董彩琴，黃 輝，黃 爽，黃介生，鄧依依

(水資源與水電工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢大學(xué)水利水電學(xué)院，湖北 武漢 430072)

0 引 言

生物炭是由各類農(nóng)業(yè)固體廢棄物，在低溫限氧條件下制備而成的高穩(wěn)定性含碳產(chǎn)物[1]，不僅可以改良土壤性質(zhì)[2]，同時(shí)可以吸附土壤重金屬[3]，引起了人們的廣泛關(guān)注[4, 5]。隨著我國規(guī)?；?、集約化畜禽養(yǎng)殖量大幅度增加，畜禽糞便的排放量快速增長。據(jù)預(yù)測，2020年中國畜禽糞便總污染量將增加31%[6]。利用慢速熱裂解畜禽糞便制備生物炭，既可保留其含有的多種營養(yǎng)元素，也可消除糞便中的病菌、寄生蟲等，實(shí)現(xiàn)畜禽糞便的無害化利用。

研究表明，生物炭的理化性質(zhì)隨制炭條件和原材料的不同而有較大的差異，進(jìn)而影響其吸附性能和吸附機(jī)理，Lu等[7]研究表明，生物炭的吸附性能隨原材料和熱解溫度的不同而有較大差異，影響吸附性能的主要理化性質(zhì)有pH值、CEC、灰分含量、含氧官能團(tuán)、比表面積以及持水性能等。Inyang[8]等認(rèn)為生物炭原材料是影響其吸附性能的關(guān)鍵因子；王煌平等[9]研究表明，隨著熱解溫度的升高，豬糞生物炭灰分、pH值、電導(dǎo)率等逐漸增加，表面結(jié)構(gòu)粗糙程度也逐漸增加。

目前，研究主要集中在制備溫度、原材料等對生物炭理化性質(zhì)的影響，清糞工藝、過篩方式對豬糞生物炭的理化性質(zhì)影響研究較少，且針對生物炭理化性質(zhì)間的相關(guān)關(guān)系，以及其理化性質(zhì)指標(biāo)與鎘吸附性能間的相關(guān)關(guān)系開展的研究也較少。因此，本文綜合考慮不同清糞工藝(干清糞，水泡糞)，不同過篩方式(熱解前后過篩)和制備溫度(300～700 ℃)，通過SEM、XRD和FTIR對其進(jìn)行表征并比較理化性質(zhì)、鎘吸附性能差異。分析不同處理生物炭理化性質(zhì)與鎘吸附性能之間的關(guān)系，提出合適的生物炭制備方法，為豬糞的資源化利用以及土壤鎘污染治理提供參考。

1 材料與方法

1.1 試供原材料

本文中生物炭的原材料為豬糞和豬糞渣，均取自湖北省武漢市黃陂區(qū)王家河村天健農(nóng)業(yè)發(fā)展有限公司的群益豬場。豬糞采用干清糞工藝，由未經(jīng)過處理的新鮮豬糞，去除雜質(zhì)后風(fēng)干而成；豬糞渣采用水泡糞清糞工藝(在排糞溝中注入一定量的水，糞尿、沖洗和飼養(yǎng)管理用水一并排入縫隙地板下的糞溝中，儲存1～2周后，待糞溝裝滿后將溝中糞水排出，儲集在場外的集水池中，再經(jīng)水泵泵入固液分離機(jī)進(jìn)行固液分離)得到的脫水糞渣。豬糞為直徑1～10 cm質(zhì)地較松的塊狀物，豬糞渣為直徑小于1 cm的松軟顆粒物。

