趙偉寧， 楊 興， 何麗芝， 郭 佳， 王海龍,4,5

（1.浙江農(nóng)林大學 環(huán)境與資源學院，浙江 杭州311300；2.浙江農(nóng)林大學 浙江省土壤污染生物修復(fù)重點實驗室，浙江 杭州 311300；3.誠邦生態(tài)環(huán)境股份有限公司，浙江 杭州310008；4.佛山科學技術(shù)學院環(huán)境與化學工程學院，廣東 佛山528000；5.廣東省生物炭工程技術(shù)研究中心，廣東 佛山528000）

園林綠化因在凈化空氣、美化環(huán)境、緩解城市熱島效應(yīng)等方面作用明顯，被現(xiàn)代城市管理者和規(guī)劃者所重視。隨著中國城市化進程的快速發(fā)展，城市園林綠化面積大規(guī)模增加，產(chǎn)生了大量的園林廢棄物。園林廢棄物是指園林植物自然凋落或人工修剪所產(chǎn)生的植物殘體，主要包括樹葉、枝條、殘花和果實等［1］。園林廢棄物含鉀、鈉、鈣、鎂等元素，具有養(yǎng)分含量高，有害成分低，可利用性強等特點［2］。填埋、焚燒等傳統(tǒng)的園林廢棄物處置方法，不僅會造成營養(yǎng)元素的大量浪費，還會對環(huán)境造成二次污染。1萬株行道樹產(chǎn)生的園林垃圾達600 t·a－1，而北京、廣州、上海等地產(chǎn)生10萬t·a－1以上的園林廢棄物［3］。面對如此龐大的園林廢棄物產(chǎn)量，園林廢棄物資源化利用在未來將成為發(fā)展低碳城市和低碳經(jīng)濟的一種必然選擇。生物質(zhì)炭（biochar）是指生物質(zhì)在缺氧或者絕氧條件下熱解所產(chǎn)生的含碳豐富的固體物質(zhì)［4］，通常具有比表面積大，含碳量高，營養(yǎng)元素豐富，性質(zhì)穩(wěn)定等特點。近年來，因其在固碳減排、土壤改良和環(huán)境污染治理等領(lǐng)域中的潛在應(yīng)用價值而受到廣泛關(guān)注，生物質(zhì)熱解炭化技術(shù)為園林廢棄物的資源化利用提供了新的技術(shù)途徑。生物質(zhì)炭的性質(zhì)通常由生物質(zhì)原材料和熱解條件所決定，不同原材料和熱解條件下制備的生物質(zhì)炭結(jié)構(gòu)特性存在較大差異。如ALEXIS等［5］發(fā)現(xiàn)：生物質(zhì)炭中營養(yǎng)元素的組成含量和生物質(zhì)原材料中元素的含量呈線性相關(guān)。熱解溫度的增加會導(dǎo)致生物質(zhì)炭的產(chǎn)率降低，孔隙結(jié)構(gòu)更發(fā)達，比表面積增大，表面官能團數(shù)量減少，芳香度和疏水性增強等［6－7］。一些研究發(fā)現(xiàn)，生物質(zhì)炭并不都是溫度越高比表面積越大，如楊興等［8］研究發(fā)現(xiàn)：煙稈炭在500℃時比表面積達到最大值，當熱解溫度繼續(xù)升至600℃時比表面積開始降低。生物質(zhì)炭在pH值、孔隙結(jié)構(gòu)、表面官能團等理化特性上的差異可能會影響其在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生態(tài)修復(fù)方面的作用，如碳酸鈣（CaCO3）和焦磷酸鈣（Ca2P2O7）等礦物組分含量高的生物質(zhì)炭對溶液中重金屬吸附效果好，主要是因為溶液中重金屬離子與灰分中的可溶性鹽組分形成了沉淀［9］。李瑞月等［10］研究發(fā)現(xiàn)：小麥Triticum aestivum和水稻Oryza sativa秸稈炭對溶液中鉛離子（Pb2+）的吸附容量比玉米Zea mays秸稈炭高，這與玉米秸稈炭的碳酸鹽、磷酸鹽等灰分以及二氧化硅等無機礦物含量較高有關(guān)。因此，研究熱解溫度和原材料對生物質(zhì)炭特性的影響對生物質(zhì)炭的推廣應(yīng)用顯得尤為重要。生物質(zhì)炭制備原料來源廣泛，以農(nóng)業(yè)秸稈，動物尸體、糞便等作為熱解原材料的研究都有報道［11－13］，但以園林綠化廢棄物制備生物質(zhì)炭的相關(guān)報道較少，總體上仍處于起步階段［1］。因此，本研究以法國梧桐Platanus orientalis，桂花Osmanthus fragrans，紅葉石楠Photiniax fraseri和樟樹Cinnamomum camphora等4種中國南方城市典型園林植物廢棄生物質(zhì)為原材料，分別在350，500和650℃條件下熱解制備生物質(zhì)炭，對比分析生物質(zhì)炭的產(chǎn)率、元素組成、比表面積、孔隙結(jié)構(gòu)等理化性質(zhì)，旨在探討園林廢棄物生物質(zhì)原材料及熱解溫度對生物質(zhì)炭性能的影響，以期為園林廢棄物的資源化利用，以及園林廢棄物生物質(zhì)炭在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生態(tài)修復(fù)等領(lǐng)域的推廣應(yīng)用提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

