摘    要：为总结马弗炉制备生物炭的经验和明晰热解温度和时间对生物炭性质的影响, 以玉米秸秆为原料, 在不同热解温度 (400, 500, 600℃) 和时间 (2, 3, 4, 6, 8h) 交叉条件下, 在实验室用马弗炉烧制生物炭, 计算生物炭的产率, 测定其碳和氮含量, 并总结利用马弗炉制备生物炭的经验。结果表明:不同热解条件下, 生物炭的产率为11.2%32.1%, 生物炭的碳含量为60.9%77.3%, 全氮含量为1.1%2.8%, C/N为23.571.6。随着热解温度的升高, 生物炭的产率降低, 400℃时为20.5%32.1%, 500℃时为12.6%19.4%, 600℃时为11.4%16.8%。随着热解时间的延长, 生物炭的产率有降低的趋势。生物炭的碳含量随热解温度升高而增加 (400℃时为60.9%63.2%, 500℃时为62.6%71.8%, 600℃时为66.3%77.3%) , 随热解时间呈无规律变化。生物炭的全氮含量及C/N随热解时间和温度的变化没有明显的规律。对马弗炉制备生物炭的建议为: (1) 烧制生物炭时, 使用锡箔纸包裹坩埚外壁, 可以防止秸秆被烧成灰, 使生物炭的产率保持稳定, 但是锡箔纸不可重复使用; (2) 热解温度不要超过700℃, 当超过700℃时, 部分秸秆会被烧成灰, 生物炭的产率很低; (3) 烧制结束后, 关闭马弗炉电源, 待炉内温度降低后, 再打开炉门, 这样可以避免高温生物炭与冷空气的接触。综上所述, 马弗炉热解是实验室较低温度下 (小于700℃) 制备生物炭的一种有效方法。

生物炭是利用自然界广泛存在的生物质资源, 在无氧或微氧条件下, 经高温热解所产生的炭质[1,2]。生物炭作为可再生能源, 有着较好的农学和环境效应, 是环境学、农学、能源学等多种学科的研究热点[1,3]。生物炭具有孔隙度高、比表面积大、多显碱性等特点[4], 其作用和重要性为:将生物炭施于土壤中, 能够增强土壤吸附能力, 缓解土壤重金属和有机污染[5];提高土壤有机碳和全氮含量[6,7,8];减少温室气体排放和减缓气候变暖[2,9]。因此, 生物炭在改良土壤肥力[10]、减缓气候变化[11]、缓解和修复环境污染[12,13]以及保障粮食安全和能源安全[4,10,14]等方面均具有重要意义。

玉米是东北黑土区最主要的粮食作物之一, 每年产生大量的秸秆废弃物, 如果焚烧会带来很多环境问题。近些年, 农业秸秆的炭化技术有了很大地提高[2], 国内外产生了各种类型炭化炉的很多专利[15]。但是, 这些技术只适合大规模制备生物炭, 应用到野外田间试验中, 科学研究中如果需要少量特殊 (如13C或15N标记) 生物炭, 学者一般在实验室采用马弗炉来制备[16]。马弗炉具有成本低、操作简单的优点。然而, 由于不能严格控制氧气, 马弗炉制备生物炭的效果有时候并不稳定, 甚至会发生试验材料被烧成灰而没有成炭的现象。很多学者利用了马弗炉制备的生物炭做了试验, 但很少有描述制备过程中的细节和提出要注意的问题。因此, 总结一套马弗炉制备生物炭的经验, 对没有经验的学者具有很强的指导意义。此外, 很多研究表明, 制备条件 (如热解温度、时间等) 对生物炭的性质影响很大[16,17], 这会极大地影响它们在农业和环境上的使用效果。因此, 本研究将玉米秸秆放在马弗炉中制备生物炭, 旨在探索热解温度和时间对生物炭的碳 (C) 和氮 (N) 性质的影响, 并提出马弗炉制备生物炭时需要注意的一些事项。

1 材料与方法

1.1 材料

2015年10月, 在沈阳农业大学长期棕壤定位试验站内, 玉米成熟后, 采集玉米秸秆, 洗净, 自然风干后置于105℃鼓风干燥箱中烘干至恒重。将烘干后的秸秆剪成1~2cm小段, 装入自封袋中用于制备生物炭。

1.2 生物炭的制备和测定

生物炭采用程控箱式马弗炉 (3XL-1008) 来制备。具体过程为:将2~3g秸秆放于30m L的石英坩埚中, 盖上盖后用锡箔纸包裹严实, 放入马弗炉中热解。热解温度设置3个水平, 分别为400, 500, 600℃, 每个水平下设置5个热解时间, 分别为2, 3, 4, 6, 8h。热解时间到达后, 关闭马弗炉电源, 待炉内温度降至室温后取出坩埚, 剥去锡箔纸逐一称重并倒入对应标记的广口玻璃瓶中保存。样品重复数为3。生物炭产率等于生物炭的重量占热解前秸秆重量的百分比。生物炭中的全C和全N含量用元素分析仪 (ElementarⅡ, 德国) 测定。

2 结果与分析

2.1 生物炭产率

马弗炉中的生物炭产率随热解温度和时间均呈规律性变化 (图1) 。生物炭产率随热解温度的增加而降低, 400℃时为20.5%~32.1%, 500℃时为12.6%~19.4%, 600℃时为11.4%~16.8%。并且, 随着热解时间的延长, 生物炭产率有降低的趋势。热解时间为2h时, 生物炭产率为15.1%~32.1%, 而在8h时, 生物炭产率为11.2%~20.5%。本研究中, 马弗炉制备生物炭产率介于11.2%~32.1%。

2.2 生物炭中全碳和全氮含量

由图2可知, 热解温度越高, 生物炭中全C含量越高。400℃烧制的生物炭中全C含量为60.9%~63.2%, 500℃时为62.6%~71.8%, 600℃时为66.3%~77.3%。然而, 生物炭中全C含量随热解时间的变化无线性规律, 但经过8h热解的生物炭的全C含量 (62.0%~66.3%) 要低于2h热解的生物炭 (62.8%~68.9%) 。总的来说, 玉米秸秆生物炭中C含量介于60.9%~77.3%。

不同热解温度和时间的处理之间, 生物炭中全N含量变异很大, 范围为1.1%~2.8% (图3) 。全N含量随热解时间和温度的变化无线性规律。所有处理中, 热解温度为600℃, 热解时间为8h, 生物炭中全N含量最高 (2.8%) ;而热解温度为600℃和热解时间为6h时, 全N含量最低 (1.1%) 。

2.3 生物炭C/N

所有处理下, 生物炭的C/N范围为23.5~71.6, 热解温度600℃和热解时间8h时, 生物炭C/N值最低;而热解温度为600℃和时间为6h时, C/N值最高 (图4) 。生物炭的C/N值随热解时间和温度的变化无线性规律。所有处理中, C/N随热解时间的变化趋势与其N含量的趋势 (图3) 完全相反。