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番茄秸稈與豬場(chǎng)沼液聯(lián)合水熱炭化對(duì)生物炭性質(zhì)的影響

2024-12-11 00:00:00董瑞梅丁雅蘭葉菁林怡王義祥
福建農(nóng)業(yè)科技 2024年9期

摘要:利用生物質(zhì)聯(lián)合水熱炭化用于制備功能性生物炭產(chǎn)品也逐漸成為研究熱點(diǎn)。為開(kāi)發(fā)富營(yíng)養(yǎng)元素的生物炭產(chǎn)品,以番茄秸稈作為原料,分別利用純水(T1)和沼液(T2)作為液相介質(zhì)進(jìn)行水熱炭化,分析不同炭化條件對(duì)生物炭理化性質(zhì)和氮素釋放量的變化規(guī)律。結(jié)果表明:番茄秸稈水熱法制備生物炭的產(chǎn)率為30.09%~32.24%;番茄秸稈與沼液聯(lián)合炭化處理(T2)制備生物炭的揮發(fā)分、固定碳、全氮和全磷含量分別比以水為液相介質(zhì)的炭化處理(T1)高1.80%、13.00%、5.51%和14.77%,但有機(jī)碳和灰分含量分別降低0.80%、17.02%。兩種生物炭的氮素釋放量均表現(xiàn)隨時(shí)間延長(zhǎng)呈現(xiàn)增加的趨勢(shì),以水為液相介質(zhì)的炭化處理(T1)制備生物炭前5h氮素釋放量增速比番茄秸稈與沼液聯(lián)合炭化處理(T2)的高18.4%。

關(guān)鍵詞:番茄秸稈;沼液;水熱炭化;生物炭;氮釋放

中圖分類(lèi)號(hào):S641.2文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A文章編號(hào):0253-2301(2024)09-0008-04

DOI:10.13651/j.cnki.fjnykj.2024.09.002

Effects of Co-hydrothermal Carbonization of Tomato Straw and Pig Slurry on the Properties of Biochar

DONG Rui-mei1,DING Ya-lan1,YE Jing2,LIN Yi2,WANG Yi-xiang2*

(1.Fujian Agriculture and Forestry University,F(xiàn)uzhou,F(xiàn)ujian 350002,China;2.Institute ofResources,Environmentand Soil Fertilizer,F(xiàn)ujian Academy of Agricultural Sciences/Fujian Key Laboratory of Agroecological Processes inRed Soil Mountains,F(xiàn)uzhou,F(xiàn)ujian 350003,China)

Abstract:The use of biomass combined with the hydrothermal carbonization for the preparation of functional biochar products has gradually become a research hotspot.In order to develop the biochar products rich in nutrients,the tomato straw was used as the raw material,and the pure water(T1)and biogas slurry(T2)were used as the liquid medium for hydrothermal carbonization.The change rules of the physicochemical properties and nitrogen release amount of biocharunder different carbonization conditions were analyzed.The results showed that the yield of biochar prepared by the hydrothermal method of tomato straw was 30.09%-32.24%.The contents of volatile matter,fixedcarbon,total nitrogen and total phosphorus of biochar prepared by the combined carbonization treatment with tomato straw and biogas slurry(T2)were 1.80%,13.00%,5.51%and 14.77%higher than those in the carbonization treatmentwith water as the liquid medium(T1),but the contents of organic carbon and ash decreased by 0.80%and 17.02%,respectively.The nitrogen release amount of the two types of biochars showed an increasing trend with time.Theincrease rate of nitrogen releaseamount in the first 5 hours of biochar prepared by the carbonization treatment with water as the liquid medium(T1)was 18.4%higher than that by the combined carbonization treatment with tomato straw and biogas slurry(T2).

Keywords:Tomatostraw;Biogasslurry;Hydrothermalcarbonization;Biochar;Nitrogen release

中國(guó)作為農(nóng)業(yè)大國(guó),其產(chǎn)生的農(nóng)業(yè)固體廢棄物量位居世界前列,這些廢棄物種類(lèi)很多,如農(nóng)作物秸稈、蔬菜及瓜果的副產(chǎn)品、藤蔓、畜禽糞便等,如果處理不當(dāng),這些廢棄物易成為環(huán)境污染的源頭,因此亟需引起高度重視并探索有效的解決方案1-2]。特別值得注意的是,像番茄藤蔓等蔬菜廢棄物,其不能像其他農(nóng)作物秸稈一樣直接還田,其資源化利用路徑的探索成為推動(dòng)農(nóng)業(yè)綠色可持續(xù)發(fā)展、解決產(chǎn)業(yè)瓶頸的關(guān)鍵議題。根據(jù)相關(guān)資料統(tǒng)計(jì),我國(guó)每年產(chǎn)生的畜禽糞污量超過(guò)40億t,未得到充分利用的農(nóng)作物秸稈近2億t,副產(chǎn)物利用率不到40%3]。在我國(guó),農(nóng)業(yè)廢棄物的資源化利用技術(shù)仍有待提升,目前采用的處理手段,如堆漚制作有機(jī)肥、秸稈的直接還田以及過(guò)腹還田等,不僅資源轉(zhuǎn)化效率較低,而且若處理不當(dāng),還可能引發(fā)新的環(huán)境污染問(wèn)題4。

