生物质废弃物源与生物质炭的性质-构效关系

生物质炭是生物质材料在较低温度范围内，低氧或无氧环境下不完全分解的产物。具有孔隙度高、比表面积大等特征，含有无机活性成分，碳含量高且极其稳定，近年来受到广泛关注，被认为具有提高土壤碳库容量，改善土壤理化性质，吸附废水污染物和减少温室气体排放等功能。目前相关研究较少，尤其是生物质废弃物源的性质对生物质炭的影响尚无系统研究，性质-构效机理不明晰。本项目拟从五类生物质废弃物源，即林木废物、农作物废物、畜禽粪便、食品加工废渣、污水污泥中共取25种不同材料，通过比较原料性质与工艺参数对生物质炭产品的交互影响，观测不同原料生物质炭在形成过程中的动态分子结构演变，分析生物质源对生物质炭的分子结构、晶体和矿物特征影响机理。结合其与土壤共培养碳矿化试验和吸附废水污染物的能力研究，阐明生物质源废弃物（性质）与生物质炭特征及应用（构效）的关联性。

本项目选取20种生物质废弃物，包括畜禽粪便、木材废物、农业废物、食品废渣、水生废物以及市政垃圾六大类，在不同温度下（200oC～650oC）制备生物炭。采用统计学分析等方法，探索了生物炭性质及构效与原材料种类、制备温度这两大因素的相互关系。代表性成果包括：1）创新性提出采用统计学变异系数定量化揭示原材料异质性HF和温度异质性HT。通过红外光谱、核磁共振、拉曼光谱、热重分析等技术研究生物炭的分子结构、物理特征和晶体及矿物特征。受原材料性质影响较大的特征包括生物炭的总有机碳含量、固定碳、矿物成分，而比表面积和pH则主要由制备温度决定；生物炭的综合固碳潜力主要取决于原材料的种类。未有研究能够从整体角度推导其影响的规律性。2）通过主成分分析和聚类分析，清晰给出各类生物炭的矿质元素综合水平排序。如，城市污水厂污泥生物炭分数最高，排序为1，其主成分1贡献最大，说明污泥中主要含有Mg、Cu、Zn、Al 和Fe矿物类，使其排序最高。以此类推。3）阐明植物与固废基生物炭的性质差异。前者含有丰富的碳，固碳效果好；后者矿质元素含量高，适用于土壤改良；固废基生物炭CaCO3含量高，有较大的离子交换性能和等电荷点，可作吸附剂。.4）生物炭形成过程中有机相的分布与转化及其对固碳和孔结构的影响。生物质向生物炭转化过程中，纤维素分解，致更易溶性组分如半纤维素升高，该过程主要发生在100oC～200oC间。当温度从200oC上升至350oC时，纤维素完全消失。半纤维、纤维素组分对孔结构影响不大，但其与碳损失有关。孔体积、表面积与木质素含量以及不溶性灰分呈现一定的正相关性。5）通过添加矿物质等诱导炭化过程以达到强化固碳以及改善生物炭环境功能等目的。. 本项目的研究既为生物炭的环境应用提供了理论依据、又为选取工艺条件提供了指导。最重要的是，对炭化过程的阐释和对生物炭特征的统计学分析使人们对生物炭形成机理，及特征形成有深入认识，摈弃了从特定材料研究中获取零散信息。.共发表标注本项目资助的论文13篇，11篇SCI和2篇中文核心期刊。包括一篇环境领域顶级期刊Environmental Science & Technology。累计影响因子为35.53。申报专利3项，授权1项。出国合作交流2人次。参加国际会议作大会口头报告3人次。协助培养博士生2名、培养硕士生2名、本科生3名。