炭化温度对沙蒿生物炭形貌特征和化学性质的影响-USB迷|专注于互联网分享

2024年3月19日发(作者：贡意智)

土壤 (Soils), 2014, 46(5): 814–818

炭化温度对沙蒿生物炭形貌特征和化学性质的影响

①

侯建伟，索全义

，梁桓，韩雪琦，刘长涛

(内蒙古农业大学生态环境学院，呼和浩特 010018)

摘要：沙蒿是半灌木典型沙生植物，作为制炭物料具有其特殊性，而炭化温度决定生物炭形貌特征和化学性

质。通过无氧炭化法制备了不同温度(300 ~ 900℃)的沙蒿生物炭，研究了炭化温度对沙蒿生物炭形貌特征、表面官能

团种类、产率变化和有机组分含量的影响。结果表明：生物炭孔径随着炭化温度的升高而增大，700℃以后生物炭结

构有一定程度的破坏；生物质炭化后C–O–C、–COOH、–CH

、–CH

、–OH和C=O逐渐消失；生物炭产率随着炭化

温度的升高而降低，尤其是从 300℃升高至 400℃产率降低最为明显，这与纤维素及半纤维素的分解有直接关系；生

物炭中有机组分的C元素含量增加，由 701.7 g/kg 增加到 899.3 g/kg，增加了 197.6 g/kg；而H、O和N元素含量则

逐渐降低，分别降低了21.4、171.8 和 6.6 g/kg；生物炭中有机组分的原子比 H/C、O/C 和 (N + O)/C 都逐渐减小。

总之，生物质升温炭化过程中，炭化温度与生物炭孔径及有机组分的C元素含量呈正相关关系而与生物炭产率、生物

炭中有机组分的H、O和N元素含量呈负相关关系，低温和中温炭化时生物炭保留原有的骨架结构，而高温时对其有

一定程度的破坏作用，沙蒿生物质含有丰富的官能团，升温裂解过程中多数官能团消失，无机组分 Si–O–Si 得以保留，

此外，生物质升温裂解是一个芳香性逐渐增强，亲水性和极性逐渐减弱的过程。

关键词：沙蒿；生物炭；表面结构；官能团；生物炭产率；有机组分

中图分类号：S152.4

沙篙是菊科篙属(Artemisia)的一个半灌木类群，

是一种典型的沙生植物，具有很强的抗寒、抗旱和耐

沙埋等特性。沙蒿在其生境中经过漫长的自然选择成

为建群种和优势种，广泛地分布在半固定或固定的沙

地，是较好的固沙防风植物，在生态保护和恢复中起

到了非常重要的作用，也是恶劣生境下的重要碳汇植

物。沙蒿平茬或刈割可明显促进其生长，增强它的生

活能力，平茬或刈割后的沙蒿可将其就地转化成为生

物炭(biochar，无氧条件下炭化的产物

[1–3]

)进行沙地

封存。这一方面可以利用生物炭的稳定性实现碳汇的

目的，为减缓全球气候变化做出贡献；另一方面可利

用生物炭的多孔性、亲水性、吸附性等特性，实现改

善沙地生境效应的作用

[4–5]

。

生物炭的特性由原料和制备条件所决定。目前研

究制备生物炭的原料主要包括阔叶树、牧草、树皮、

作物残余物(如稻草、坚果壳和稻壳)、柳枝梭、有机

废物(如酒糟、甘蔗渣、橄榄废物、鸡粪、牛粪、剩

余污泥和纸浆)等，而对沙地特殊生境下的沙蒿作为

制取生物炭材料的研究尚未见报道

[6]

。

近些年来，因生物炭可充分发挥环境和农业效益

而备受研究者的亲睐，而生物炭的含碳率高、孔隙

结构丰富、比表面积大、理化性质稳定等固有的特

点是生物炭还田改土

[7–9]

、提高农作物产量、缓释肥

效

[10–12]

