水稻秸秆及其炭材料基质中可溶性有机物的释放潜力研究
摘要：我国每年产生的水稻秸秆资源由于收集、运输、处理费用高，运用价值不大等问题，大量的秸秆资源会占用空间和造成浪费，且给环境带来了不可忽视的环境污染问题,所以探究其资源化利用途径具有重要意义。水热炭是指生物质通过水热合成过程进行脱水、脱羧在表面形成具有可控制尺寸的球状结构的固体产物，其表面具有丰富的官能团，可以大大提高亲水性和化学反应性[2]。生物质炭是生物质在缺氧或者无氧条件下热解产生的一种含碳丰富的固体物质，具有高度的稳定性和极强的吸附能力，在全球碳循环、气候变化以及环境调节中发挥重要作用[2]。将制备的水热炭、生物质炭进行还田，其释放到土壤中的DOM，影响着土壤养分的循环以及微生物活动，对水热炭中DOM的释放潜力研究将成为后期还田产生的环境效应研究的理论依据。
关键词：水热炭 DOM 生物质炭 DOM释放潜力
1.研究背景
据统计，全球范围内有超过35亿人口以稻米为主食[3]。我国作为一个农业大国，每年的水稻种植量巨大，因此会产生大量的水稻秸秆资源。然而由于收集、运输、处理费用高，运用价值不大等问题，大量的秸秆资源会占用空间和造成浪费。且在一些多熟制地区，由于复种指数高和岔口紧，秸秆产量大，直接还田易出现秸秆分解过程与作物幼苗争夺养分的现象，同时秸秆腐解过程中释放的H2S等有毒物质易导致水稻黄苗、死苗等，带来不良影响[3]，所以探究其资源化利用途径具有重要意义。秸秆是生物质的重要来源之一，秸秆资源的开发利用与农业生产系统中的物质高效转化和能量高效循环、土壤肥力、环境安全以及可再生能源高效利用等可持续发展问题密切相关[1]。随着全球农业的发展和弄产品的数量的不断增加，农业废弃物的排放呈现日益增长的趋势，其合理利用管理成为全球待解决的一个重要农业环境问题。另外，这些农林废弃物含有含有丰富的炭和植物生长所需的营养元素[4]。
- 水热炭
2.1水热炭的概念及其特性
水热炭是将生物质进行水热碳化 (HTC) 处理所得到的一种均质、疏水、能量密集、包含微米或纳米尺寸炭球的多孔结构固体。相对于生物质原料, 水热炭展现出更好的燃料特性, 如碳含量更高、氧含量更低、疏水性更强、热值(HHV)和能量密度(ED)更高[5]。与常规热裂解炭的碱性特性不同，水热炭常呈酸性，这为其稻田回用和氨挥发损失控制提供了可能。
2.2水热炭的制备
将烘干过的水稻秸秆与去离子水按320g/L的比例混合，湿的生物在高温 (180—260℃) 、高压 (2—6 MPa) 密闭的系统中经过240min的热化学反应, 发生水解、脱水、脱羧、缩合、聚合和芳构化等，整个过程需要水的参与, 因此也被称为湿烘焙法[5]。制备水热炭的产出率约为40%—70%, 各产物的性质和比例与反应条件密切相关, 其中反应时间和温度是最重要的影响因素。在HTC工艺中, 水热炭是以泥浆形式被制备出来的, 为了便于后续处理，需将其烘干[5]。
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