摘 要

生物质炭(Biochar)是由生物有机物在缺氧或绝氧环境中经热解炭化产生的一类高度芳香化难熔性固态物质。近年来，越来越多的学者开始利用生物炭研究对不同形态氮素的吸附能力。通过研究明确生物炭对土壤中肥料氮素的吸附和保持，不仅可以改善土壤环境，而且对于提高环境质量有着重要意义。本研究以小麦为原材料制备生物炭，研究生物炭对不同形态氮素的吸附能力研究，以期为后期生物炭农用提供理论基础。主要结论如下:

（1）以小麦在不同温度条件下制备得到的生物炭，三种生物炭都具较高的C含量，芳香性随裂解温度升高而增加；生物炭的产率随着制备温度的升高而降低，比表面积随着制备温度的升高而升高；加热温度的升高，矿化作用增加，使得生物炭具有较高的灰分含量；各类生物炭均具有较高的pH值，并且pH随着裂解温度的升高而增大；通过电子扫描电镜观察到三种生物炭均为固相炭化，中空管道均呈蜂窝状结构。

（2）加入(NH₄)²SO₄和KNO₃的小麦生物炭对硝态氮吸附能力表现较为均衡，其中加入KNO₃的小麦生物炭整体的吸附能力都很强。

（3）小麦生物炭对氨态氮吸附能力按加入生物炭量的大小均呈现递减趋势。

关键词:生物炭；氮素；吸附

Studies on Adsorption of Biochar to Different Forms of Nitrogen

ABSTRACT

Biochar is a kind of highly aromatic by biological organic matter in the anaerobic environment by hypoxia or pyrolysis generated refractory solid material. In recent years, more and more scholars have begun to use biochar to study the adsorption ability of different forms of nitrogen. Through the research, it is clear that the adsorption and retention of nitrogen by biochar in soil can not only improve the soil environment, but also improve the quality of the environment. In this study, biochar was prepared from wheat as the raw material, and the adsorption ability of biochar to different forms of nitrogen was studied in order to provide the theoretical basis for the later biological carbon farming. The main conclusions are as follows:

(1) in wheat for biochar prepared under different temperature conditions, the carbon content of three kinds of biochar are higher, aromaticity increased with the pyrolysis temperature increased; biochar yield decreases with increasing preparation temperature, specific surface area and rise with increasing preparation temperature increased;With an increase in heating temperature , mineralization increased, making biochar with high ash content; all kinds of biochar has higher pH value, and pH with the increase of pyrolysis temperature increasing; through electron microscopy showed that three kinds of biochar are solid phase carbonization, hollow pipe showed a honeycomb structure.

(2) wheat biochar added to (NH₄)²SO₄ and KNO₃ showed a relatively stable adsorption capacity of nitrate nitrogen, in which the total adsorption capacity of wheat biochar added to KNO₃ was very strong.

(3) according to the amount of biochar adde, the adsorption capacity of wheat biochar to ammonia nitrogen showed a decreasing trend.

Keywords: biochar; nitrogen; adsorption

目 录

1 引言 1

1.1 生物炭的制备及其主要特征 1

1.1.1 生物炭的制备方法 1

1.1.2 生物炭的主要特征 2

1.2 生物炭吸附作用的理论依据 3

1.2.1 生物炭的孔隙结构 3

1.2.2 生物炭的极性 3

1.2.3 生物炭的表面官能团 4

1.2.4 生物炭的其它性质 4

1.3 生物炭在控制氮素流失中所起作用 4

1.4 国内外关于生物炭对氮素吸附的研究进展 6

1.5 本研究的意义 8

2 生物炭的制备及其性状表征 9

2.1 材料与方法 9

2.1.1 供试材料 9

2.1.2 生物炭的制备 9

2.1.3 生物炭主要性状表征 9

2.2 结果与讨论 10

2.2.1 生物炭的元素分析 10

2.2.2 生物炭的pH分析 10

2.2.3 生物炭的比表面积和表面结构分析 11

2.2.4 生物炭的产率分析 11

2.2.5 生物炭的灰分分析 12

2.2.6 生物炭的电子扫描电镜(SEM)分析 12

3 生物炭对不同形态氮素的吸附能力分析 14

3.1 材料与方法 14

3.1.1 供试材料 14

3.1.2 实验方法 14

3.2 结果与讨论 14

3.2.1 小麦生物炭对硝态氮的吸附影响 14

3.2.2 小麦生物炭对氨态氮吸附的影响 16

3.3 小结 16

4 主要研究结论与展望 17

4.1 主要研究结论 17

4.1.1  生物炭制备工艺研究 17

4.1.2 小麦生物炭对硝态氮和氨态氮的吸附影响 17

4.2 研究展望 17

致 谢 18

参考文献 19

1 引言

自上世纪末“生物炭”概念出现至今，不到20年的时间，相关研究已被大众关注并迅速升温。特别是近年来，在环境污染、气候异常、粮食危机等问题影响下，生物炭的应用潜力被进一步挖掘，相关领域的理论研究与技术开发也不断发展壮大，正在朝着理论更加深入、技术更加完善、目标多元化的方向大力发展。

生物炭多为颗粒细致、质地较轻的黑色蓬松状固态物质，主要组成元素为碳、氢、氧、氮等，含碳量多在 70% 以上。被学术界誉为“黑色黄金”的生物炭可作为高品质能源、土壤改良剂，也可作为还原剂、肥料缓释载体及二氧化碳封存剂等，已经广泛应用于改善土壤环境、提高粮食产量、消减环境风险、重金属吸附、水源净化和固碳减排等，可在一定程度上为气候变化、环境污染和土壤功能退化等问题提供解决方案。