水稻秸稈生物碳的結(jié)構(gòu)特征、穩(wěn)定性及其固碳機(jī)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(jié)構(gòu)和優(yōu)良的物理、化學(xué)、生物性質(zhì)，可以用于土壤改良，如增加土壤有機(jī)質(zhì)含量、增強(qiáng)持水性、緩解酸化、增強(qiáng)通氣性等;也可作為吸附劑，用于降低土壤中有機(jī)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(zhuǎn)化，達(dá)到修復(fù)目標(biāo)。有關(guān)生物碳的固碳潛力引起了極大關(guān)注，土壤中生物碳本身的穩(wěn)定性及其影響因素相關(guān)研究仍處于起步階段，因此，深入研究生物碳的結(jié)構(gòu)特性、穩(wěn)

2、定性及影響因素，對(duì)全方位評(píng)估其土壤固碳潛力具有重要理論價(jià)值和實(shí)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(jī)-無機(jī)組成、結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，探討了生物碳制備溫度和粒徑大小、氧化劑強(qiáng)

3、度和反應(yīng)時(shí)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(xì)分析(STXM-NEXAFS)等手段，表征氧化前后生物碳的微觀結(jié)構(gòu)和元素分布，闡明了生物碳穩(wěn)定性與分子結(jié)構(gòu)的耦合機(jī)制，并從納米尺度上分析生物碳的空間結(jié)構(gòu)，建立了生物碳穩(wěn)定性的穩(wěn)定機(jī)制模型，探明了生物碳中硅和碳的耦合機(jī)制。研究結(jié)果為土壤固碳提供了理論基礎(chǔ)和技術(shù)支撐。論文的主要結(jié)論和創(chuàng)新點(diǎn)如下:
　　(1)發(fā)現(xiàn)生物質(zhì)中存在的硅質(zhì)對(duì)

4、生物碳結(jié)構(gòu)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(duì)較為松散的組織結(jié)構(gòu)。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(jié)構(gòu)致密的Si&C復(fù)合體。繼續(xù)升高溫度到達(dá)700℃，逐漸形成高聚合度的、大尺寸的芳香碳以及結(jié)晶度逐

5、漸增加的無定型硅，導(dǎo)致碳和硅晶體從Si&C復(fù)合體中分別獨(dú)立出來，導(dǎo)致Si&C復(fù)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(hù)機(jī)制。生物碳的熱穩(wěn)定性分析結(jié)果表明，生物碳中的灰分對(duì)碳質(zhì)穩(wěn)定性有著顯著的影響，硅保護(hù)狀態(tài)下，500℃生物碳表現(xiàn)出顯著的熱穩(wěn)定性，主要?dú)w功于硅的保護(hù)作用機(jī)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(jié)構(gòu)決定的。重鉻酸鉀氧化結(jié)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(hù)機(jī)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(jìn)一步證實(shí)了生物碳的多碳庫(kù)組成，碳&硅復(fù)合結(jié)構(gòu)的高抗氧化性復(fù)合結(jié)構(gòu)的高抗氧化性主要是由受到硅的保護(hù)所致。
　　(3)揭示了生物碳的納米-分子生物碳結(jié)構(gòu)及其穩(wěn)定機(jī)制。采用球差校正電鏡等技術(shù)分析了生物碳（500℃水稻秸稈生物碳）的納米尺度碳硅構(gòu)效關(guān)系，借助NEX