近年來(lái),基于水熱炭化資源化利用生物質(zhì)的技術(shù)引起了廣泛關(guān)注。水熱炭化是作為一種有效地利用農(nóng)業(yè)廢棄物的方法,是將生物質(zhì)原料與水等液相物質(zhì)在一定溫度和壓力下,將生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為水熱炭等系列產(chǎn)物的熱化學(xué)轉(zhuǎn)化技術(shù)。該技術(shù)省去了高含水廢棄物處理的干燥環(huán)節(jié),具有操作簡(jiǎn)單、轉(zhuǎn)化效率高等特點(diǎn)。水熱炭化制備的生物炭具有穩(wěn)定性高、吸附能力強(qiáng)、芳香化程度高、價(jià)格低廉、孔隙結(jié)構(gòu)好等優(yōu)點(diǎn)5-6,在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、生態(tài)環(huán)境保護(hù)、能源開(kāi)發(fā)等方面有著廣闊的應(yīng)用前景7。生物質(zhì)水熱炭化原料屬性、熱解工藝等直接影響制備的生物炭的性質(zhì)I?-9],已有研究表明熱解溫度和升溫速率對(duì)生物炭性質(zhì)有著顯著的影響[10]。近年來(lái),利用生物質(zhì)聯(lián)合水熱炭化用于制備功能性水熱炭產(chǎn)品也逐漸成為研究熱點(diǎn)。本研究利用番茄秸稈與沼液聯(lián)合水熱炭化,研究其對(duì)生物炭性質(zhì)、養(yǎng)分釋放的影響,以期為番茄秸稈、沼液等資源化利用和新型環(huán)境修復(fù)材料開(kāi)發(fā)提供科學(xué)依據(jù)。

1材料與方法

1.1供試材料

供試番茄秸稈和養(yǎng)豬場(chǎng)沼液取自福建省惠安縣某農(nóng)場(chǎng)。番茄秸稈置于通風(fēng)處晾干后粉碎,物料尺寸小于5 mm,其有機(jī)碳含量32.35%,全氮含量1.8%;養(yǎng)豬場(chǎng)沼液中全氮含量0.47 mg g-1。

1.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)共設(shè)置2個(gè)處理,即水熱炭化的介質(zhì)分為水和豬場(chǎng)沼液,秸稈用量100 g,固液比為1:6,反應(yīng)釜設(shè)定反應(yīng)溫度為280℃、停留時(shí)間為480 min,分別制備得生物炭材料T1和T2。在執(zhí)行水熱炭化試驗(yàn)時(shí),先將反應(yīng)容器密封,并接入220 v的穩(wěn)定電壓。以2℃·min1的升溫速度加熱,同時(shí)引入自來(lái)水作為冷卻介質(zhì)以維持儀器溫度。當(dāng)溫度升至280℃時(shí),開(kāi)始記錄水熱炭化的保持時(shí)間。試驗(yàn)結(jié)束時(shí),反應(yīng)釜自動(dòng)降溫,待溫度降至30℃以下,停止冷卻水的供應(yīng)。當(dāng)反應(yīng)釜內(nèi)壓力降至0,打開(kāi)排氣閥回收煤焦油,然后取下反應(yīng)釜蓋,取出水熱處理后的生物炭。通過(guò)定性濾紙過(guò)濾并使用去離子水洗滌3次后,將生物炭置于鼓風(fēng)干燥箱中,在60~65℃的溫度下烘干至質(zhì)量穩(wěn)定。最后,利用電子天平準(zhǔn)確稱(chēng)量所得生物炭的質(zhì)量。

1.3測(cè)定指標(biāo)與方法

樣品中全氮含量采用凱氏定氮法測(cè)定,pH采用pH計(jì)測(cè)定,全磷采用釩鉬黃比色法測(cè)定,EC利用電導(dǎo)率儀測(cè)定,總有機(jī)碳采用重鉻酸鉀滴定法測(cè)定。固定碳含量指有效碳素的百分含量,以100%減去灰分及揮發(fā)分含量進(jìn)行計(jì)算。固定碳就是生物炭去除灰分和揮發(fā)分后的殘留碳素[1。