1.2 生物炭的制備

2種原材料：豬糞、豬糞渣，以下PM、PR標(biāo)記(分別是 Pig Manure、Pig manure Residue的簡稱)；粉碎過篩處理分為2種：燒制前磨碎過0.25 mm篩(以Before首字母B簡稱)，燒制后磨碎過0.25 mm篩(以After首字母A簡稱)；炭化溫度：300、400、500、600、700 ℃。生物炭處理共20種，如300 ℃ 熱解的前過篩處理的豬糞生物炭處理標(biāo)記為PMCB300(其中C表示生物炭)。其中PMCB、PRCB系列生物炭，在熱解前將原材料過篩后統(tǒng)一進(jìn)行了混勻處理。將原材料置于剛玉坩堝內(nèi)，壓實(shí)后包裹兩層錫箔紙并加蓋，置于馬弗爐(SX2-12-102)內(nèi)熱解炭化，各溫度處理下的保留時(shí)間均為4 h，之后冷卻至室溫。將未經(jīng)過粉碎過篩處理燒制而成的生物炭(PMCA、PRCA)過0.25 mm篩。制備好的生物炭裝入自封袋中標(biāo)記備用。

1.3 生物炭的理化性質(zhì)及表征

(1)生物炭理化性質(zhì)的測定：產(chǎn)率和灰分含量指標(biāo)參照《木炭和木炭實(shí)驗(yàn)方法》GB/T17664-1999； pH計(jì)(pHS-3G)測量pH值，炭水比1∶20；元素分析儀(Vario EL cube CHNO/S)測C、H、N、O元素含量；比表面積儀(ASAP2020)測定BET比表面積。

(2)表征：FTIR分析，采用傅立葉變換紅外光譜儀(NICOLET 5700)掃描測定，波數(shù)范圍400～4 000 cm-1，分辨率4 cm-1；XRD分析，采用X射線衍射儀(X'Pert Pro，荷蘭)測定，掃描角度10～80°；SEM分析，采用電鏡掃描儀(Quanta 200)進(jìn)行觀察分析，放大倍數(shù)1 000。

1.4 生物炭對鎘的吸附

配置質(zhì)量濃度為100 ppm的鎘溶液。稱取0.02 g不同處理生物炭樣品于50 mL離心管中，分別加入20 mL鎘溶液，在200 r/min、25 ℃恒溫條件下振蕩24 h，過濾后用原子吸收儀(安捷倫200 Series AA)測定濾液中的鎘濃度，每個(gè)處理平行重復(fù)3次。鎘的吸附性能用鎘吸附量Q(mg/g)表示：

式中：C0和Ct分別是溶液中重金屬的初始濃度和t時(shí)刻的濃度，mg/L；m為生物炭的質(zhì)量，g；V為鎘溶液的體積，L。

1.5 數(shù)據(jù)處理及分析方法

數(shù)據(jù)采用Origin 9.0軟件、Excel 2012進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。紅外光譜數(shù)據(jù)采用OMNIC處理和分析，XRD數(shù)據(jù)采用MDI Jade 6.0軟件進(jìn)行處理和分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同處理生物炭的表面特征

2.1.1 FTIR

由圖1，溫度對生物炭的表面官能團(tuán)的影響較大，而不同原材料及過篩方式對表面官能團(tuán)的影響較小。兩種原材料在波數(shù)為3 400 cm-1附近的-OH的振動峰較明顯，隨著熱解溫度的升高，生物炭在該處的振動峰逐漸減弱甚至消失，這是因?yàn)闊峤膺^程中纖維素、木質(zhì)素中的羥基逐漸斷裂，進(jìn)行了脫水反應(yīng)；除PMCB600、PMCB700外，生物炭在2 920和2 850 cm-1附近的脂肪烴或者環(huán)烷烴(-CH2、-CH3)的伸縮振動峰逐漸消失，有機(jī)質(zhì)逐漸分解，生物炭的芳香化程度增強(qiáng)；PM和PR兩種原材料在1 700 cm-1處有明顯的C=O振動峰，隨著熱解溫度的增加，吸收峰減弱，當(dāng)熱解溫度超過500 ℃時(shí)，吸收峰逐漸消失，可能是C=O鍵在熱解低溫(300、400 ℃)時(shí)逐漸斷裂，生成CO和CO2等氣體，酮類、醛類和酯類減少[10, 11]； 1 440 cm-1附近為波數(shù)在1 440 cm-1附近為COOH、CHO、酚羥基-OH的振動峰[12]，高溫生物炭(500 ℃及以上)該處的特征峰逐漸消失； 1 100～1 000 cm-1處主要為木質(zhì)纖維素的C-O的伸縮振動峰[10]，不同處理生物炭在該處均存在明顯的特征峰，該特征峰隨溫度變化基本穩(wěn)定；波數(shù)約為885～550 cm-1處的吸收峰為芳香族化合物C-H的變形振動峰[13]，隨溫度增加該振動峰逐漸出現(xiàn)，表明生物炭中的非極性脂肪族官能團(tuán)減少，而芳香結(jié)構(gòu)增加[11]；468 cm-1處為Si-O-Si的振動峰，表明生物炭存在石英成分，且豬糞渣生物炭在此處的振動峰較豬糞生物炭的明顯。