，实现碳封存的重要结构基础。为此，本试

验以沙生植物沙蒿为材料，研究炭化温度对沙蒿生物

炭产率、表面特征、官能团、有机组分含量和有机组

分中原子比的影响，为沙蒿生物炭的制取和应用提供

基本依据。

1 材料与方法

1.1 材料

供试材料为黑沙蒿，取自内蒙古呼和浩特市托克

托县沙地，该沙地是库布齐沙地的东缘，分布在托克

托县的西南。将取回的沙蒿平铺于室外阳光下晒干后

粉碎放入烘箱中65℃烘至恒重(约24 h)，然后放入干

燥器中以备制取生物炭。

1.2 试验设计

炭化温度设300、400、500、600、700、800和

①基金项目：国家自然科学基金项目(31260502)资助。

* 通讯作者(paul98@)

作者简介：侯建伟(1986—)，男，内蒙古通辽人，博士研究生，主要从事土壤肥力与植物营养研究。E-mail: hjw19860627@

第5期侯建伟等：炭化温度对沙蒿生物炭形貌特征和化学性质的影响 815

900℃ 7个梯度，炭化时的升温速率为150℃/h，炭化

时间为1 h；每个处理均设3次重复。

1.4.3 生物炭形貌特征生物炭形貌特征采用日

本日立公司生产的S-530型扫描电镜进行扫描。

1.4.4 红外光谱(FTIR) 用傅里叶变换红外光谱

仪(NEXUS670，美国)测定沙蒿和不同条件下制备的

生物炭的红外光谱图。测试条件：采用KBr压片制

样，波数范围 4 000 ~ 400 cm

–1

，分辨率2.0 cm

–1

。

1.3 生物炭的制备

炭化设备选用的是洛阳市西格马仪器制造有限

公司生产的人工智能箱式电阻炉(8/10)，该

设备可进行升温速率、炭化时间和炭化温度的调控。

称取烘干沙蒿25.0 g，在实验设计的条件下通过抽真

空创造无氧环境制备生物炭。炭化结束后使其自然降

温，备用。

1.4 测定项目及方法

1.4.1 生物炭产率与元素组成通过测定制备后

生物炭的质量(干基W

)和制备前沙蒿质量(干基W

)，

按公式(1)计算生物炭产率：

生物炭产率(%)=

1.5 数据分析

数据处理利用SAS9.0进行方差分析(ANOVA)和

相关性分析(CORR)，Excel计算数据置信区间及绘制

图表，利用Ominic8.2和Origin V8.0进行红外谱图的

处理与制作。

2 结果与分析

2.1 炭化温度对沙蒿生物炭形貌特征的影响

由不同炭化温度下沙蒿生物炭200倍的电镜扫

描图片(图1)可知，沙蒿生物质炭化后生物炭具有大

量疏松的孔隙结构，且孔径随着炭化温度的升高而增

大。在300 ~ 600℃ 炭化后，原有主体结构均得到了

完整保留且形成的碳架结构更为清晰、明显；700℃

以后原有主体结构均遭到不同程度的破坏，具体表现

为：炭化温度达到700℃时，髓部孔隙增大并开始外

化破裂；炭化温度达到800℃时，韧皮部、木质部及

髓呈簇状脱落，出现了比较大的孔隙但部分结构还可

见到；炭化温度达到900℃时，生物炭的各种结构遭

到严重破坏混成一片已分不出各自结构，且部分结构

呈现块状脱落。一方面，可能是由于温度上升引起更

多的挥发性产物析出，这些挥发性产物通过炭表面进

×100 (1)

全碳(C)、氢(H)和氮(N)采用CHN元素分析仪(德

国elementar，Vario Macro) 测定，有机组分的元素

组成通过扣除灰分(直接灰化法)含量得到并最终计

算为质量百分数，氧(O)元素含量采用差量法计算，

样品平行测定 3 次，用平均值计算有机质组分的 H/C、

O/C 和(O + N)/C 的原子比。

1.4.2 热重分析用热重分析仪(德国耐驰STA409pc)

对过 10目筛的沙蒿生物质进行热重分析，样品用量

10.0 mg，温度范围为30 ~ 1 000℃、升温速度 2.5℃/min，

氮气氛围、流量为 120 ml/min；每次实验之前空载

进行，标定仪器，确保测试的准确性；由温度与样品

质量绘制热重曲线(TG)。

图1 不同炭化温度下沙蒿生物炭形貌特征

Fig. 1 Morphology features of Artemisia ordosica biochar under different carbonization temperature