本研究所用原材料為法國梧桐、桂花、紅葉石楠和樟樹，均為杭州市園林綠化修剪凋落物，采集時間為2015年11月。將植物凋落物分為枝條和葉片2個部分，置于烘箱中在65℃條件下烘干至恒量。取部分烘干材料粉碎，過40～60目篩備用。原材料工業(yè)分析和元素分析結(jié)果見表1。

表1 生物質(zhì)原材料的工業(yè)分析與元素分析（以質(zhì)量分數(shù)計）Table 1 Proximate and ultimate analyses of raw biomass materials.

1.2 生物質(zhì)炭的制備

分別稱取一定量烘干處理后的生物質(zhì)原材料于熱解爐中，使熱解爐內(nèi)保持在缺氧條件下。設(shè)置升溫速率為25℃·min－1，到達最終溫度（350，500和650℃）后停留2 h，使樣品充分熱解反應(yīng)。熱解完成后，生物質(zhì)炭自然冷卻至室溫后烘干稱量。共制得8種生物質(zhì)炭，分別為不同溫度熱解所得的法國梧桐葉片炭（fy），桂花葉片炭（gy），紅葉石楠葉片炭（hy），樟樹葉片炭（xy），法國梧桐枝條炭（fz），桂花枝條炭（gz），紅葉石楠枝條炭（hz）和樟樹枝條炭（xz）。將生物質(zhì)炭研磨分別過10和100目篩后備用。

1.3 生物質(zhì)炭的產(chǎn)率及理化性質(zhì)測定

生物質(zhì)炭產(chǎn)率按以下公式獲得：產(chǎn)率（%）=生物質(zhì)炭的質(zhì)量/生物質(zhì)原材料的烘干質(zhì)量×100%?；曳趾坎捎酶蔁y定，稱取1.000 0 g生物質(zhì)炭置于恒量坩堝中，放入馬弗爐中在750℃下灼燒6 h，冷卻至室溫后根據(jù)前后質(zhì)量計算生物質(zhì)炭的灰分質(zhì)量分數(shù)［14］。揮發(fā)分質(zhì)量分數(shù)采用國家標準GB/T 212－2001《煤的工業(yè)分析方法》中規(guī)定的方法，稱取1.000 0 g生物質(zhì)炭，置入恒量的瓷坩堝中，迅速放入預(yù)先升溫至（900±10）℃的馬弗爐中，7 min后從爐內(nèi)取出坩堝，放在空氣中冷卻約5 min，移入干燥器中冷卻約20 min后稱量。根據(jù)樣品灼燒前后質(zhì)量差計算生物質(zhì)炭的揮發(fā)分質(zhì)量分數(shù)［15］。采用元素分析儀（Vario ELIII，Elementar公司，德國）測定生物質(zhì)炭中碳、氫、氮和硫元素的質(zhì)量分數(shù)，計算得出氧元素質(zhì)量分數(shù)。采用傅里葉變換紅外光譜儀（IS-10系列，Nicolet公司，美國）測定生物質(zhì)炭的表面官能團。采用掃描電鏡（SU-8010，日立公司，日本）測定生物質(zhì)炭表面的孔隙結(jié)構(gòu)和形態(tài)特征。采用能譜儀（Aztec X-MaxN，牛津儀器公司，美國）測定生物質(zhì)炭表面某點位的元素組成。

