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关于向日葵秸秆和生物质炭的性质及结构分析
摘要：以向日葵秸秆为主要原材料，以质量分数为10%的KOH溶液为浸渍剂，通过控制热分解的方法分别在350℃和410℃下制备生物质炭。利用热重分析、红外光谱、拉曼光谱等方法对原料和生物质炭的性质及结构进行表征。结果表明:向日葵秸秆热分解最大失重率为80%,308℃热失重速率达到最大，439℃降解速率降低开始炭化，进行脱烷基和芳化缩聚反应;两种温度下所制得的生物质炭的官能团的种类基本相同，较高温度下制得的生物质炭的芳香化程度及石墨化程度较高，利于增强生物质炭的化学稳定性。
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生物质炭是生物质在厌氧或缺氧条件下高温裂解得到的炭质材料，极具开发和利用价值[1,2,3,4]。随着其经济价值的提高，近年来在市场化的过程中出现了一些不合理的开发方式，例如伐木取炭，这使得生物炭的发展受到了限制。解决这一问题的关键就在于生物炭的来源，在此情况下农林废弃物成为生物炭来源最佳选择，其中秸秆更是不可或缺的理想原料[4,5,6,7]。我国每年会有大量秸秆产生，但是秸秆还田量偏低，大量的秸秆被浪费，有的在田间焚烧，产生了大量烟雾，存在极大的安全隐患，极易引发火灾;有的随意弃置，严重污染了农村及城市环境，给人们的生活带来极大困扰。如能充分利用秸秆资源制备生物质炭，则可以很好地解决这一难题，并将对我国节能减排事业作出重要贡献。
生物质炭的应用非常多样化，除了科技生物炭在热力发电、气水净化、冶金等领域有着广泛的应用，用于农业领域可以对土壤进行改性、改良，提高肥力、固炭[1,7,8,9,10,11,12,13,14,15]。不同的应用领域对生物质炭有不同的要求，而生物质炭的预期性能取决于原料性质和炭化条件[2,15,16,17,18]。本文采用运城当地的向日葵秸秆为原料，探索不同处理温度下生物质炭结构和性质的差异，为后续生物质炭的研究和应用提供理论依据。
1、实验部分
1.1实验原料
原料为山西运城当地常见农作物向日葵的秸秆，干燥、粉碎后备用。
1.2生物炭制备
首先，用质量分数为10%的KOH溶液浸渍粉碎好的秸秆24h，再用清水冲洗至中性，然后在125℃的条件下恒温干燥24h。其次，取适量干燥好的秸秆放入瓷舟中，置于N2(350mL/min)保护的管式炉内，从室温以10℃/min的升温速率加热至350℃或410℃，保温1.5h进行热分解后随炉冷却至室温，取出并用蒸馏水洗涤至中性。最后，放入125℃真空干燥箱中干燥24h，得到最终的生物质炭。将干燥好的秸秆及其在350℃和410℃热解的生物炭分别用保鲜袋密封，并分别标记为S、S1和S2。
1.3热重测试
采用德国NETZSCH公司生产的STA449F3型同步热分析仪对生物质原料进行热重分析。测试条件:将质量约10mg的原料放入氧化铝坩埚后轻轻振荡使样品铺平，在流速为30mL/min的N2保护下，以10℃/min升温至600℃。
1.4红外测试
采用德国布鲁克公司生产的TENSOR27型傅立叶红外光谱仪对试样进行分子结构分析。测试条件:取少量S1或S2样品与光谱纯KBr按质量比1∶100研磨均匀后，用压片机压制成均匀可透光的薄片，调节仪器的测量范围为400～4000cm-1，设定分辨率为4cm-1。
1.5拉曼光谱测试
采用英国雷尼绍(Renishaw)公司生产的inVia型拉曼光谱仪，通过分子的振动、转动散射光谱，分析生物炭的分子振动、转动能量和对称性等结构信息。
2、实验结果及讨论
2.1热重实验分析
图1为向日葵秸秆在加热炭化过程中的TG和DTG曲线，由图可知:随着温度的升高，小麦生物质原料的热解过程可分为失水、热解和缓慢炭化阶段。在169℃前，TG曲线下降缓慢，失重率较小，该阶段主要为吸热失水阶段，失重率为8%。向日葵生物质的热解主要集中在169～358℃，TG曲线呈现急剧下降趋势失重率达50%,308℃热失重速率达到最大，该阶段生物质中纤维素、半纤维素及木质素受热分解，生成小分子挥发性物质;随后，开始进行脱烷基和芳化缩聚反应，直到515℃TG曲线变化趋于平缓，表明生物质基本完全热解，结构发生重排，碳以杂乱无定形碳为主，形成的石墨微晶结构排列不太规则，微晶之间保留一定孔隙，进一步高温处理，可形成稳定的大分子稠环芳香结构，有利于向石墨化方向发展，剩余部分为焦炭，该阶段失重率为22%。
2.2红外光谱分析
生物质炭表面官能团的种类可以通过FTIR谱图进行定性分析。从图2中可知，不同温度下制备的生物质炭均含有丰富的官能团。
生物质炭通常被用作于吸附剂，而影响其吸附性能的主要影响因素是其表面的官能团，图2是秸秆原料及其在两种不同温度条件下热解产物的红外光谱图。由图2可见，秸秆及其炭化产物的官能团的种类趋于一致。
在3444cm-1处显示了较强的吸收峰，是醇羟基的特征吸收峰，随着温度的逐渐升高醇羟基的吸收峰值在逐渐减小。在波数为2360cm-1附近的吸收峰可能是受到空气中CO2的干扰。在波数为1635cm-1附近出现的吸收峰，可能是醇、酚和醚的C=O吸收峰，这表示秸秆及其生物炭的表面都含有该类含氧官能团。从图中分析得出随着温度的升高这些吸收峰的峰值在减小，说明红外光谱中C=O吸收峰变弱，可能是因为C=O比较容易断裂，在高温下生成CO和CO2析出所致。样品在波数为1110cm-1附近出现了较强的吸收峰，这些吸收峰是纤维素和半纤维素的特征吸收峰，是C-O和O-H振动产生。样品的红外光谱图结果表明:原料不同温度热解产生的生物炭均含有一些含氧基团，例如烷基、芳香基等;炭化温度越高，-OH、C=O、-CH3吸收峰的峰值越低，而芳香族基团吸收峰的峰值在升高，说明在生产过程中温度越高其芳香化程度也就越高。可以预期，在以后的生产过程中可以通过提高温度来增加生物炭的芳香度。
