不同炭化温度下烟杆生物炭产率及特性比较

彭隆基 肖佳冰 熊晶 王凡 徐骥

摘要：为了详细了解不同碳化温度下烟杆生物炭产率的不同，并对其变化特性加以研究，本文运用室内模拟的方法，分别将烟杆在350、400、450、500、550、600℃条件下进行热解，然后再测定出烟杆生物在不同温度下的炭产率，并利用红外光谱、射线扫描、核磁共振等方式来对烟杆生物炭的特性进行了分析和比较。研究结果表明烟杆生物的炭产率会随着温度的升高而呈现出下降的趋势，并且在热解温度达到450℃时，烟杆生物的炭产率达到最大值，在温度继续上升到500℃及以上时，炭产率以及各项特性基本趋于稳定。此外，研究还发现，生物质炭的稳定程度随着热解温度的升高而不断增强，而烟杆生物的整体极性则会随着温度的升高而逐渐降低。由此可知，在450℃条件下，烟杆生物的炭产率达到峰值，这对于我国农业生产和生态环境保护都具有十分重要的意义。

关键词：烟杆生物;炭产率;特性比较

引言：

生物质炭一般指的是生物质材料在无氧或者部分缺氧的环境中，利用高温将其进行热解而得到的一种具有性质稳定和炭含量较为丰富的固体，这是一种最新研发的功能材料，具有绿色安全、生态环保、吸附性强等优点，对于生态保护也非常的友好。我国作为世界上的农业大国，每年因废弃而丢掉的农业物资不仅造成了环境的污染而且也是对自然资源的巨大浪费，而生物炭制备技术的出现則是一个很好的变废为宝的渠道，对于我国农业发展和环境保护都具有十分重要的意义。

1.材料与方法

1.1材料选择

本实验所采用的烟杆材料来自贵州省某地种植的烟地，首先将采集到的烟杆分解为长度约30mm左右的长段，并将其置于温度为80℃的鼓风烘箱内烘干（含水量在5%-10%之间），直至它们的重量不变为止。

1.2生物质炭的制备

将风干后的烟杆置于生物质炭化反应釜内，并在缺氧的条件下对其进行热解，最终设定热解的温度为350、400、450、500、550和600℃，需要注意的是在升温的过程中应保持一定的速度缓慢进行升温，并在温度达到设定值之后保温2小时，以使烟杆能够完全热解。在同样的条件下，每个设定的温度值均重复三次以上实验，在实验完成之后将样品冷却至室温后对其进行研磨混匀，然后再使用100目的筛子过滤后，装入自封袋中密封保存[1]。

1.3生物质炭的测定

通过对样品制备前后不同组的质量损失来得出烟杆生物炭的产率，并在对烘干前后质量损失进行比较后得出烟杆的水分含量。利用烧灼法来测定烟杆的灰分含量，采用元素分析仪来测定C、N等元素的含量，并测取烟杆在不同温度下的pH 值。

2.实验结果分析

2.1烟杆生物炭产率分析

烟杆生物的炭产率会随着温度的不断升高而逐步的下降，以实验所设定的温度值为例，在350℃时，烟杆的炭产率为45.2%;而在温度升高到了600℃时，烟杆的炭产率则下降到了33.4%。并且实验还发现在热解温度大于500℃时，烟杆炭产率的变化微乎其微，不具备统计学意义。在实验所设定的几个温度值内，热解温度从350℃上升至400℃时，炭产率下降了大概9%左右，而热解温度由400℃上升至450℃时，炭产率则会进一步下降1.8%，再将热解温度由450℃升高至500摄氏度时，烟杆的炭产率下降了大约1.9%，这也充分表明随着热解温度的升高，烟杆炭产率一直在降低。究其原因，则可能是在将烟杆进行热解的过程中，随着温度的不断升高，烟杆内部的C—H、C—O等稳定的化学键逐渐的分解开来，而H、O等质量较轻的元素在高温下会挥发出去，留下来的则是C、Ca等质量较重的元素;另一种解释为烟杆在较低的热解温度下，能够自动形成二次结炭、重聚反应等，从而导致了炭产率的升高[2]。

2.2烟杆生物质特性分析

实验结果表明，在设定温度值350℃—600℃之间，烟杆生物质炭呈现出碱性的特征，其中pH值最小是在350℃时出现，为pH=9.1，最大是在450℃时出现的，pH=9.9。研究结果还发现，在热解温度小于450℃时，伴随着热解温度的逐步升高，烟杆生物炭的pH值呈现出上升的趋势，究其原因是因为随着温度的升高，造成了烟杆内Ca、K等元素不断的增多，而这些元素存在的形式大多都是碳酸盐，在这些物质遇水之后，pH值就会明显升高。在温度继续上升至500℃及以上时，烟杆生物质炭的pH值并明显的变化，而基本维持在pH=9.6附近[3]。

研究还发现，随着热解温度的不断上升，烟杆生物质炭的电导率发生了很大的变化，试验中温度每提升一个梯度，电导率就会随之而增大，其中在温度由450升至500℃时，电导率的增幅最大，达到了惊人的1.24mS/cm。当温度达到600℃时，烟杆生物质炭的电导率会迅速升高，而相反阳离子的交换量则会呈现出下降的趋势，利用烟杆生物质炭的这种特性，可以将其作为土壤的改良剂。烟杆生物质炭在不同温度下的炭产率及pH值、电导率等特性变化如下表1所示。

3.结论

烟杆生物质炭的炭产率会随着热解温度的不断升高而逐步的降低，并在热解温度高于500℃时，维持稳定状态。

烟杆生物质炭的pH值在热解温度到达450℃时，出现最大值pH=9.98，此后会随着温度的上升而呈现出下降的趋势。

烟杆生物质炭的电导率也会随着热解温度的升高而逐渐的变大，并且在热解温度到达600℃时升高幅度最大。

参考文献：

[1]孟李群，张云鹏，苏漳文，刘青，贾亚运，刘爱琴.不同炭化温度下杉木生物炭产率及特性比较[J].福建林业科技，2014，41（02）：38-41.

[2]刘子婧.虚拟现实主义和后电影理论-数字时代的电影制作和电影观念[J].戏剧之家，2019（6）：114-114.

作者简介：彭隆基，男，汉，贵州省毕节市，1977.3.3，本科，农艺师，研究方向烤烟生产技术，毕节市烟草公司威宁分公司 553100。