水稻秸稈生物碳的結構特征、穩(wěn)定性及其固碳機制.pdf

1、生物碳是生物質(zhì)在低溫限氧條件下裂解制得的一種多孔富碳產(chǎn)物。生物碳具有特殊的結構和優(yōu)良的物理、化學、生物性質(zhì)，可以用于土壤改良，如增加土壤有機質(zhì)含量、增強持水性、緩解酸化、增強通氣性等;也可作為吸附劑，用于降低土壤中有機污染物和重金屬的有效濃度和生物可利用性，阻控污染物在土壤-植物系統(tǒng)的遷移轉化，達到修復目標。有關生物碳的固碳潛力引起了極大關注，土壤中生物碳本身的穩(wěn)定性及其影響因素相關研究仍處于起步階段，因此，深入研究生物碳的結構特性、穩(wěn)

2、定性及影響因素，對全方位評估其土壤固碳潛力具有重要理論價值和實踐意義。本文以水稻秸稈為典型生物質(zhì)代表，制備了不同炭化溫度的生物碳，采用元素分析、傅里葉紅外(FTIR)、比表面積(BET)、電鏡掃描及能譜(SEM-EDX)、X-射線衍射(XRD)等手段，表征了水稻秸稈生物碳的有機-無機組成、結構特征和表面微形貌;采用熱解氧化法、重鉻酸鉀氧化法、過氧化氫氧化法，研究生物碳的穩(wěn)定性及其與結構之間的關系，探討了生物碳制備溫度和粒徑大小、氧化劑強

3、度和反應時間等影響因素;利用透射電鏡、球差校正掃描透射電子顯微分析(STEM)、同步輻射近邊X射線吸收精細分析(STXM-NEXAFS)等手段，表征氧化前后生物碳的微觀結構和元素分布，闡明了生物碳穩(wěn)定性與分子結構的耦合機制，并從納米尺度上分析生物碳的空間結構，建立了生物碳穩(wěn)定性的穩(wěn)定機制模型，探明了生物碳中硅和碳的耦合機制。研究結果為土壤固碳提供了理論基礎和技術支撐。論文的主要結論和創(chuàng)新點如下:
　　(1)發(fā)現(xiàn)生物質(zhì)中存在的硅質(zhì)對

4、生物碳結構和微形貌有著重要影響。生物碳的芳香碳聚合程度隨著炭化溫度升高而逐漸增大，低溫(≤300℃)的生物碳，碳主要以無定型態(tài)形式存在，而鉀主要由K2O和KCl的混合物組成，硅則是由含氫元素較多的無定型硅膠組成，三者之間形成相對較為松散的組織結構。300-500℃范圍內(nèi)，硅在鉀催化作用下發(fā)生熔解現(xiàn)象，與混合型芳香碳和無定型碳形成低比表面積、結構致密的Si&C復合體。繼續(xù)升高溫度到達700℃，逐漸形成高聚合度的、大尺寸的芳香碳以及結晶度逐

5、漸增加的無定型硅，導致碳和硅晶體從Si&C復合體中分別獨立出來，導致Si&C復合體徹底解體。
　　(2)系統(tǒng)闡述了生物碳的穩(wěn)定性不僅決定于芳香碳的聚合程度，更決定于聚合芳香碳的完整度和Si&C保護機制。生物碳的熱穩(wěn)定性分析結果表明，生物碳中的灰分對碳質(zhì)穩(wěn)定性有著顯著的影響，硅保護狀態(tài)下，500℃生物碳表現(xiàn)出顯著的熱穩(wěn)定性，主要歸功于硅的保護作用機制，而去硅處理使得碳組分得以暴露，直接加速了生物碳的降解，降低了熱穩(wěn)定性，其穩(wěn)定性主要

6、是聚合芳香碳結構決定的。重鉻酸鉀氧化結果表明，生物碳的穩(wěn)定性不僅受到溫度所決定，還決定于硅的保護機制，而去硅后的生物碳表現(xiàn)出的穩(wěn)定性主要由聚合芳香碳的完整性所決定。過氧化氫氧化進一步證實了生物碳的多碳庫組成，碳&硅復合結構的高抗氧化性復合結構的高抗氧化性主要是由受到硅的保護所致。
　　(3)揭示了生物碳的納米-分子生物碳結構及其穩(wěn)定機制。采用球差校正電鏡等技術分析了生物碳（500℃水稻秸稈生物碳）的納米尺度碳硅構效關系，借助NEX