2.3生物炭拉曼光谱测试(Raman)
从图3中可知两种温度下的生物质炭均在1360cm-1和1580cm-1左右出现特征吸收峰，其中1360cm-1左右出现的特征峰被称为D峰，在1580cm-1左右出现的峰被称为G峰，D峰代表的是C原子晶格的缺陷，G峰代表的是C原子sp2杂化的面内伸缩振动。Id/Ig的强度比代表石墨化程度。从图中可以看出随着温度的升高D峰G峰的峰值强度比随之增大，表明生物炭的石墨化程度随着温度升高而升高。
3、结论
(1)热重分析表明向日葵秸秆热解过程可分为失水、热解和缓慢炭化三个阶段，热解质量损失50%。
(2)由红外光谱图分析得出，不同温度下的生物质炭均含有烷基、芳香基及一些含氧团官能团，随着炭化温度的不断升高，羟基、羰基、甲基和亚甲基也在慢慢的减少，生物炭表面含氧官能团总量也在减少。
(3)拉曼分析表明，随着炭化温度的升高，秸秆中的纤维素微晶结构被破坏程度越来越严重，生物炭的径粒逐渐减小，生物炭的石墨化程度也在逐渐增强。
参考文献:
[1]杨娟娟,王晓丹,李雪园,等.梧桐叶生物质炭的制备及吸附性能研究[J].齐鲁工业大学学报(自然科学版),2019,33(2):37-43.
[2]方婧,金亮,程磊磊,等.环境中生物质炭稳定性研究进展[J].土壤学报,2019,56(5):1034-1047.
[3]李玉姣.生物质炭及其复合材料的制备及应用性能研究[D].长春:吉林大学,2015.
[4]鱼银虎,王卫兵,杨斌武,等.玉米秸秆生物质炭的制备及性质表征[J].内蒙古科技与经济,2019(4):85-86.
[5]刘大贵,李伊光,王孟晴,等.玉米秸秆低温热解制备生物质炭的特性研究[J].电网与清洁能源,2017,33(7):105-109.
[6]许洁,李帅丹,刘帅君.典型秸秆类生物质灰的特性研究[J].热能动力工程,2019(12):137-141,154.
[7]陈志良,袁志辉,黄玲,等.生物炭来源､性质及其在重金属污染土壤修复中的研究进展[J].生态环境报,2016,25(11):1879-1884.
[8]刘俊,朱宇,李志良,等.重金属污染土壤中施加荔枝木生物炭对向日葵植株吸收累积铅镉砷的影响[J].生态与农村环境学报,2019,35(12),1610-1616.
[9]方嘉,应赟赟,钟斌,等.生物质炭对铅锌复合污染土壤修复机理的研究[J].科技创新与应用,2019(8):32-34.
[10]郜雅静,李建华,卢晋晶,等.生物质炭对水溶液中Pb2+的吸附性能研究[J].中国农学通报,2019(10):82-88.
[11]朱巧红,李明,安忠义.生物质炭在红壤改良与重金属污染治理中的应用[J].环境保护前沿,2019,9(1):38-43.
[12]许嘉,许月,陈俊俊,等.生物质炭对聚丙烯热解焦油降解作用分析[J].石油化工,2019,48(3):273-278.
[13]周岩梅,杨舒然,孟晓东,等.生物质炭对沉积物中有机污染物的吸附固定作用机理[J].环境科学研究,2019,32(1):35-42.
[14]哈斯格日乐,屈忠义,王凡.粉垄耕作下施加脱硫石膏和生物炭对盐渍土壤水热盐的影响研究[J].节水灌溉,2019(9):19-22,28.
[15]石丽芳,李法云,王艳杰,等.不同生物质炭对辽河油田石油污染土壤总烃及各组分修复效果研究[J].生态环境学报,2019,28(1):199-206.
[16]孙小飞,陈智伟,李宇轩,等.不同热解温度对生物质炭8种元素含量的影响[J].福建师范大学学报(自然科学版),2019,35(1):55-61.
[17]张彦.生物质炭制粉､成型及烘干工艺研究[J].再生资源与循环经济,2019,12(7):33-35.
[18]曹忠耀,张守玉,黄小河,等.生物质预处理制成型燃料研究进展[J].洁净煤技术,2019,25(1):12-20.
鱼银虎,崔海婷,沈妙荣,李若琳.向日葵秸秆生物质炭制备及性质研究[J].环境科学导刊,2020(05):7-9.
基金:山西省重点学科建设经费资助(FSKSC);山西省高等学校科技创新项目(2019L0875).
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主办单位：生态环境部环境发展中心
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专业分类：环境
国际刊号：1674-6252
国内刊号：11-5806/X
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创刊时间：2009年
发行周期：双月刊
期刊开本：大16开
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2020-09-18
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