热解条件对秸秆生物质炭性质的影响研究

李兆龙， 张 婧， 冯梦丹， 哈 宁， 郝弘宇， 来雪慧

(太原工业学院环境与安全工程系，山西 太原 030008)

引 言

随着农业的快速发展，我国秸秆产量也逐渐增加，尽管秸秆利用率呈现上升趋势，但仍有一部分秸秆未被利用。当前，未被利用的农作物秸秆处理方式主要有粉碎还田和直接焚烧[1]。粉碎还田的秸秆由于腐解速度较慢，腐解过程中释放的养分含量难以保证作物生长需要[2]；而焚烧处理则会加剧温室效应，造成大气污染[3]。近年来，通过热解制备秸秆生物质炭成为秸秆资源化的重要途径。秸秆生物质炭是农作物秸秆在厌氧或者绝氧条件下，通过高温热解产生的固体炭物质。生物质炭由于其比表面积大，吸附能力强，逐渐成为环境友好的吸附材料[4]。目前农作物秸秆种类虽然繁多，但仍以小麦和玉米秸秆为主。因此，本研究以小麦秸秆和玉米秸秆为原材料制备生物质炭，探究不同热解条件对生物质炭理化性质的影响，以期为农业废弃物资源化及生物质炭制备条件的优化提供科学依据。

1 材料和方法

1.1 生物质炭制备

小麦和玉米秸秆取自山西省太原市尖草坪区南寨小麦和玉米农田。将秸秆用去离子水清洗和自然风干后，切成5 cm左右小段置于密闭容器内，在马弗炉中热解。热解温度分别为400、450、500 ℃，热解时间为0.5、1.0、2.0、3.0、5.0 h。秸秆热解完成后冷却至室温，将秸秆生物质炭粉碎过80目(178 μm)筛备用。

1.2 分析方法

秸秆生物质炭pH值在m(生物质炭)：m(水)=1:5的条件下通过水浸提法测定；阳离子交换量(CEC)通过乙酸钠-火焰光度计法测定；有机碳含量通过重铬酸钾-浓硫酸外加热法测定。

1.3 数据分析

通过单因素方差分析和LSD法对显著性进行检验，采用SPSS21.0和Excel进行数据统计。

2 结果分析

2.1 秸秆生物质炭产率

不同热解温度和时间条件下的小麦秸秆和玉米秸秆生物质炭的产率如第7页表1所示。可以看出，秸秆生物质炭产率在相同热解时间内随着热解温度的增加而降低，400 ℃条件下秸秆生物质炭产率明显高于450 ℃和500 ℃产率条件下的产率(p<0.05)。其中，小麦秸秆生物质产率平均值在400、450、500 ℃下分别为34.67%、29.46%和27.28%，分别高于玉米秸秆生物质炭产率。在同样热解温度下，秸秆生物质炭产率随着热解时间增加呈现下降趋势，在热解0.5 h时达到最大产率。当热解温度400 ℃，热解时间0.5 h时，小麦秸秆生物质炭产率最大，为37.82%。当热解温度500 ℃，热解时间5.0 h时，玉米秸秆生物质炭为26.93%，为研究中最小产率。

表1 热解温度和时间对不同秸秆生物质炭产率的影响 %

2.2 秸秆生物质炭pH值

表2为热解温度和热解时间对两种秸秆生物质炭pH值的影响。可以看出，热解后秸秆生物质炭的pH值均高于9.0，偏碱性。小麦秸秆生物质炭的平均pH值在400 ℃、450 ℃和500 ℃条件下为9.64、9.95和10.12；玉米秸秆生物质炭在不同热解温度下的平均pH值为9.64、9.81和9.99。同样热解时间内，秸秆生物质炭的pH值随着热解温度的增加而增加。除小麦秸秆生物质炭在热解0.5 h外，其他热解时间内500 ℃条件下的秸秆生物质炭pH值均显著高于400 ℃的pH值(p<0.05)。同样热解温度条件下，秸秆生物质炭的pH值随着热解时间的变化没有明显的变化。

表2 热解温度和时间对不同秸秆生物质炭pH值的影响

2.3 秸秆生物质炭有机碳含量

表3为不同热解温度和热解时间对秸秆生物质炭有机碳含量的影响。由此可以看出，热解温度为400 ℃、450 ℃和500 ℃条件下，小麦秸秆生物质炭有机碳含量在不同热解时间的平均值为691.24、662.02、573.25 g·kg-1；玉米秸秆生物质炭有机碳含量的平均值分别为545.42、516.13、458.83 g·kg-1。同样热解时间内，秸秆生物质炭有机碳含量随着热解温度的增加而降低，500 ℃条件下的秸秆生物质炭有机碳含量显著低于400 ℃下的有机碳含量(p<0.05)。同样热解温度下，两种秸秆生物质炭热解0.5 h的有机碳含量最高，热解5.0 h的有机碳含量最低。

表3 热解温度和时间对不同秸秆生物质炭有机碳含量的影响 g/kg

2.4 不同热解温度条件下热解时间和生物质炭性质的回归分析

不同热解温度条件下的秸秆生物质炭性质与热解时间的线性回归分析如第8页图1所示。由图1可知，小麦秸秆和玉米秸秆生物质炭产率、有机碳含量和热解时间呈现负相关关系。热解温度为500 ℃时，秸秆生物质炭产率与热解时间的相关系数R2为0.919 7，是最大值；450 ℃时两者之间的相关系数最小，为0.412 8。生物质炭pH值与热解时间则主要呈现正相关关系，只有在热解温度为400 ℃时呈现负相关关系，相关系数R2为0.646 4。

图1 不同热解温度条件下热解时间和生物质炭性质的线性回归分析

3 结论

1) 研究中通过小麦和玉米秸秆制备生物质炭，与热解时间相比，热解温度为影响生物质炭性质的主要因子。同样热解条件下，小麦秸秆生物质炭产率高于玉米秸秆。当热解温度400 ℃，热解时间0.5 h时，小麦秸秆生物质炭产率最大。同时，两种生物质炭的pH值均呈现碱性，pH值范围为9.41～10.29。热解温度为400 ℃时，生物质炭有机碳含量显著高于其他热解温度。

2) 小麦秸秆和玉米秸秆生物质炭产率、有机碳含量和热解时间呈现负相关关系，生物质炭pH值与热解时间主要表现为正相关关系。热解温度为400 ℃时生产的秸秆生物质炭更适于农田土壤改良，改善土壤理化性质。