生物炭作为一种新型的环境功能材料, 由于其特殊的结构和理化性质, 具有修复污染、 改良土壤、 固碳减排等多重环境效益, 越来越受到人们的关注, 已经成为一个新的研究热点。 生物炭表面官能团的种类及分布, 决定其理化性质。 而热解温度和原料类型是影响生物炭官能团的两个重要因素。 以鸡粪、 牛粪和猪粪为原料, 在不同温度(200~700 ℃)下热解制备畜禽粪便生物炭。 在一维红外光谱分析的基础上, 通过傅里叶变换红外光谱技术结合二维相关分析方法, 揭示畜禽粪便生物炭的官能团随着热解温度升高的变化规律, 为更好的研究生物炭的构效关系提供理论基础。 结果表明: 随着热解温度的升高, 在3 600~2 800 cm-1波段, 3种畜禽粪便生物炭的官能团变化主要体现在醇、 酚—OH和脂肪族—CH2峰减弱, 其中, 鸡粪生物炭的醇、 酚—OH和脂肪族—CH2峰变化最明显。 此外, —OH峰的变化强度高于—CH2并且先于—CH2变化。 在1 800~800 cm-1波段, 鸡粪、 牛粪和猪粪生物炭受响应的特征峰数目分别为6, 5和6个, 各特征峰的变化强度顺序分别为鸡粪生物炭: 芳环C=C>C=O>C—O/Si—O>P—O/C—H; 牛粪生物炭: C=O>C=C和P—O/C—H>C—OH和C—O/Si—O; 猪粪生物炭: C=O>C=C>COO->羧酸C—OH>P—O/C—H=C—O/Si—O。 3种畜禽粪便生物炭的部分官能团变化相似: 即C=O和C=C官能团均发生了断裂及重组, 且C=O断裂先于C=C。 然而, 不同粪便生物炭的官能团变化也存在差异, 主要表现在鸡粪生物炭中C—O/Si—O变化先于P—O/C—H, 牛粪生物炭中P—O/C—H变化先于C—O/Si—O, 猪粪生物炭中C—O/Si—O与P—O/C—H变化同时发生。
畜禽粪便 生物炭 红外光谱 二维相关分析 官能团 Animal manure Biochar Fourier transform infrared spectroscopy Two-dimensional correlation analysis Functional groups 光谱学与光谱分析
2020, 40(11): 3606
1 安徽科技学院资源与环境学院, 安徽 凤阳 233100
2 上海交通大学中英国际低碳学院, 上海 201306
稻壳和木屑是农林业废物处理与利用的重点, 将稻壳和木屑制备成生物炭并用于环境污染与防治成为研究热点, 但对稻壳和木屑生物炭中溶解性有机质(DOM)的研究还较少。 以稻壳和木屑为生物质原料, 在不同温度(200~700 ℃)下制备稻壳和木屑生物炭, 利用紫外-可见光谱、 三维荧光光谱和红外光谱技术对生物炭DOM的光谱特征进行分析, 研究不同热解温度对生物炭DOM光谱特征的影响。 结果表明, 随着热解温度升高, 稻壳和木屑生物炭DOM中溶解性有机碳(DOC)浓度逐渐降低, 且木屑生物炭的DOC浓度远高于相同温度下的稻壳生物炭。 稻壳和木屑生物炭DOM的紫外吸收均随着波长的增大而逐渐降低, 且随着热解温度升高, 稻壳生物炭DOM的吸光度先增加后降低, 而木屑生物炭DOM则持续降低。 紫外光谱的特征参数值(SUVA254和SUVA260)随着热解温度升高变化趋势相同, 且在相同温度下, 稻壳生物炭DOM的特征参数值均高于木屑。 三维荧光光谱表明稻壳和木屑生物炭DOM的荧光峰主要出现在λex/em=300~315/400~425 nm和λex/em=210~245/380~435 nm波段, 分别代表类腐殖质荧光峰和富里酸荧光峰, 可用来表示生物炭DOM的腐殖化程度和疏水组分含量。 随温度升高, 稻壳生物炭DOM的腐殖化程度和疏水组分含量先升高后降低, 而木屑生物炭DOM则逐渐降低。 三维荧光参数表明稻壳和木屑生物炭DOM的自生源指标(autochthonous index, BIX)不强, 生物可利用性和类蛋白比例较低; 随着温度升高稻壳生物炭DOM腐殖化指数(humification index, HIX)先增加后降低, 而木屑生物炭DOM的HIX则逐渐降低。 此外, 红外光谱结果表明, 随着热解温度的升高, 稻壳和木屑生物炭DOM中—OH逐渐降低, —CH2、 —CH3变化不明显, 芳环CC, C—H增强, 芳香化程度增强。
温度 生物炭 溶解性有机质 光谱分析 Temperature Biochar Dissolved organic matter Spectral analysis 光谱学与光谱分析
2019, 39(11): 3475
