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【摘要】：本文研究总结了不同来源的生物质通过水热碳化处理得到的水热炭的不同的理化性质，从而分析总结影响水热炭理化性质的主要因素。研究总结的结果表明，不同生物质通过水热碳化处理后，其灰分含量、孔隙结构和比表面积较原生物质显著升高，其C含量基本保持不变，而其H、N和O的含量较原生物质有比较明显的下降趋势。同时，水热炭的H/C和O/C 摩尔原子比也显著的下降。此外，随着水热碳化温度的上升，水热炭的产率有所下降，其灰分含量显著上升，其含氧官能团也有所下降。以上通过研究总结得到的结果表明生物质通过水热碳化处理后，其理化特性得到改善，这为未来水热碳化生物炭的应用提供了一定的理论参考和科学依据。
【关键词】：水热碳化;水热炭;理化性质
1.引言
我国是农业大国，同时林业资源非常丰富，然而每年从农业生产剩下的农业废弃物以及通过林业加工剩下的废弃物数量巨大，如果对这些农林废弃物不进行妥善的处理，不仅会导致如秸秆焚烧所带来的大气污染等，还会导致资源的浪费，同时，这些农林废弃物又具有很好的孔隙结构和比表面积以及有机碳含量[1，2]，因此，对农业废弃物进行资源化利用就显得尤为重要。水热碳化处理较其他的热化学处理方式而言，能够使水热炭在水热碳化处理的过程中，富含丰富的有机碳和可以被利用的N、P和K，从而提升其对土壤中的许多微量污染物（如多环芳烃和杀虫剂等）的吸附能力[3，4]。然而水热炭的应用性能受其理化性能的影响，而其理化性质又受其各种生产条件的影响，因此，本文通过研究总结了不同来源的生物质通过水热碳化处理得到的生物炭的理化性質的变化趋势，以确定影响其效果的主要因素，从而为未来水热碳化生物炭的应用提供一定的理论参考和科学依据。
2.不同原料的水热炭的理化性质分析
2.1. 来源于市政污水污泥生物质的水热炭
通过对来源于市政污水污泥生物质在190℃和260℃的水热碳化温度下进行水热碳化并得到水热炭BC190和BC260[5]。原市政污水污泥的各理化性质，包括灰分含量（%）、元素百分比（%）C、H、O和N以及摩尔原子比H/C和O/C的数值分别为33.14、36.33、5.90、12.81、4.23、1.95和0.26。当原污水污泥通过水热碳化处理后，其污泥水热炭的理化性质发生了显著的变化，具体表现为污泥水热炭较原污泥C的含量变化不大，但其灰分含量显著增加，而其元素H、O和N的含量以及摩尔原子比H/C和O/C的值随着原污泥被水热炭化处理显著降低。此外，随着水热碳化温度的增加，污泥水热炭的C含量基本保持不变，而其灰分含量有所增加，其元素H、O和N以及原子比H/C和C/O有所下降。同时，在不同水热碳化停留时间下得到的水热炭的理化性质的变化趋势和其由水热碳化温度所改变的污泥水热炭的理化性的变化相似。
2.2. 来源于松木生物质的水热炭
通过研究总结了来源于美国诺福克的松木生物质在300℃的水热碳化温度下进行水热碳化处理得到的松木水热炭BC300[6]。通过300℃水热碳化的松木水热炭的产率为49.51%，高于很多生物质来源的水热炭的产率。同时，在300℃下水热碳化的松木水热炭的pH值为3.5，使得松木水热炭呈现出较强的酸性。通过在300℃下对松木生物质进行水热碳化，得到的松木水热炭产率下降，这是因为松木生物质在水热碳化的过程中大量有机组分分解使得挥发性物质含量降低，这伴随着其相关元素的变化。松木在300℃的水热碳化处理下得到的松木水热炭的挥发分含量、灰分含量、固定碳含量、元素C、H、N和O的值分别是46.72%、2.39%、50.8%、66.45%、4.2%、<0.5%和22.84%。可以看到其进过水热碳化处理后，灰分含量很低，然而含碳量却很高。
2.3. 来源于伊乐藻属植物的水热炭
通过研究总结了来源于德国的伊乐藻属植物生物质在200℃和240℃下进行水热碳化得到水热炭BC200和BC240[7]。经过200℃水热碳化处理的水热炭BC200，其灰分含量、元素H、O、N和S以及原子比H/C和O/C的值分别为39.4%、3.26%、20.1%、1.82%、0.51%、1.13和0.43。可以看出，经过水热碳化处理后的水热炭的灰分含量相对较高，元素O的含量也相对来说较高，但H/C比相对来讲也较高，暗示着水热炭中浓缩的芳香性程度较低。此外，随着水热碳化温度上升至240℃，生物质的水热炭的灰分含量、元素S的含量较原生物质有所升高，而元素O、N和S的含量以及原子比H/C和O/C的值有所降低。