圖1 不同處理生物炭的FTIR光譜圖Fig.1 FTIR spectra of biochars with different treatments

2.1.2 XRD

通過對材料進(jìn)行衍射圖譜分析，可以推斷材料的結(jié)晶狀態(tài)以及礦物組成[14, 15]，由圖2：①不同來源的豬糞會影響生物炭的無機(jī)礦物組成，PM有更多尖銳的衍射峰，說明其晶體結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，主要是因?yàn)槲唇?jīng)水泡處理的新鮮豬糞含有更多的鹽分；②4種處理的生物炭中均有明顯的CaCO3(方解石)、SiO2(石英)等衍射峰，且隨著熱解溫度的升高，其衍射特征峰變多，張鵬等[16]研究表明，生物質(zhì)原材料在經(jīng)過熱解之后從不定型碳向結(jié)晶碳轉(zhuǎn)化，豬糞生物炭灰分含量較高，主要由CaCO3(方解石)、SiO2(石英)、(Ca,Mg)3(PO4)2(磷鈣礦)以及鉀鹽組成；Liu等[14]研究表明，300 ℃豬糞生物炭的主要礦物成分為CaCO3、SiO2，500 ℃的生物炭中還存在有MgSiO3，700 ℃的生物炭中有CaMg(CO3)2(白云石)和NaAlSi3O8(鈉長石)；③兩種原材料在衍射角度為18～26° 處均存在一個(gè)較寬的衍射峰，研究表明這是纖維素和半纖維素的特征衍射峰[13]，在熱解溫度為300 ℃時(shí)，這個(gè)峰的強(qiáng)度變?nèi)跎踔料Вf明熱解破壞了纖維素的晶體結(jié)構(gòu)；④PM比PR多出了衍射角度為33.4°、33.8°的特征峰，對比軟件Jade6.5中的PDF2004標(biāo)準(zhǔn)卡片，這兩處主要是Ca3AlO6(鋁酸鈣)和Ca2Fe2O5(鐵酸鈣)的特征峰，超過600 ℃ 時(shí)，豬糞生物炭中檢測出了CaFe4O7(鈣鐵氧化物)的衍射峰；⑤熱解前后過篩對豬糞生物炭的礦物組成有一定的影響，PMCB600、PMCB700檢測出了硅鈣石的衍射峰，而PRCB600、PRCB700檢測出了Ca5(SiO4)2SO4(硫酸硅酸鈣鹽)的衍射峰。

注：C:方解石; Q:石英; S:硅酸鈣;G:鈣沸石;Al:鋁酸鈣;Af:硅鈣石; Sr:鐵酸鈣; Ir:鈣鐵氧化物;Ss:硫酸硅酸鈣鹽; Ce:纖維素半纖維素。圖2 不同處理生物炭的XRD分析圖Fig.2 XRD analysis of biochars with different treatments

