作為可再生能源，有著較好的農(nóng)學(xué)和環(huán)境效應(yīng)，是環(huán)境學(xué)、農(nóng)學(xué)、能源學(xué)等多種學(xué)科的研究熱點(diǎn)。生物炭具有孔隙度高、比表面積大、多顯堿性等特點(diǎn)，其作用和重要性為：將生物炭施于土壤中，能夠增強(qiáng)土壤吸附能力，緩解土壤重金屬和有機(jī)污染；提高土壤有機(jī)碳和全氮含量；減少溫室氣體排放和減緩氣候變暖。因此，生物炭在改良土壤肥力、減緩氣候變化、緩解和修復(fù)環(huán)境污染以及保障糧食安全和能源安全等方面均具有重要意義。
玉米是東北黑土區(qū)最主要的糧食作物之一，每年產(chǎn)生大量的秸稈廢棄物，如果焚燒會(huì)帶來(lái)很多環(huán)境問(wèn)題。近些年，農(nóng)業(yè)秸稈的炭化技術(shù)有了很大地提高，國(guó)內(nèi)外產(chǎn)生了各種類(lèi)型炭化爐的很多專(zhuān)利。但是，這些技術(shù)只適合大規(guī)模制備生物炭，應(yīng)用到野外田間試驗(yàn)中，科學(xué)研究中如果需要少量特殊（如13C或15N標(biāo)記）生物炭，學(xué)者一般在實(shí)驗(yàn)室采用馬弗爐來(lái)制備。馬弗爐具有成本低、操作簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)。然而，由于不能?chē)?yán)格控制氧氣，馬弗爐制備生物炭的效果有時(shí)候并不穩(wěn)定，甚至?xí)l(fā)生試驗(yàn)材料被燒成灰而沒(méi)有成炭的現(xiàn)象。很多學(xué)者利用了馬弗爐制備的生物炭做了試驗(yàn)，但很少有描述制備過(guò)程中的細(xì)節(jié)和提出要注意的問(wèn)題。因此，總結(jié)一套馬弗爐制備生物炭的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)沒(méi)有經(jīng)驗(yàn)的學(xué)者具有很強(qiáng)的指導(dǎo)意義。
此外，很多研究表明，制備條件（如熱解溫度、時(shí)間等）對(duì)生物炭的性質(zhì)影響很大，這會(huì)極大地影響它們?cè)谵r(nóng)業(yè)和環(huán)境上的使用效果。因此，本研究將玉米秸稈放在馬弗爐中制備生物炭，旨在探索熱解溫度和時(shí)間對(duì)生物炭的碳和氮性質(zhì)的影響，并提出馬弗爐制備生物炭時(shí)需要注意的一些事項(xiàng)。
1 材3.1熱解溫度和時(shí)間對(duì)生物炭產(chǎn)率的影響生物炭產(chǎn)率是生物炭制備效率的關(guān)鍵參數(shù)。本研究采用玉米秸稈在馬弗爐中制備生物炭，熱解溫度為400~600℃，熱解時(shí)間為2~8h，生物炭產(chǎn)率為11.2%~32.1%。這與多數(shù)馬弗爐熱解研究中的生物炭產(chǎn)率相當(dāng)。例分別將玉米秸稈、小麥秸稈、青草、豬糞、蛋殼、污泥放在馬弗爐中熱解，溫度為350℃，穩(wěn)定時(shí)間為4h時(shí)，生物炭產(chǎn)率分別為36.3%，45.0%，22.3%，47.9%，55.7%，44.0%。將水稻秸稈放在馬弗爐中，熱解溫度為300~700℃，熱解時(shí)間設(shè)為3h時(shí)，生物炭產(chǎn)率為17.1%~38.2%。此外，本研究中，馬弗爐的生物炭產(chǎn)率與炭化爐的結(jié)果也相當(dāng)。這些研究中生物炭產(chǎn)率與本研究的差異可能是因?yàn)橹苽渖锾克玫纳镔|(zhì)材料不同導(dǎo)致的，不同生物質(zhì)中纖維素、半纖維素和木質(zhì)素含量不同，而這些化合物熱解后的產(chǎn)物差異很大，木質(zhì)素?zé)峤庵饕?/span>生成焦炭，纖維素?zé)峤庵饕蓳]發(fā)性成分，因此，纖維素較低、木質(zhì)素較高的生物質(zhì)能得到較高的生物炭產(chǎn)率。
對(duì)馬弗爐制備生物炭的建議在實(shí)驗(yàn)室利用馬弗爐來(lái)制備生物炭是一套簡(jiǎn)易制備的方法。但是，馬弗爐在制備時(shí)不能絕對(duì)隔絕空氣，所以在制備生物炭時(shí)，生物炭產(chǎn)率經(jīng)常會(huì)很低，生物質(zhì)材料甚至可能全部燒成了灰。起初嘗試將熱解后的生物炭迅速放到真空干燥器中，抽真空冷卻到室溫。但是，效果并沒(méi)有明顯改善，當(dāng)采用高溫?zé)频臅r(shí)候，依舊出現(xiàn)大量灰化物。原因是當(dāng)坩堝從高溫的馬弗爐中取出時(shí)已經(jīng)接觸到了冷空氣，所以抽真空這一過(guò)程就失去了意義。后來(lái)，為了隔絕氧氣，采用錫箔紙包裹坩堝后再放入馬弗爐中燒制，制備效果不錯(cuò)，生物炭產(chǎn)率能穩(wěn)定下來(lái)。但是當(dāng)熱解溫度達(dá)到700℃以上時(shí)，生物炭產(chǎn)率大大降低，經(jīng)常全部燒成了灰。
因此，本研究對(duì)馬弗爐制備生物炭的建議為：
（1）燒制生物炭時(shí)，使用錫箔紙包裹坩堝外壁，可以防止秸稈被燒成灰，使生物炭的產(chǎn)率保持穩(wěn)定，但是錫箔紙不可重復(fù)使用；
（2）熱解溫度不要超過(guò)700℃，當(dāng)超過(guò)700℃時(shí)，部分秸稈會(huì)被燒成灰，生物炭的產(chǎn)率很低；
（3）燒制結(jié)束后，關(guān)閉馬弗爐電源，待爐內(nèi)溫度降低后，再打開(kāi)爐門(mén)，這樣可以避免高溫生物炭與冷空氣的接觸。
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