816 土壤第46卷

入到气相空间，此时的炭已经很难保持原来的骨架结

构；另一方面，生物质升温裂解过程中骨架结构不断

收缩、断裂，部分结构脱落无固定结构的粉末状物质

增多，生物炭变得更加无序。

2.2 炭化温度对沙蒿生物炭化学性质的影响

2.2.1 炭化温度对沙蒿生物炭表面官能团的影响由

沙蒿生物炭的红外谱图(图2)可知，沙蒿生物质含有

丰富的官能团：3 000 ~ 3 665 cm

–1

宽吸收峰来自羟基

(–OH)的伸缩振动，2 927 cm

–1

和2 856 cm

–1

处分别

为脂肪性 –CH

的不对称和对称伸缩振动峰，1 700 ~

1 740 cm

–1

处吸收峰主要是羧酸的C=O伸缩振动吸

收，1 613 cm

–1

处为芳环的C=C或C=O伸缩振动峰，

1 440 cm

–1

和1 375 cm

–1

处的吸收峰分别为木质素中的芳

香性C=C和O–H 振动，1 247 cm

–1

和1 040 cm

–1

处为纤

维素或半纤维素的C–O–C 振动吸收峰，466 ~ 1 081 cm

–1

为Si–O–Si 的振动吸收峰。

不同特征吸收峰可以解析为不同基团振动。由图

2可知，不同温度的生物炭有相同的分子结构特点。结

合官能团红外光谱特征，进一步分析认为：在3 400 cm

–1

左右有宽吸收峰，表明生物炭有大量的 –OH存在；

在1 602 cm

–1

左右出现了芳环骨架或C=O的伸缩振

动，表明生物炭表面存在芳环、酮类或醛类。由此，

可推断生物炭结构可能是以芳环骨架为主，还可能含

有芳香醚等官能团。

图2 沙蒿生物质及不同炭化温度下生物炭的红外谱图

Fig. 2 FTIRs of Artemisia ordosica biomass and biochar under

different carbonization temperature

由图2还可看出，不同炭化温度的生物炭所含官

能团有一定的差异，同种官能团的振动形式也不同。

300 ~ 500℃炭化制取的生物炭不仅有 –OH的伸缩振

动，还有 –OH面内变形和C–O或C=O的伸缩振动，

这与郝蓉等

[13]

研究不一致，说明形成条件和物料可一

定程度地影响生物炭的结构性质。600 ~ 700℃炭化制

取的生物炭有面内变形和C–O或C=O的伸缩振动，

800 ~ 900℃炭化制取的生物炭并未出现 –OH的伸缩

振动、面内变形和C–O或C=O伸缩振动。同时还可

发现，不同炭化温度制取的生物炭吸收强度或峰面

积也有差异，因此可推测官能团在整个生物炭分子

组成上的含量不同。沙蒿主要由纤维素、半纤维素和木

质素组成。C–O–C存在于半纤维素和纤维素主链上，

C–O–C的逆对称和对称伸缩振动频率分别在1 247

–1

和1 040 cm

–1

，但生物炭中400℃以后未见到其

相关吸收峰，说明半纤维素和纤维素在炭化温度达到

400℃以后C–O–C已经全部断裂。–COOH的伸缩振

动峰位于1 820 ~ 1 648 cm

–1

，在生物炭中也未见其相

关吸收峰，这是因为 –COOH的热稳定性较差，炭化

时易产生化学反应变成水和气体。–CH

的不对称和

对称伸缩振动峰值分别位于2 972 ~ 2 953 cm

–1

和

2 882 ~ 2 862 cm

–1

，–CH

的不对称和对称伸缩振动峰

值分别位于2 940 ~ 2 916 cm

–1

和2 863 ~ 2 843 cm

–1

，

在300℃以后生物炭中同样未见其相关吸收峰，说明在

炭化过程中也已热解消失，这与陈再明等

[14]