1.4 數(shù)理統(tǒng)計分析

采用Excel 2007進行數(shù)據(jù)處理，運用SPSS 21.0軟件中的單因素方差分析（one way ANOVA）和最小顯著差法（LSD）進行顯著性（P＜0.05）統(tǒng)計檢測，利用Origin 8.5制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 生物質(zhì)炭的產(chǎn)率

熱解溫度對生物質(zhì)炭產(chǎn)率的影響如圖1所示。隨著熱解溫度的升高，生物質(zhì)炭的產(chǎn)率均呈下降趨勢，且在350～500℃下降幅度較大。其中，桂花葉片炭在350～500℃溫度段的下降幅度最大，高達37.78%。當熱解溫度為350℃時，法國梧桐葉片炭產(chǎn)率最高（57.28%），樟樹葉片炭次之（54.22%），法國梧桐枝條炭的產(chǎn)率最低（37.70%），桂花和紅葉石楠同部位之間炭產(chǎn)率無顯著差異（P＞0.05）。但溫度升高至500℃，紅葉石楠葉片炭和枝條炭的產(chǎn)率高于桂花同部位產(chǎn)率。熱解溫度繼續(xù)升高至650℃，法國梧桐葉片炭和樟樹葉片炭產(chǎn)率顯著高于（P＜0.05）其他生物質(zhì)炭，法國梧桐枝條炭的產(chǎn)率仍為最低（22.38%）。相同熱解溫度下，同種園林廢棄物葉片炭產(chǎn)率高于枝條炭。所有生物質(zhì)炭中，法國梧桐枝條炭產(chǎn)率最低，葉片炭產(chǎn)率最高。

圖1 熱解溫度對園林植物生物質(zhì)炭產(chǎn)率的影響Figure 1 Effect of pyrolysis temperature on yield of biochars derived from woody green wastes

2.2 生物質(zhì)炭的工業(yè)分析和元素分析

由表2可以看出：隨著熱解溫度的升高，生物質(zhì)炭的灰分逐漸增加。650℃制備的紅葉石楠葉片炭灰分質(zhì)量分數(shù)最高，顯著高于（P＜0.05）其他生物質(zhì)炭，約為350℃制備的桂花枝條炭的5.5倍。揮發(fā)分質(zhì)量分數(shù)逐步下降，其中，桂花葉片炭的揮發(fā)分從350℃的62.73%降至650℃的27.56%，變化幅度最大。固定碳逐漸增加，650℃制備的法國梧桐枝條炭固定碳質(zhì)量分數(shù)最高，為61.83%，較350℃增加了34.21%。350℃制備的葉片炭固定碳質(zhì)量分數(shù)顯著低于（P＜0.05）其他生物質(zhì)炭。相同熱解溫度下，同種園林廢棄物葉片炭的灰分、揮發(fā)分均高于枝條炭，固定碳質(zhì)量分數(shù)則低于枝條炭。

熱解后得到的生物質(zhì)炭的碳（C）質(zhì)量分數(shù)較原材料增加，氫（H）和氧（O）質(zhì)量分數(shù)降低（表1和表2），并且隨著熱解溫度的升高生物質(zhì)炭的碳質(zhì)量分數(shù)逐漸增加，氫和氧質(zhì)量分數(shù)逐漸降低，進而導(dǎo)致H/C和O/C降低。枝條炭H/C高于葉片炭，葉片炭O/C高于枝條炭。其中，法國梧桐枝條炭和紅葉石楠枝條炭H/C較低，法國梧桐葉片炭O/C最高。生物質(zhì)炭的碳質(zhì)量分數(shù)為61.09%～83.97%，其中桂花枝條炭的碳質(zhì)量分數(shù)較高。氮（N）元素隨著溫度的升高有降低趨勢，葉片炭在650℃時下降幅度大于枝條炭，樟樹葉片炭在各溫度段全氮質(zhì)量分數(shù)均為最高。但熱解溫度對硫元素的影響較小，桂花葉片炭在各溫度段全硫質(zhì)量分數(shù)均為最高。

