测定。生物炭产率用式(1)计算。

式中：η为生物炭的得率，%；m0为热解前样品质量，g；m1为热解后样品质量，g。

2 结果与讨论

2.1 人粪生物炭的单因素影响实验

2.1.1 升温速率对生物炭得率及吸附性能的影响

升温速率(2～18℃/min)对人粪生物炭产量与吸附性能的影响如图1所示。从图1可以看出：随着升温速率的提高，人粪生物炭的得率总体趋势呈现先上升后下降的趋势，碘吸附值及亚甲基蓝吸附值呈上升趋势。升温速率变化时，得率变化区间为36%～48%，当升温速率达到6℃/m in时，生物炭的得率达到48%。当升温速率达到18℃/m in时，生物炭碘吸附值达到630mg/g，亚甲基蓝吸附值达到94.8m L/g。这主要是由于较快的升温速度，缩短了生物质达到相应热解温度所用的时间，但是由于生物质内外的温差变大，颗粒内部的热解反应会受到这种传热滞后的影响，从而使得热解反应进行的不彻底。较快的升温速率会导致生物质在相应热解温度下停留时间增加，从而导致生物质会发生“熔融”现象进而使得生物炭的孔结构遭到破坏。低温区的热解温度有助于木质素和纤维素的热解，升温速率较慢会使生物质在低温区停留时间增加，增加生物炭样品的产率，并且生物炭的孔性结构得到了较好的保护，但是低温速率热解耗能较高。ANGIN[14]研究了升温速率(10～50℃/m in)对Safflower种子压榨饼热解产率的影响，结果发现在热解温度为400℃时随着升温速率的升高产率从下34.18%下降到29.70%。

2.1.2 热解温度对人粪生物炭得率及吸附性能的影响

图1 升温速率对人粪生物炭得率和吸附性能的影响(热解温度600℃，热解时间60m in)Fig.1 Effectsof heating rate on yield and adsorption propertiesof biocharsof human feces(600℃,60m in)

图2 热解温度对人粪生物炭得率及吸附性能的影响(升温速率10℃/min，热解时间60m in)Fig.2 Effect of pyrolysis temperature on yield and adsorption propertiesof biocharsof human feces(10℃/min,60m in)

热解温度(400～800℃)对人粪生物炭得率及吸附性能的影响如图2所示。从图2可见：自制人粪生物炭得率随着热解温度的升高而不断下降，碘吸附值呈现出先升后降，亚甲基蓝吸附值出现不断上升的趋势。CLAOSTON等[19]研究热解温度(350，500，650℃)对稻壳生物炭产量的影响发现，随着热解温度的升高生物炭产量逐渐下降。SUN等[20]研究了甘蔗渣的热解规律，也发现了相同的规律，认为这是由于高温使更多的有机物质热解所致。

在本实验中，当热解温度为600℃时，碘吸附值达到最大，为620mg/g；热解温度为800℃时，自制人粪生物炭的亚甲基蓝吸附值达到最大，为95m L/g；但是当热解温度超过600℃时，自制人粪生物炭的碘吸附值下降较为明显，这是由于高温热解使生物炭孔洞产生了坍塌，生物炭的性质发生了变化。综合考虑最适热解温度选择600℃。

2.1.3 热解时间对人粪生物炭得率及吸附性能的影响

热解时间(30～90min)对人粪生物炭得率及吸附性能的影响如图3所示。从图3可见：随着热解时间的不断增加，人粪生物炭得率呈现出下降的趋势，而样品的碘及亚甲基蓝吸附值则呈现出先升后降的趋势。YUAN等[13]研究了热解时间对板蓝根药渣热解效果的影响，研究发现在热解温度为300℃时随着热解时间从10m in增加到180m in，生物炭的产率从39.13%下降到36.40%。当热解时间为60m in时，自制生物炭的碘及亚甲基蓝吸附值分别达到最大值620mg/g和85m L/g。之后自制生物炭的吸附性能会随着热解时间的继续增加而下降。这是由于在反应的开始阶段，样品的微孔增加较快，而后当热解时间达60min时，样品微孔数达到最高值，继续增加热解时间，微孔遭到破坏，新孔形成速度小于破坏速度，因而生物炭吸附性能下降。所以时间以60min为宜。

2.2 正交优化试验

在上述试验中以生物炭的碘值、亚甲基蓝值及得率作为生物炭性能的考察指标，选择对自制生物炭的得率、碘及亚甲基蓝吸附值影响较大的3个水平，采用L9(34)正交试验表进行试验。因素及水平如表2所示。表3所示为正交试验优化结果。

