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科技创新

碳化机使垃圾变成“黑金”生物炭

生活、生产活动中绝大部分废弃物是生物有机材料,即生物质,含有丰富的有机质和养分,具有可再生性。将生物质置于缺氧或绝氧环境中,在相对较低的高温下(<700℃)热裂解后生成的固态产物就是生物炭,也被科学家冠以“黑色黄金”的美誉。生物炭以高度富碳为标志,主要含有CHOSN等元素及灰分物质,此外还保留了原料中的CaMgKSiFeMnCuZn等元素,元素组成受原材料和热解温度影响。生物炭呈碱性,表面含较多羧基、羰基、酚羟基、内酯基等含氧官能团;表面电荷密度高,阳离子交换量高(CEC);生物惰性和化学稳定性强,不易降解;具有多孔结构,孔隙可按大小分为大孔隙(>50 nm)、小孔隙(<0.9nm)和微孔隙(<2nm)。

生物炭的孔隙结构、大比表面积和高表面电荷密度决定了其具有良好的吸附能力,尤其对阳离子吸附能力强,其吸附机理主要包括表面吸附机制、分配作用机制、联合作用机制以及其他微观机制,其中最主要的是表面吸附机制,指通过化学键结合(如生物炭表面MgO晶体吸附磷酸根生成磷酸铁,沉淀于生物炭表面和孔隙内,不可逆吸附)或静电吸引结合(表面负电荷高,具有较高的阳离子交换量和吸附容量)进行吸附。另外,生物炭的小孔隙结构(<0.9nm)能够降低土壤养分的渗漏速度,延缓水溶性离子的溶解迁移时间,加强对移动性强、易淋溶流失养分的吸附,在离子吸附过程中起主导作用。

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