2.3 生物質(zhì)炭紅外光譜分析

利用傅里葉紅外光譜儀（FTIR）分析生物質(zhì)炭表面官能團，結(jié)果如圖2所示。較低熱解溫度制備的生物質(zhì)炭表面形成了多種官能團。隨著熱解溫度的升高，官能團的種類和數(shù)量逐漸減少。當熱解溫度為350℃時，波數(shù)3 200～3 500 cm－1出現(xiàn)酚羥基或醇羥基的O—H伸縮振動峰［16］，波數(shù)2 920 cm－1和2 852 cm－1處出現(xiàn)烷烴中的C—H伸縮振動峰［17］，波數(shù)2 380 cm－1處出現(xiàn)芳香族C—H和C—O振動吸收峰［18］，波數(shù)1 596 cm－1和1 440 cm－1出現(xiàn)芳香族C—C骨架伸縮振動峰［19］， 波數(shù)1 317 cm－1處出現(xiàn)芳香族C—C伸縮振動峰［16］， 波數(shù) 885 cm－1處出現(xiàn)芳香族 C—H 伸縮振動峰［16］， 且在 1 030 cm－1和 797 cm－1波段有Si—O—Si振動吸收峰檢出［20－21］。 當熱解溫度升高至 500℃時， 芳香族 C—C（1 440 cm－1）骨架振動和芳香族 C—H（885 cm－1）振動峰明顯增強， Si—O—Si振動吸收峰（1 030 cm－1）無明顯變化，其他吸收峰的強度均明顯減弱。熱解溫度達到650℃，所有吸收峰強度均明顯減弱，其中C—C伸縮振動峰 （1 596 cm－1）受熱解溫度影響最明顯，但Si—O—Si振動吸收峰（1 030 cm－1）無明顯變化。

相同制備溫度下的生物質(zhì)炭表面官能團組成相似，但因原材料不同存在一定的差異。當熱解溫度為350℃時，樟樹枝條炭官能團最為豐富，波峰最強，且在1 596 cm－1處的芳香族C—C峰明顯強于其他生物質(zhì)炭，法國梧桐枝條炭表面存在脂肪類C—H和C—O官能團（2 380 cm－1）；熱解溫度上升到500℃，枝條炭均存在脂肪類C—H和C—O官能團（2 380 cm－1），紅葉石楠葉片炭在885 cm－1處的芳香族C—H伸縮振動峰強度明顯強于其他生物質(zhì)炭；熱解溫度達到650℃，僅紅葉石楠枝條炭表面在還存在微弱的C—H伸縮振動（2 920 cm－1和2 852 cm－1）。此外，不同溫度條件下制備的紅葉石楠葉片炭在1 440 cm－1處的芳香族C—C伸縮振動峰信號均為最強。

表2 生物質(zhì)炭的工業(yè)分析與元素分析（以質(zhì)量分數(shù)計）Table 2 Proximate and ultimate analyses of biochars derived from woody green wastes