研究一致。

2.2.2 炭化温度对沙蒿生物炭产率变化的影响炭

化时间和升温速率一定时，炭化温度和生物炭得率高

度负相关(相关系数为 –0.878 9**)，这与已有研究结

果一致

[15–16]

，其中由300℃升高至400℃时降低最为

明显，降低了10.78%，而400℃以后炭产率缓慢降低

(图3)。

图3 炭化温度对沙蒿生物炭产率的影响

Fig. 3 Effects of carbonization temperature on Artemisia ordosica

biochar yield

对沙蒿生物质进行热重分析(图4)可知，炭产率

降低是由于随着温度的升高沙蒿生物质中可挥发和

分解的组分在此过程中逐渐去除，在33℃→100℃和

200℃→400℃两个升温阶段沙蒿失重最为显著，而

400℃以后变得相对缓慢，其中 33℃→100℃对应为

样品失水所致；而200℃→400℃则是半纤维素(最大

分解速率对应的裂解温度 300℃)和纤维素(最大分解

速率对应的裂解温度 355℃)相继分解所致。400℃以

第5期侯建伟等：炭化温度对沙蒿生物炭形貌特征和化学性质的影响 817

后生物质质量的损失主要来自于生物质木质素组分

的分解，与半纤维素、纤维素不同，木质素的分解较

难，其热解失重过程发生在整个升温过程，此失重过

程与图3中炭产率的变化是一致的。

2.2.3 炭化温度对沙蒿生物炭有机组分的影响无

论炭化温度高低，生物炭中有机组分的碳元素含量均

在60% 以上，与已有研究结果

[17–19]

一致，且随炭化

温度的升高而增加，由300℃的701.7 g/kg增加到

900℃的899.3 g/kg，增加了197.6 g/kg，而H、O和

N元素含量则逐渐降低，分别降低了21.4、171.8和

6.6 g/kg(表1)。

图4 N

氛围下沙蒿生物质的热重分析

Fig. 4 Thermo gravimetric analysis (TG) of Artemisia

sphaerocephala Krasch biomass under N

atmosphere

表1 不同炭化温度下沙蒿生物炭有机组分的元素组成和原子比

Table 1 Elemental compositions and atomic ratios of biochar prepared under different carbonization temperature

指标

701.7 ± 4.4 G

40.0 ± 2.6 A

245.3 ± 0.3 A

13.0 ± 0.1 A

774.4 ± 2.8 F

38.0 ± 1.5 AB

174.9 ± 0.7 B

12.8 ± 0.2 A

852.4 ± 0.9 E

36.2 ± 0.1 B

98.9 ± 0.1 C

12.5 ± 0.2 B

炭化温度(℃)

300 400 500 600 700 800 900

C(g/kg)

H(g/kg)

O(g/kg)

N(g/kg)