从表3可以看出：生物炭最大得率试验组为A1B1C1，得率为53%；在A3B2C1试验条件下制备的生物炭碘吸附值最大，为674mg/g；在A3B3C2实验条件下制备的亚甲基蓝吸附值最大，为92m L/g。从极差分析结果可以看出，A3B2C3为人粪生物炭吸附性能最优工艺制备组，A1B1C1为人粪生物炭得率的最优工艺制备组。在得率较高的前提下综合比较可以得出制备人粪生物炭的最佳工艺条件是：升温速率15℃/m in，热解温度600℃，热解时间70m in。由于正交优化试验中不包括此工艺条件，所以补做1组平行实验。由试验结果可以得出：在最优制备工艺条件下制备的生物炭得率为49%，碘吸附值为682mg/g，亚甲基蓝吸附值为93m L/g。

图3 热解时间对人粪生物炭得率及吸附性能的影响(升温速率10℃/m in，热解温度600℃)Fig.3 Effectof pyrolysis timeon yield and adsorption property of biocharsof human feces(10℃/m in,600℃)

由试验极差计算结果可以得出各因素对生物炭得率影响从大到小顺序依次为：热解温度、升温速率、热解时间；对碘吸附值影响从大到小的顺序为升温速率、热解温度、热解时间；对亚甲基蓝吸附值影响从大到小顺序为升温速率、热解温度、热解时间。

表2 正交试验因素水平表Table2 Orthogonal test factor horizontal table

表3 正交试验结果Table3 Orthogonal test results

2.3 人粪生物炭的表征

在人粪生物炭制备的最佳制备工艺条件(升温速率为15℃/min，热解时间70m in，热解温度600℃)下对制备的生物炭进行表征。

2.3.1 比表面积与孔径分析

与活性炭相比，生物炭在制备过程中没有进行高温活化，因此，其比表面积通常比活性炭小。活性炭比表面积一般在950m2/g以上，而生物炭在300m2/g左右，不同材料和温度制备的生物炭比表面积变化较大[21−22]。用BJH方程和BET方程对在最优工艺参数下制备的生物炭孔结构参数进行计算，结果如表4所示。从表4可以看出：人粪生物炭拥有较大的比表面积，含有一定量的微孔结构，生物炭的微孔结构有助于提高土壤蓄水能力和比表面积，可以吸附营养元素并固定重金属[3]，这对生物炭作为土壤调节剂改善土壤保水保肥性能和进行土壤修复有重要意义。

表4 人粪生物炭比表面积及孔结构参数Table4 Surface area and pore structure parametersof biocharsof human feces

2.3.2 红外光谱分析

图4所示为人粪生物炭样品的红外扫描光谱图。由图4可以看出：吸收峰出现在3 427，2 924，1 627，1 383和1 046 cm−1处，3 427 cm−1处有1个较强的吸收峰，它是由于醇、酚羟基O—H的伸缩振动。在2 924 cm−1处的吸收峰对应的是饱和烃的伸缩振动，说明生物炭中存在饱和烃类结构。1 627 cm−1处的吸收峰来自芳环上的C=C的伸缩振动峰。1 383 cm−1处的吸收峰对应于芳环中C=O的伸缩振动。1 046 cm−1来自C—O键的伸缩振动和O—H键的面内振动，可能为醚类、醇类物质[23]。

图4 人粪生物炭的红外光谱Fig.4 Infrared spectraof biochars derived from human feces

2.3.3 XRD分析

人粪生物炭的XRD谱如图5所示。从图5可见：生物炭中含有的石墨片状结构形成了衍射峰。衍射峰的峰强越强，说明样品结晶越好。晶体含量可以用衍射峰的面积来表征，峰面积越大对应着晶体含量则越高。由图5可知：在20°～30°之间存在1个尖锐的衍射峰，且衍射峰的面积比较大，表明在热解过程中，生物炭样品中部分炭原子形成了较稳定、含量相对较高的石墨片状层结构。这样有利于生物炭在达到吸附饱和后进行脱附处理，达到重复利用的目的，并且在实际应用中生物炭的性质会较稳定[24]。