2.4 生物質(zhì)炭孔隙結(jié)構(gòu)及表面能譜分析

對生物質(zhì)炭的孔隙進行分析，可以直觀地了解不同原材料制備的生物質(zhì)炭的結(jié)構(gòu)特征。選取在500℃條件下制備的生物質(zhì)炭進行電鏡掃描和比表面積測定，結(jié)果如圖3所示。法國梧桐葉片炭和枝條炭均保留了生物質(zhì)原有的骨架，樟樹和法國梧桐枝條炭橫截面呈蜂窩狀，表面均有明顯的管束結(jié)構(gòu)，且排列均勻。經(jīng)檢測，樟樹枝條炭和法國梧桐枝條炭的比表面積分別達49.05和38.25 m2·g－1，桂花枝條炭和法國梧桐葉片炭的比表面積也可達24.98和18.72 m2·g－1。紅葉石楠枝條炭、桂花葉片炭、紅葉石楠葉片炭和樟樹葉片炭表面粗糙，呈顆粒狀，孔隙結(jié)構(gòu)不明顯，其比表面積依次為7.58，7.64，10.24和6.50 m2·g－1。采用能量色散X射線分析不同生物質(zhì)炭表面的元素組成及質(zhì)量分數(shù)，結(jié)果如表3所示。葉片炭礦質(zhì)元素組成多于枝條炭，其中，樟樹葉片炭元素組成最豐富，并檢出有鋁和鐵等元素存在。紅葉石楠葉片炭的鉀、鈣、磷和鎂元素質(zhì)量分數(shù)分別為3.95%，7.09%，0.68%和0.84%，高于其他生物質(zhì)炭。法國梧桐葉片炭的硅質(zhì)量分數(shù)最高，為1.73%。與葉片炭相比，枝條炭的碳質(zhì)量分數(shù)較高，均在85.00%以上。其中，桂花枝條炭高達90.28%。

3 討論

生物質(zhì)熱裂解是一個極其復(fù)雜的熱化學過程，主要包括脫水、裂解和炭化3個反應(yīng)階段［20］。一般來說，原材料和熱解溫度不僅影響生物質(zhì)炭的產(chǎn)率，而且還與生物質(zhì)炭的元素組成和結(jié)構(gòu)特性等密切相關(guān)［22］。本研究顯示：原材料和熱解溫度直接決定了生物質(zhì)炭的特性，主要表現(xiàn)在生物質(zhì)炭的產(chǎn)率、元素組成、官能團種類和質(zhì)量分數(shù)、物理結(jié)構(gòu)等方面。

3.1 原材料及熱解溫度對生物質(zhì)炭產(chǎn)率的影響

本研究中，隨著熱解溫度從350℃升高到650℃，生物質(zhì)炭的產(chǎn)率均呈下降趨勢，且在350～500℃溫度段變化較明顯。高凱芳［15］研究亦發(fā)現(xiàn)：稻稈和稻殼生物質(zhì)炭的產(chǎn)率隨熱解溫度升高而降低，且在300～500℃溫度段生物炭質(zhì)量損失最大。這可能是由于熱解的生物質(zhì)原料主要由纖維素、半纖維素、木質(zhì)素等有機組分組成，半纖維素和纖維素在200～350℃條件下基本完全分解，而木質(zhì)素的分解溫度一般為 280～500℃［23］，因此，350～500℃溫度段生物質(zhì)炭產(chǎn)率大幅度下降。還有研究認為，低溫階段（300～400℃）生物質(zhì)原材料的纖維素等組分對生物質(zhì)炭的產(chǎn)率有明顯影響，熱解溫度超過400℃以后灰分對生物質(zhì)炭的產(chǎn)率的影響更大，而且原材料的灰分含量對生物質(zhì)炭產(chǎn)率的影響要大于木質(zhì)素含量的影響［25］。相同熱解溫度下，高灰分含量和高木質(zhì)素含量的生物質(zhì)原材料制備的生物質(zhì)炭產(chǎn)率較高［22,24－25］。

圖2 不同原材料和熱解溫度制備的生物質(zhì)炭的紅外圖譜Figure 2 FTIR spectra of biochars derived from derived from woody green wastes pyrolyzed at different temperatures