2.1.3 SEM

掃描電鏡(SEM)是常用的一種物質(zhì)結(jié)構(gòu)和形態(tài)特征的表征手段。本文分別選取PM、PR以及典型熱解溫度(400、700 ℃)下的生物炭的SEM圖，放大倍數(shù)均為1 000倍，如圖3所示。從圖3可以看出，PM、PR形態(tài)較為類似，主要呈現(xiàn)團(tuán)狀大顆粒堆疊形態(tài)。隨熱解溫度的升高，塊狀結(jié)構(gòu)逐漸分解，零星出現(xiàn)了中孔和微孔的結(jié)構(gòu)，400 ℃ 制備的生物炭還殘留著生物質(zhì)材料的骨架結(jié)構(gòu)，700 ℃ 時(shí)生物炭的表面粗糙程度逐漸增大，孔隙結(jié)構(gòu)更加明顯。王璐等[17]對熱解溫度為500 ℃的豬糞生物炭進(jìn)行電鏡掃描發(fā)現(xiàn)，其顆粒也多為團(tuán)狀結(jié)構(gòu)，微孔結(jié)構(gòu)不明顯；戴中民等[18]通過電鏡掃描同樣發(fā)現(xiàn)豬糞生物炭表面比較粗糙，并且附著了一些礦物顆粒，認(rèn)為這可能是豬糞生物炭具有高灰分的原因。

圖3 不同處理生物炭的電鏡掃描圖Fig.3 SEM scanning of biochars with different treatments

2.2 不同處理生物炭的理化性質(zhì)

2.2.1 元素組成

H/C、O/C和(N+O)/C反映生物炭的芳香性、親水性、極性大小，三者越高，分別表示芳香性越低，親水性、極性越強(qiáng)[19]。

溫度對生物炭元素組成的影響：隨著熱解溫度的升高，豬糞生物炭的C、H含量逐漸下降，N含量逐漸升高，O含量略有下降，這與Xiao等[20]研究結(jié)果一致，隨著蟹蝦殼生物炭制炭溫度的升高，其C、H含量下降；而豬糞渣生物炭的C含量無明顯變化趨勢，H、O含量逐漸下降，N含量逐漸升高，這是因?yàn)樵跓峤膺^程中，連在C上的基團(tuán)如羥基、羧基等斷裂[16]，生成了一些氣體如H2、CO2和CO等。通常來說，纖維素和木質(zhì)素中H/C比大約為1.5[21]，本文中兩種原材料PM和PR的H/C比分別為1.72和1.61，且隨著熱解溫度的升高，生物炭的H/C原子比逐漸降低，表明生物質(zhì)在熱解過程中，有機(jī)組分的形式發(fā)生改變[22]，生物炭的芳香性逐漸增強(qiáng)，有研究表明當(dāng)熱解溫度超過400 ℃時(shí)，生物炭的H/C原子比可能會小于等于0.5[23]，這與本文結(jié)果一致，當(dāng)熱解溫度超過400℃ 時(shí)，生物炭的H/C原子比急劇下降，生物炭的芳香化程度逐漸增強(qiáng)。500 ℃ 時(shí)，4種生物炭PMCB，PMCA，PRCB，PRCA的H/C原子分別降至0.17，0.43，0.34，0.21，700℃時(shí)逐漸趨于0，表明生物炭已經(jīng)高度炭化。O/C和(O+N)/C隨溫度變化無明顯規(guī)律，但相對于原材料，制備而成的生物炭的O/C比和(O+N)/C顯著降低，說明相較于原材料而言，生物炭的極性和親水性減弱，含氧官能團(tuán)的數(shù)量減少，這與很多人的研究結(jié)果一致[16, 24]。

原材料和過篩方式對生物炭元素組成的影響：豬糞生物炭的O/C比和(O+N)/C比均較豬糞渣生物炭的高，可能是由于豬糞生物炭所含礦物含量較多，而這些礦物可以在熱解過程中保護(hù)極性官能團(tuán)的損失[24]。在相同熱解溫度下，PMCA的H/C比PMCB的高，且除500℃外，PRCA的H/C也比PRCB高，說明熱解前過篩處理生物炭的芳香性較強(qiáng)，熱解更充分。