3.不同原料的水热炭的理化性质影响分析
本文通过研究总结了不同来源的生物质在水热碳化处理下所得水热炭的理化性质的变化。研究总结结果表明，原生物质经过水热碳化处理后，其灰分含量、孔隙结构和比表面积较原生物质显著升高，其C含量基本保持不变，而其H、N和O的含量较原生物质有比较明显的下降趋势，这是因为生物质经过水热碳化处理后，其大量挥发分含量减少，导致相关的元素含量随之减少。同时，水热炭的H/C和O/C 摩尔原子比也显著的下降，说明了生物质经过水热碳化处理后其芳香化程度明显增强，伴随着其水热炭的稳定性增强。此外，随着水热碳化温度的上升，水热炭的产率有所下降，其灰分含量显著上升，其含氧官能团也有所下降，说明水热碳化温度是影响生物质经过水热碳化处理得到的水热炭的理化性质的主要因素，同时，随着生物质水热碳化停留时间的增加，水热炭理化性质的变化趋势也与以上相似，因此说明水热碳化停留时间也是影响水热炭理化性质的关键因素。
4.结论
通过研究总结得到的结果表明生物质通过水热碳化处理后，其理化特性得到改善，并发现水热碳化温度和水热碳化停留时间是影响水热炭理化性质的主要因素，这为未来水热碳化生物炭的应用提供了一定的理论参考和科学依据。
参考文献：
[1] Shen， Y.S.， Wang， S.L.， Tzou， Y.M.， Kuan， W.H.， 2012. Removal of hexvalent Cr by coconut coir and derived chars - the effect of surface functionality. Bioresource Technol. 104， 165-172.
[2] Yao， Y.， Gao， B.， et.， 2012. Adsorption of sulfamethoxazole on biochar and its impact on reclaimed water irrigation. J. Hazard. Master. 209， 408-413.
[3] Ginter， M.O.， Grobicki， A.M.， 1995. Analysis of anaerobic sludge containing heavy metals： a novel technique. Water Res. 29 （12）， 2780–2784.
【关键词】：水热碳化;水热炭;理化性质
1.引言
我国是农业大国，同时林业资源非常丰富，然而每年从农业生产剩下的农业废弃物以及通过林业加工剩下的废弃物数量巨大，如果对这些农林废弃物不进行妥善的处理，不仅会导致如秸秆焚烧所带来的大气污染等，还会导致资源的浪费，同时，这些农林废弃物又具有很好的孔隙结构和比表面积以及有机碳含量[1，2]，因此，对农业废弃物进行资源化利用就显得尤为重要。水热碳化处理较其他的热化学处理方式而言，能够使水热炭在水热碳化处理的过程中，富含丰富的有机碳和可以被利用的N、P和K，从而提升其对土壤中的许多微量污染物（如多环芳烃和杀虫剂等）的吸附能力[3，4]。然而水热炭的应用性能受其理化性能的影响，而其理化性质又受其各种生产条件的影响，因此，本文通过研究总结了不同来源的生物质通过水热碳化处理得到的生物炭的理化性質的变化趋势，以确定影响其效果的主要因素，从而为未来水热碳化生物炭的应用提供一定的理论参考和科学依据。
2.不同原料的水热炭的理化性质分析
2.1. 来源于市政污水污泥生物质的水热炭
通过对来源于市政污水污泥生物质在190℃和260℃的水热碳化温度下进行水热碳化并得到水热炭BC190和BC260[5]。原市政污水污泥的各理化性质，包括灰分含量（%）、元素百分比（%）C、H、O和N以及摩尔原子比H/C和O/C的数值分别为33.14、36.33、5.90、12.81、4.23、1.95和0.26。当原污水污泥通过水热碳化处理后，其污泥水热炭的理化性质发生了显著的变化，具体表现为污泥水热炭较原污泥C的含量变化不大，但其灰分含量显著增加，而其元素H、O和N的含量以及摩尔原子比H/C和O/C的值随着原污泥被水热炭化处理显著降低。此外，随着水热碳化温度的增加，污泥水热炭的C含量基本保持不变，而其灰分含量有所增加，其元素H、O和N以及原子比H/C和C/O有所下降。同时，在不同水热碳化停留时间下得到的水热炭的理化性质的变化趋势和其由水热碳化温度所改变的污泥水热炭的理化性的变化相似。