图5 人粪生物炭XRD谱Fig.5 XRD spectrum of biocharsderived from human feces

2.3.4 扫描电镜(SEM)分析

人粪生物炭扫描电镜如图6所示。从图6可以看出：在600℃时，样品微孔孔壁烧蚀坍塌，从而加剧了生物炭的粗糙程度。这是因为在热解过程中，由于生物炭表面架构的微孔孔洞随着热解温度的上升被破坏。同时，当生物炭在受热热解过程中，内部向外部快速传递出许多能量，这些能量将生物炭样品内孔打开，杂乱无章的孔洞结构也增大了生物炭表面粗糙程度[25]。这些孔洞的形成也使生物炭具备了相对较高的比表面积。

图6 人粪生物炭扫描电镜照片Fig.6 SEM imagesof biochars derived from human feces

3 结论

1)采用人粪为原料制备生物炭，通过单因素试验和正交优化试验，在保证人粪生物炭具有较高得率的前提下确定了制备的最优工艺条件，其最佳制备工艺条件为：升温速率15℃/m in，热解温度600℃，热解时间70m in。在此工艺参数下得到的生物炭样品得率为49%，碘吸附值为682mg/g，亚甲基蓝吸附值为93m L/g。

2)不同因素对自制生物炭得率影响从大到小顺序为热解温度、升温速率、热解时间；对碘吸附值影响从大到小顺序为升温速率、热解温度、热解时间；对亚甲基蓝吸附值影响从大到小顺序为升温速率、热解温度、热解时间。

3)在最优条件下制得的人粪生物炭比表面积为690.8m2/g，总孔容积为0.329 cm3/g，中孔容积和微孔容积分别为0.235 cm3/g和0.087 cm3/g，平均孔径2.832 nm。在热解过程中，生物炭样品中一部分炭原子形成了较稳定、含量相对较高的石墨片状层结构。这种结构有利于在随后的应用中生物炭保持相对稳定的性质。通过扫描电镜(SEM)分析发现，生物炭表面较粗糙，呈现凹凸不平的蜂窝状结构，且表面存在孔径不一的孔结构。

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(编辑 赵俊)

Preparation and propertiesanalysisof biocharsderived from human feces

BAIXiaofeng,ZHANGYaozhong,LIZifu,NIJiewen,YUN Yupan,YIN Fubin

(Beijing Key Laboratory of Resource-oriented Treatmentof Industrial Pollutants, Schoolof Energy and Environmental Engineering,University of Scienceand Technology Beijing,Beijing 100083,China)

The biocharswere prepared w ith human feces in order to reduce the environment pollution caused by human feces.The effects of three factors(the pyrolysis tem perature,heating rate,and the pyrolysis time)on the performance of the biochars derived from human excrementwere investigated(single factor experiment).The yield and theadsorption valuesof iodine andmethylene blue of the biocharswere taken as the evaluation index.The biocharswith the optimum param eters w ere charac terized th rough BET(B runauer-Emm ett-Teller-N2)su rface area analysis,BJH (Barrett-Joyner-Halenda)pore volume analysis,SEM(scanning electronm icroscopy),FTIR(Fourier transform infrared spectroscopy)spectraand XRD(X-ray Diffraction).The optimum parameterswere obtained by orthogonal experiment. The resultsshow that the yield,and theadsorption valuesof iodine andmethylene blueof the biocharswith theoptimum parameters(heating rate is15℃/m in;pyrolysis temperature is600℃;pyrolysis time is 70m in)are 49%,682mg/g,93 m L/g,respectively.Under the optimum conditions,the surface area of the biochars is690.8m2/g;the total pore volume is 0.329 cm3/g;themesoporous volume andmicropore volume is0.235 cm3/g and 0.087 cm3/g and the average pore size is2.832 nm.Surfacemorphology of the biochars is rough and rugged;honeycomb and the shape of the pore are with diversity.The surface of the biochars contains some functional groups,such ashydroxyl,carboxyl,phenolic hydroxyl,etc. At the same time,the biochars contain relatively stable lamellar graphite structure.It can be seen that the biochars can be used asadsorbentbecause of the large suffice area and pore structure.

biochar;hunman feces;pyrolysis;FTIR analysis

X703.1

A

1672−7207(2017)03−0570−08

10.11817/j.issn.1672-7207.2017.03.003

2016−03−01；

2016−06−10

中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(FRF-IC-14-004)；国家重点研发计划项目(2016YFD0501402)(Project (FRF-IC-14-004)supported by the Fundamental Research Funds for the Central Universities;Project(2016YFD0501402)supported by the National Key Researchand DevelopmentProgram ofChina)

李子富，教授，博士生导师，从事厌氧发酵、生态卫生和水处理研究；E-mail:zifulee@aliyun.com