2.2.2 產(chǎn)率、灰分、pH值和比表面積

(1)產(chǎn)率和灰分。由圖5(a)、5(b)，隨熱解溫度的升高，生物炭的產(chǎn)率逐漸降低，且在300～400 ℃ 時(shí)降低幅度較大，平均降低幅度為19.9%，400 ℃ 以上，生物炭產(chǎn)率降低幅度較小，平均降低幅度為12.6%?；曳趾侩S熱解溫度的升高逐漸增加，而在700 ℃ 時(shí)略有下降或者變化幅度較小，平均灰分含量從300 ℃的35.6%，升高至700 ℃的58.4%。生物炭的產(chǎn)率主要取決于原材料中的灰分含量以及有機(jī)成分的熱分解性能[21]，在熱解溫度較低時(shí)(150～450 ℃)時(shí)，生物質(zhì)中的有機(jī)物質(zhì)(如纖維素和半纖維素)大量裂解產(chǎn)生CO2、CO、H2等氣體，生物炭的產(chǎn)率隨著熱解溫度的升高而迅速降低。隨著熱解溫度的繼續(xù)上升(超過500 ℃)，有機(jī)物質(zhì)已基本裂解完成，形成無機(jī)礦物質(zhì)，導(dǎo)致生物炭中的灰分含量增加，無機(jī)礦物占主要地位[25]。在400 ℃以上，相同熱解溫度下豬糞渣的產(chǎn)率均大于豬糞生物炭的產(chǎn)率，而豬糞生物炭的灰分含量大于豬糞渣生物炭的灰分含量。與豬糞相比，豬糞渣固相物質(zhì)含量更高，纖維質(zhì)更多，因此豬糞渣生物炭的產(chǎn)率略高于豬糞生物炭，而灰分含量正好相反。在熱解溫度為300 ℃ 時(shí)，熱解前過篩生物炭的產(chǎn)率高于后過篩生物炭的產(chǎn)率，300 ℃ 時(shí)纖維素和半纖維素大量裂解，熱解前過篩的生物炭的粒徑較小，受熱較充分，因此產(chǎn)率要小。在相同的熱解溫度下，前過篩(PMCB和PRCB)的灰分含量均高于后過篩生物炭(PMCA和PRCA)的灰分含量。

(2)pH值和BET比表面積。由圖5(c)，隨著熱解溫度升高，4種豬糞生物炭的pH值迅速上升，超過400 ℃增長幅度變小并趨于穩(wěn)定。pH的變化趨勢和灰分含量的隨溫度的變化趨勢大體一致。生物炭的堿性來源主要是表面官能團(tuán)和其中的礦物，隨著熱解溫度的增加，生物炭的pH值增大的原因可能是堿性鹽(如碳酸鹽等)含量增加以及生成某些堿性含氧官能團(tuán)所致[26]。由圖5(d)，隨著熱解溫度的升高，3種生物炭(PMCB、PMCA、PRCA)的BET比表面積逐漸增大，從300～700 ℃的變化范圍分別是2.40～70.34、3.19～17.67、4.09～182.54 m2/g，尤其是當(dāng)溫度超過400 ℃，生物炭的比表面積急劇增加。對于豬糞生物炭，熱解前過篩處理的比表面積大于熱解后過篩處理，可能是由于前過篩的生物炭的受熱更充分，有機(jī)物如纖維素、半纖維素及木質(zhì)素?zé)峤飧浞?，生成的氣體物質(zhì)析出形成更多的空隙[25]。

表1 不同處理生物炭的元素組成(C、N、H、O)Tab.1 The elemental composition(C,N,H,O) of biochars with different treatments