3.2 原材料及熱解溫度對生物質(zhì)炭表面特性的影響

通常利用紅外光譜確定生物質(zhì)炭表面各種官能團變化特征。熱解溫度從350℃上升到500℃的過程中，生物質(zhì)中纖維素和木質(zhì)素的羥基發(fā)生斷裂，脫水反應(yīng)逐漸完成，生物質(zhì)炭表面的酚羥基和醇羥基也隨之消失；纖維素等有機質(zhì)的分解造成烷基基團（烷烴中的C—H伸縮振動峰）逐漸消失，生物質(zhì)炭的芳香化程度增強［16－17,22］。隨著生物質(zhì)炭的脫氧反應(yīng)加劇，芳香族C—C和C—H伸縮振動峰在500℃時達到最強，此時的生物質(zhì)炭以芳香骨架為主，而且可能存在羥基、芳香醚等官能團［16,26］。Si—O—Si振動吸收峰是因為熱解過程中生物質(zhì)形成的灰分中含有硅酸鹽所致［20］，然而枝條炭在此處并沒有強烈信號，這可能與原材料組成有關(guān)。350℃熱解條件下，樟樹枝條炭表面官能團含量最多。其中，芳香族C—C（1 596 cm－1）， C—C 伸縮振動峰（1 317 cm－1）和 Si—O—Si振動吸收峰（797 cm－1）強度較大， 說明 350 ℃制備的樟樹枝條炭芳香化程度較強，存在羥基、芳香醚等官能團，有機碳組分和無機礦物二氧化硅相對較多［27］?？偟膩碚f，生物質(zhì)原材料對生物質(zhì)炭表面的官能團組成影響較大，但熱解溫度對樟樹葉片炭的影響不大。

3.3 原材料對生物質(zhì)炭物理結(jié)構(gòu)的影響

生物質(zhì)炭的多孔結(jié)構(gòu)一方面是由于生物質(zhì)本身存在海綿結(jié)構(gòu)［20］，另一方面是隨著溫度的升高，木質(zhì)素熱解時揮發(fā)分依次析出，大量揮發(fā)分的析出促使木質(zhì)素內(nèi)生成了許多氣泡與氣孔，這些氣泡由生長到破裂，形成了生物質(zhì)炭的孔隙結(jié)構(gòu)［28］。500℃制備的園林廢棄物炭均保留了生物質(zhì)的骨架結(jié)構(gòu)，與葉片炭相比，枝條炭具備更明顯的孔隙結(jié)構(gòu)，管束排列明顯。一些研究發(fā)現(xiàn)：由于熱解溫度升高，木質(zhì)素發(fā)生軟化熔融，堵塞氣孔，導(dǎo)致生物質(zhì)炭孔隙結(jié)構(gòu)變差［29］，這可能是葉片炭孔隙結(jié)構(gòu)較差的原因。譚洪等［30］研究發(fā)現(xiàn)：以蕓香Ruta graveolens木為材料在300℃下熱解制備的生物質(zhì)炭具有明顯的筋狀結(jié)構(gòu)，而同溫度下制備的稻殼炭表面則呈類似鱗狀，表明生物質(zhì)原材料對生物質(zhì)炭孔隙結(jié)構(gòu)有明顯影響。多孔結(jié)構(gòu)會使生物質(zhì)炭具有較大的比表面積和較強的吸附特性［31］，法國梧桐和樟樹枝條炭表面呈蜂窩狀，管束清晰，孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)達，比表面積較大，此特性使其作為吸附劑在水體和土壤污染物修復(fù)方面更有應(yīng)用前景［32］。

圖3 500℃制備的生物質(zhì)炭的掃描電鏡圖Figure 3 Scanning electron microscopic image of biochars pyrolyzed at 500℃

表3 500℃制備的生物質(zhì)炭表面某位點能量色散X射線分析所測定的元素組成與質(zhì)量分數(shù)Table 3 Elemental composition of certain site at surface of biochars pyrolyzed at 500℃determined by EDS