氮素釋放量參照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T23348-2009《緩釋肥料》的方法測(cè)定。稱(chēng)取過(guò)1 mm孔徑篩的生物炭約2g(稱(chēng)準(zhǔn)至0.01 g)放入網(wǎng)袋中,放入密閉的玻璃瓶進(jìn)行浸提,加入40 mL的去離子水,待溫度恒定為(100±1)℃時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí),分別在1、3、5、7、10、24 h進(jìn)行取樣。取樣時(shí),將密閉的玻璃瓶中的浸提液全部移入50 mL容量瓶中,冷卻至室溫后定容至刻度,測(cè)定總氮的釋放量。

1.4數(shù)據(jù)分析與處理

利用SPSS 27.0對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理間的差異顯著性分析,使用EXCEL進(jìn)行數(shù)據(jù)分析與作圖。

2結(jié)果與分析

2.1不同炭化處理對(duì)生物炭產(chǎn)率和化學(xué)性質(zhì)的影響

由表1可知,番茄秸稈水熱法制備生物炭的產(chǎn)率為30.09%~32.24%,其中T1處理較T2處理提高7.1%。T1與T2處理相比,生物炭pH提高,電導(dǎo)率EC值也提高;灰分含量、有機(jī)碳和碳氮比值T1高于T2處理,分別高27.02%、0.80%和8.07%;固定碳和全氮含量T2均高于T1處理,分別高13.00%、5.51%。全磷含量T2顯著高于T1處理,高14.77%。揮發(fā)分作為纖維素、半纖維素的主要熱解產(chǎn)物,在高溫炭化下,會(huì)釋放出大量的氣態(tài)產(chǎn)物如CO、CO?、H?和CH?等。T2處理生物炭中揮發(fā)分含量比T1處理高1.80%,但兩者間的差異不顯著。

2.2不同炭化處理對(duì)生物炭氮素釋放量的影響

由圖1可知,在釋放初期階段,隨著培養(yǎng)時(shí)間的延長(zhǎng),2種生物炭氮素釋放速率均表現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì),T1處理第1 h到第3 h,生物炭的氮素釋放速率顯著增加;第3 h到第5h氮素釋放速率顯著下降,且在第3h時(shí)生物炭的氮素釋放速率最大,為38.49 mg-kg-1。T2處理生物炭的氮素養(yǎng)分釋放速率第1h到第3h時(shí)較高,從第3h到第5 h顯著下降。T2處理生物炭氮素釋放率最大值在第3h,為42.75 mg-kg-1。

2.3不同炭化處理對(duì)生物炭氮素累積釋放量的影響

由圖2可知,隨培養(yǎng)時(shí)間的延長(zhǎng),T1、T2處理生物炭的氮素累積釋放量均表現(xiàn)為增加的趨勢(shì),在前7h氮素釋放量分別占整個(gè)培養(yǎng)期間總釋放量的83.87%和82.26%。到試驗(yàn)結(jié)束時(shí),T2處理生物炭的氮素累積釋放量比T1處理增加19.83%,且兩者間的差異達(dá)顯著性水平(P<0.05)。

3討論與結(jié)論

生物質(zhì)水熱炭化原料不同,其產(chǎn)物特性也存在顯著差異。以往研究表明,聯(lián)合水熱炭化的特點(diǎn)在于所制備的生物炭材料具有高能量和更豐度的表面官能團(tuán)12-13。Lang等14-15研究發(fā)現(xiàn),與單豬糞水熱炭相比,豬糞/木屑和豬糞/玉米秸稈聯(lián)合水熱炭的碳含量、熱值以及能量產(chǎn)率均提高。本研究結(jié)果表明,與單番茄秸稈炭化材料相比,番茄秸稈與沼液聯(lián)合炭化下制備的生物炭材料具有較低灰分含量和較高的固定碳、全氮和全磷含量。與單番茄秸稈炭化材料相比,番茄秸稈與沼液聯(lián)合炭化下制備的生物炭氮素累積釋放量提高了19.83%,這與該生物炭材料含氮量較高相關(guān)。從氮素累積釋放量的增加速率來(lái)看,單番茄秸稈生物炭的氮素釋放量增速前期(前5h)加快,比番茄秸稈與沼液聯(lián)合炭化的生物炭高18.4%,后期氮素釋放量增速較低,說(shuō)明2種生物炭吸附固定氮的形態(tài)和能力可能存在一定差異。

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(責(zé)任編輯:柯文輝)

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