879.7 ± 0.2 D

29.3 ± 0.1 C

79.8 ± 0.0 D

11.2 ± 0.4 C

884.9 ± 0.1 C

26.6 ± 0.1 D

78.4 ± 0.2 D

10.1 ± 0.2 C

894.7 ± 0.4 B

23.2 ± 0.2 E

75.8 ± 0.2 E

8.6 ± 1.2 D

899.3 ± 0.2 A

18.6 ± 0.1 F

73.4 ± 0.1 E

6.4 ± 1.3 E

H/C 0.68 0.59 0.51 0.40 0.36 0.31 0.25

O/C 0.26 0.17 0.09 0.07 0.07 0.06 0.06

(N + O)/C 0.28 0.18 0.10 0.08 0.08 0.07 0.07

注：同行不同大写字母表示不同温度间差异在P < 0.01水平极显著。

多重均值检验表明，当温度由300℃升至900℃

时，各温度处理间的C元素含量均达到极显著差异

水平(P < 0.01)；H元素含量除了400℃和500℃处理

间无显著差异外，其他各处理间均达到极显著差异水

平(P < 0.01)；O元素含量300℃、400℃和500℃ 之

间及与其他各处理间均达到极显著差异水平(P <

0.01)；N元素含量只有300℃与400℃之间及600℃

与700℃之间未达到显著差异水平，其他处理间均达

到极显著差异水平(P <0.01)。相关性分析表明，炭化

温度与生物炭的C元素含量相关系数为0.894 2**，

二者之间存在高度正相关，而与H、O和N元素含

量呈高度负相关关系，相关系数分别为 –0.981 3**、

–0.850 7**和 –0.935 4**，表明沙蒿升温裂解过程是有

机组分富碳、去极性官能团的过程。生物炭中有机组

分的原子比 H/C、O/C 和(N + O)/C 反映生物炭样品

的芳香性、亲水性和极性大小。由表 1 可得，炭化温

度由300℃升到900℃

生物炭的有机组分的原子比

H/C、O/C 和(N + O)/C 都逐渐减小，表明沙蒿的升温

裂解是一个芳香性增强，亲水性和极性减弱的过程。

炭化温度越高生物炭孔径越大，且低温和中温均保留

生物质本身的骨架结构，而高温对其结构有一定程度

的破坏作用。

(2) 不同炭化温度的生物炭具有相同的化学结

构，但所含官能团种类有所不同，同种官能团的振动

形式也不同。生物质炭化后官能团会发生一定的变

化，具体表现为300℃之前C–O–C、–COOH、–CH

和 –CH

消失，300 ~ 900℃ –OH和C–O或C=O键逐

渐消失，无机组分Si–O–Si得以保留。

(3) 炭化温度与生物炭产率呈负相关关系，300 ~

400℃生物炭产率降低较为明显，而400℃以后变得

相对缓慢。

(4) 沙蒿生物炭的有机组分与炭化温度密切相

关，并含有丰富的有机碳组分，随着炭化温度升高生

物炭中有机组分的C元素含量增加，而H、O和N

元素含量下降，生物炭的芳香性增强，亲水性和极性

减弱。炭化温度达到800℃时O/C和( N + O)/C达到

定值，生物炭亲水性和极性不再变化。

3 结论

(1) 炭化温度对生物炭形貌特征有一定的影响，

参考文献：

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818 土壤第46卷

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Effects of Carbonization Temperature on Artemisia ordosica

Biochar Morphology and Chemical Properties

HOU Jian-wei, SUO Quan-yi

, LIANG Huan, HAN Xue-qi, LIU Chang-tao

(College of Ecology and Environmental Science, Inner Mongolia Agriculture University, Hohhot 010018, China)

Abstract:

As a typical psammophyte subshrub, Artemisia ordosica plays a particular role in making charcoal materials.

However, the morphology and chemical properties of biochar mainly depend on carbonization temperature. In the present study,

Artemisia ordosica biochar at a range of 300 – 900℃ under anaerobic carbonization condition was prepared, and the effects of

carbonization temperature on porosity, surface functional groups, biochar yield and organic components of the Artemisia ordosica

biochar were investigated. The results indicated that the biochar porosity increased with the increase of temperature, biochar

structure was damaged to some extent after 700℃; C–O–C, –COOH, –CH

, –CH

, –OH and C=O gradually disappeared after

carbonization; biochar yield decreased with the increase of temperature, particularly in 300 – 400 ℃; the cellulose and

semicellulose greatly decomposed with the increase of temperature within 300 – 400 ℃; the carbon content in biochar increased

from 701.7 g/kg to 899.3 g/kg, increased by 197.6 g/kg; however, the contents of hydrogen, oxygen and nitrogen decreased by

21.4 g/kg, 171.8 g/kg and 6.6 g/kg, respectively; H/C, O/C and ( N + O) /C gradually reduced. In summary, when the biomass was

heated and carbonized, carbonization temperature was positively related to biochar porosity and carbon contents of organic

components, while was negatively correlated to biochar yield, hydrogen, oxygen and nitrogen content of biochar. The original

biochar structure was preserved under low-moderate temperature. However, high temperature destroyed the biochar structure to a

degree. Artemisia ordosica biomass contain plenty of functional group. The most of functional groups disappeared with the

increase of the pyrolytic temperature and the composition of Si–O–Si was left. In addition, the biomass heating pyrolysis is a

process which aromaticity is increased and hydrophilic and polarity are gradually decreased.

Key words:

Artemisia ordosica, Biochar, Surface structure, Functional group, Biochar yield, Organic constituents