2.3 不同處理生物炭的鎘吸附性能

2.3.1 溫度對生物炭鎘吸附性能的影響

如圖4所示，PMCB的鎘吸附量隨溫度的升高逐漸增大，在700 ℃ 時(shí)達(dá)到最大值36.4 mg/g，而PMCA的鎘吸附量隨溫度無明顯規(guī)律，在500 ℃ 時(shí)達(dá)到最大值34.3 mg/g；PRCB、PRCA的鎘吸附量均在400 ℃時(shí)達(dá)到最大值，分別為19.6、23.5 mg/g，此后隨著熱解溫度的增加逐漸降低，700 ℃ 時(shí)略有上升。王璐等[17]研究結(jié)果表明，在炭水比為1∶200 g/mL，鎘的初始濃度為50 mg/L時(shí)，500 ℃ 豬糞生物炭的鎘吸附量為3.024 mg/g，顯著低于本文豬糞生物炭的鎘吸附量。

圖4 不同處理生物炭的鎘吸附量Fig.4 Cadmium adsorption capacity of biochars with different treatments 注：大寫字母前的小寫字母表示熱解溫度對鎘吸附量的顯著性分析，大寫表示熱解前后過篩的對鎘吸附量的顯著性分析，大寫字母之后的小寫字母表示不同原材料對鎘吸附量的顯著性分析，顯著性水平p≤0.05。

2.3.2 原材料對鎘吸附性能的影響

由顯著性分析可知，對于熱解前過篩的生物炭(PMCB、PRCB)，除300、400 ℃ 外，PMCB鎘吸附量顯著高于PRCB；對于熱解后過篩處理的生物炭(PMCA、PRCA)，除400 ℃外，PMCA的吸附量也均顯著高于PRCA。整體而言，在熱解溫度較高時(shí)(500～700 ℃)，豬糞生物炭的吸附量顯著高于豬糞渣生物炭。

2.3.3 前后過篩對鎘吸附性能的影響

過篩方式對于生物炭的鎘吸附量也有一定的影響，但無明顯規(guī)律，對于豬糞生物炭，在300、500、700 ℃ 時(shí)，PMCB和PMCA的吸附量存在顯著差異；對于豬糞渣生物炭，在300、400、700 ℃ 時(shí)，PRCB和PRCA的吸附量存在顯著差異。

圖5 不同處理生物炭的產(chǎn)率、灰分、pH值及BET比表面積Fig.5 Yield, ash content, pH and BET specific surface area of biochars with different treatments

2.4 生物炭理化性質(zhì)及鎘吸附量相關(guān)關(guān)系

2.4.1 生物炭理化性質(zhì)相關(guān)性分析

不同處理生物炭的理化性質(zhì)間的相關(guān)分析系數(shù)見表2、3。4種不同處理生物炭的產(chǎn)率均與灰分含量呈極顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.963～0.988，與H/C比值呈顯著的正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.913～0.984。4種生物炭的灰分含量均與pH值也有較強(qiáng)的正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)均超過0.8，且豬糞渣生物炭的灰分含量與pH值的相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.9。O/C、(O+N)/C之間存在極顯著的正相關(guān)關(guān)系，主要是因?yàn)樯锾恐蠳含量所占比例極小。PMCB和PMCA的理化性質(zhì)相關(guān)關(guān)系差異較大，其中PMCB和PMCA的產(chǎn)率、灰分含量、pH值、H/C、比表面積與O/C、(O+N)/C呈相反的相關(guān)關(guān)系，說明熱解前后過篩對兩者的O/C、(O+N)/C等理化性質(zhì)有較大影響；與PRCA相比，PRCB的產(chǎn)率、灰分含量、pH值、H/C、O/C、(O+N)/C彼此間的相關(guān)系數(shù)更接近于1，即PRCB的理化性質(zhì)間的關(guān)聯(lián)性要強(qiáng)于PRCA。

