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我院生物炭技术与应用团队研究获得新进展

发布时间:2020-05-26 14:29:00
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  近日,浙江省农业科学院/浙江省生物炭工程技术研究中心杨生茂研究员团队的研究成果以“Vermiculite modification increases carbon retention and stability of rice straw biochar at different carbonization temperatures”为题,在线发表于国际环境科学与生态学领域Top期刊Journal of Cleaner Production(IF=6.395)。论文第一作者为刘玉学副研究员,通讯作者为杨生茂研究员。 
  全球变暖已经成为21世纪人类共同面临的严峻挑战。将生物质经过热解制备成生物炭可实现大气中CO2的固定,该方法被认为是人类应对气候变化、实现固碳减排的一种新途径。开发碳素持留率高和稳定性强的生物炭对于持久发挥其固碳减排效应具有重要的理论和现实意义。外源矿物改性处理对于改善生物炭理化性状及优化生物炭功能特性具有积极作用。然而目前关于矿物改性对生物炭碳素稳定性的影响研究还非常有限,相应的机制机理仍不十分明确。 
  本文以水稻秸秆和蛭石为原材料和矿物改性材料,在系列炭化温度(300、400、500、600和700℃)条件下制备生物炭,通过热重分析、红外光谱、X射线光电子能谱和核磁共振等技术手段的检测分析,阐明了蛭石改性对生物炭稳定性的影响及机制。结果表明,水稻秸秆生物炭的产率和碳素持留率均随炭化温度的升高而降低,经蛭石改性处理后分别提高13.5%-38.8%和5.2%-22.1%。生物炭的碳素热失重率、H/C原子比和碳素氧化损失率(K2Cr2O7法)均随炭化温度的升高而逐渐降低,说明其热稳定性、芳香碳稳定性和化学氧化稳定性均逐渐增强。改性处理通过增加总矿物尤其是Fe、Al、Mg、Si等矿物组分含量,促进或增强生物炭表面Si–O–C、Fe–O等化学键的形成,提高炭化过程中的芳香化速率(即由烷基碳和羰基碳向芳香碳的转化),从而增强生物炭的热化学稳定性。通过对碳素持留率和碳素稳定性的权衡优化分析,证实了蛭石改性对生物炭发挥固碳功能起到强化作用,是一种清洁生产技术,即在维持相同碳汇水平的前提下,蛭石可作为催化剂实现炭化温度的优化(从700℃降低至600℃)。本研究结果为功能生物炭的研发及其在固碳减排方面的应用提供了科学依据和技术支撑。 
  该研究成果受到国家自然科学基金青年项目、浙江省自然科学基金探索项目和浙江省生物炭工程技术研究中心建设专项等项目支持。 
  论文链接: https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2020.120111


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