3.4 原材料及熱解溫度對生物質(zhì)炭化學成分及元素組成的影響

園林廢棄物主要由纖維素、木質(zhì)素和半纖維素和無機成分組成，生物質(zhì)各組分會在熱解過程中發(fā)生脫羥基、脫水等化學反應(yīng)，導(dǎo)致生物質(zhì)炭的碳含量增加，氫和氧含量降低，硅、鈣、鎂等無機物富集形成灰分［16,23］。本研究發(fā)現(xiàn)：由灰分質(zhì)量分數(shù)高的葉片制備的生物質(zhì)炭灰分質(zhì)量分數(shù)也高，說明生物質(zhì)炭灰分也受到原材料組成的影響。H/C，O/C和（O+N）/C分別代表了生物炭的芳香性、親水性和極性，其比值的改變說明生物質(zhì)炭的芳香性、親水性和極性受到影響［15］。高溫下H/C，（O+N）/C和O/C的降低說明生物質(zhì)炭的芳香性加劇，親水性和極性減弱，高溫熱解制備的生物質(zhì)炭更穩(wěn)定，適合作為添加劑施入土壤，用以減少溫室氣體排放，增加土壤的固碳容量。650℃制備的紅葉石楠枝條炭揮發(fā)分含量最低，且H/C最小穩(wěn)定性最強，而由于生物質(zhì)炭的揮發(fā)分含量與氧化氮累計排放量值間存在正相關(guān)關(guān)系［33］，高溫條件下生物質(zhì)炭的揮發(fā)分含量一般會減少，因此未來可通過控制生物質(zhì)炭的制備溫度達到抑制氧化氮等溫室氣體排放的作用。

植物生物質(zhì)熱解制備的生物質(zhì)炭，往往保留了植物生長所需的大部分營養(yǎng)元素［34］。元素分析結(jié)果表明，溫度對硫和氮等營養(yǎng)元素的影響較小，不同原材料制備的生物質(zhì)炭之間元素組成和質(zhì)量分數(shù)差異較大，原材料對生物質(zhì)炭的營養(yǎng)元素組成比熱解溫度影響更明顯。本研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)：灰分質(zhì)量分數(shù)高的葉片炭礦質(zhì)元素組成比枝條炭復(fù)雜，礦質(zhì)元素質(zhì)量分數(shù)較高。ALEXIS等［5］研究也發(fā)現(xiàn)：原材料灰分含量越高，其制備的生物質(zhì)炭營養(yǎng)元素含量越豐富。此外，生物質(zhì)炭施入土壤可以顯著提高土壤的總磷含量，增加土壤速效鉀含量等［35］。據(jù)土壤普查資料顯示，當前68%的農(nóng)田為中低產(chǎn)地，營養(yǎng)元素缺乏，如全部旱地和60%的水田缺磷，耕地中58%缺鉀，嚴重阻礙農(nóng)業(yè)經(jīng)濟發(fā)展［36］。500℃制備的紅葉石楠葉片炭的鉀、鈣、鎂和磷元素質(zhì)量百分比明顯高于其他生物質(zhì)炭，可將其作為土壤調(diào)理劑，用于補充植物生長必需的主要營養(yǎng)元素，既可以提高農(nóng)作物產(chǎn)量和品質(zhì)，又能夠降低農(nóng)民生產(chǎn)投入成本，具有較好的應(yīng)用前景。

4 結(jié)論

熱解溫度對生物質(zhì)炭理化性質(zhì)有決定性作用，隨著熱解溫度升高，生物質(zhì)炭的產(chǎn)率、揮發(fā)分、親水性和極性降低；灰分、固定碳質(zhì)量分數(shù)和芳香性增強；表面官能團逐漸減少。

原材料對生物質(zhì)炭的理化性質(zhì)也有極大影響。灰分質(zhì)量分數(shù)高的原材料制備的生物質(zhì)炭產(chǎn)率較高。相同熱解溫度下，同種園林廢棄物葉片炭的產(chǎn)率和灰分、揮發(fā)分、礦質(zhì)元素質(zhì)量分數(shù)均高于枝條炭，固定碳質(zhì)量分數(shù)則低于枝條炭。樟樹枝條炭和法國梧桐枝條炭孔隙結(jié)構(gòu)較發(fā)達，比表面積較大。

本研究結(jié)果表明：不同熱解溫度和園林廢棄物制備的生物質(zhì)炭在理化性質(zhì)上存在明顯差異，該研究可為典型園林廢棄物生物質(zhì)炭的制備工藝優(yōu)化提供數(shù)據(jù)參考。對于這種園林廢棄物制備的生物質(zhì)炭在土水環(huán)境修復(fù)、提高土壤肥力等方面的功能還需進一步研究，為其更科學、合理地應(yīng)用提供技術(shù)依據(jù)。