2.4.2 鎘吸附量與理化性質(zhì)相關(guān)分析

由表2、3可知，PMCB的鎘吸附量與灰分含量、O/C、(O+N)/C、BET比表面呈正相關(guān)關(guān)系，與H/C呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，其中相關(guān)系數(shù)最大的是H/C，其次是BET比表面積、灰分含量、O/C、(O+N)/C等。這在一定程度上解釋了鎘的吸附機(jī)理，H/C可以表征生物炭的芳香性，H/C值越低，說明其芳香化程度越高，李力等[27]通過對玉米生物炭吸附前后的FTIR譜圖分析，生物炭表面大量的含氧官能團(tuán)可以為絡(luò)合提供吸附點(diǎn)位，而高芳香化和雜環(huán)化結(jié)構(gòu)可以與鎘形成較穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)；林雪原等[28]也認(rèn)為生物炭本身也有較大的比表面積，可以通過表面吸附作用來吸附重金屬離子；戴靜等[29]研究表明生物炭的無機(jī)礦物組成對重金屬的吸附起至關(guān)重要的作用。而PMCA與理化性質(zhì)的相關(guān)系數(shù)均較小，可能是由于豬糞生物炭的初始粒徑較大，在熱解不均勻，導(dǎo)致其理化性質(zhì)不均一且差異較大，無很好的相關(guān)性。PRCB、PRCA的鎘吸附量均與理化性質(zhì)無顯著相關(guān)性，其中與PRCB鎘吸附量呈正相關(guān)關(guān)系的理化性質(zhì)指標(biāo)有產(chǎn)率、H/C、O/C、(O+N)/C，而與PRCA鎘吸附量呈正相關(guān)關(guān)系的理化性質(zhì)指標(biāo)有灰分含量、pH值、O/C、(O+N)/C等。

表2 豬糞生物炭理化性質(zhì)及鎘吸附量相關(guān)分析Tab.2 Correlation coefficient between physicochemical properties and cadmium adsorption capacity of pig manure biochars

表3 豬糞渣生物炭理化性質(zhì)及鎘吸附量相關(guān)分析Tab.3 Correlation coefficient between physicochemical properties and cadmium adsorption capacity of pig manure residue biochars

注： **表示極顯著，p<0.01；*表示顯著，p<0.05。

3 結(jié) 語

本文分析討論了不同熱解溫度、不同來源以及不同前處理方式豬糞、豬糞渣生物炭的理化性質(zhì)、表征及鎘吸附性能，得出如下結(jié)論。

(1)溫度為影響豬糞、豬糞渣生物炭的關(guān)鍵因子。隨熱解溫度(300～700 ℃)的升高，生物炭的產(chǎn)率減小，pH值和灰分含量增加；所有生物炭的H/C原子比隨著裂解溫度的增加而逐漸下降，表明生物炭的脂肪性減弱而芳香性增強(qiáng)，不同處理生物炭的H/C、(O+N)/C均比原材料的低，說明熱解使得生物炭的極性減弱。

(2)原材料為影響鎘吸附量的主要因子。熱解溫度較高時(shí)(500～700 ℃)，豬糞生物炭鎘吸附量顯著高于豬糞渣生物炭。豬糞渣生物炭最大吸附量為23.5 mg/g，豬糞生物炭最大吸附量為36.4 mg/g。過篩方式對于生物炭的鎘吸附量也有一定的影響，但無明顯規(guī)律。因此，為達(dá)到較高的鎘吸附能力，建議采用鮮豬糞風(fēng)干后為為原材料制備生物炭，制備溫度在500～700 ℃可產(chǎn)生較高吸附能力的生物炭。

(3)生物炭的理化性質(zhì)之間具有一定的相關(guān)性。4種不同處理生物炭的產(chǎn)率均與灰分含量呈極顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，與H/C比值呈顯著的正相關(guān)關(guān)系，灰分含量也與pH值也有較強(qiáng)的正相關(guān)關(guān)系，O/C、(O+N)/C之間存在極顯著的正相關(guān)關(guān)系。

(4)生物炭對鎘的吸附與理化性質(zhì)有一定的關(guān)系。影響PMCB的鎘吸附量關(guān)鍵因子是H/C，其次是BET比表面積、灰分含量、O/C、(O+N)/C等，PMCA、PRCB、PRCA與理化性質(zhì)的相關(guān)系數(shù)均較小。

□