2.2. 来源于松木生物质的水热炭
通过研究总结了来源于美国诺福克的松木生物质在300℃的水热碳化温度下进行水热碳化处理得到的松木水热炭BC300[6]。通过300℃水热碳化的松木水热炭的产率为49.51%，高于很多生物质来源的水热炭的产率。同时，在300℃下水热碳化的松木水热炭的pH值为3.5，使得松木水热炭呈现出较强的酸性。通过在300℃下对松木生物质进行水热碳化，得到的松木水热炭产率下降，这是因为松木生物质在水热碳化的过程中大量有机组分分解使得挥发性物质含量降低，这伴随着其相关元素的变化。松木在300℃的水热碳化处理下得到的松木水热炭的挥发分含量、灰分含量、固定碳含量、元素C、H、N和O的值分别是46.72%、2.39%、50.8%、66.45%、4.2%、<0.5%和22.84%。可以看到其进过水热碳化处理后，灰分含量很低，然而含碳量却很高。
2.3. 来源于伊乐藻属植物的水热炭
通过研究总结了来源于德国的伊乐藻属植物生物质在200℃和240℃下进行水热碳化得到水热炭BC200和BC240[7]。经过200℃水热碳化处理的水热炭BC200，其灰分含量、元素H、O、N和S以及原子比H/C和O/C的值分别为39.4%、3.26%、20.1%、1.82%、0.51%、1.13和0.43。可以看出，经过水热碳化处理后的水热炭的灰分含量相对较高，元素O的含量也相对来说较高，但H/C比相对来讲也较高，暗示着水热炭中浓缩的芳香性程度较低。此外，随着水热碳化温度上升至240℃，生物质的水热炭的灰分含量、元素S的含量较原生物质有所升高，而元素O、N和S的含量以及原子比H/C和O/C的值有所降低。
3.不同原料的水热炭的理化性质影响分析
本文通过研究总结了不同来源的生物质在水热碳化处理下所得水热炭的理化性质的变化。研究总结结果表明，原生物质经过水热碳化处理后，其灰分含量、孔隙结构和比表面积较原生物质显著升高，其C含量基本保持不变，而其H、N和O的含量较原生物质有比较明显的下降趋势，这是因为生物质经过水热碳化处理后，其大量挥发分含量减少，导致相关的元素含量随之减少。同时，水热炭的H/C和O/C 摩尔原子比也显著的下降，说明了生物质经过水热碳化处理后其芳香化程度明显增强，伴随着其水热炭的稳定性增强。此外，随着水热碳化温度的上升，水热炭的产率有所下降，其灰分含量显著上升，其含氧官能团也有所下降，说明水热碳化温度是影响生物质经过水热碳化处理得到的水热炭的理化性质的主要因素，同时，随着生物质水热碳化停留时间的增加，水热炭理化性质的变化趋势也与以上相似，因此说明水热碳化停留时间也是影响水热炭理化性质的关键因素。
4.结论
通过研究总结得到的结果表明生物质通过水热碳化处理后，其理化特性得到改善，并发现水热碳化温度和水热碳化停留时间是影响水热炭理化性质的主要因素，这为未来水热碳化生物炭的应用提供了一定的理论参考和科学依据。
参考文献：
[1] Shen， Y.S.， Wang， S.L.， Tzou， Y.M.， Kuan， W.H.， 2012. Removal of hexvalent Cr by coconut coir and derived chars - the effect of surface functionality. Bioresource Technol. 104， 165-172.
[2] Yao， Y.， Gao， B.， et.， 2012. Adsorption of sulfamethoxazole on biochar and its impact on reclaimed water irrigation. J. Hazard. Master. 209， 408-413.
[3] Ginter， M.O.， Grobicki， A.M.， 1995. Analysis of anaerobic sludge containing heavy metals： a novel technique. Water Res. 29 （12）， 2780–2784.