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摘 要

生物炭是生物有机材料（生物质）在缺氧或绝氧的环境中，经过高温裂解后生成的固态产物，它在治理环境污染和土壤功能退化等方面有十分广泛的应用。本实验以玉米秸秆沼渣为原料，采用硝酸铜溶液浸渍并灼烧的方法，制备了负载铜生物炭材料，利用SEM、BET、红外光谱等技术对材料的结构进行了表征。结果表明，在硝酸铜溶液浓度为6%~8%时，产品的比表面积较大；在灼烧温度达到800℃时，产品的比表面积达到最大为276.65m²/g。

关键词：生物炭；负载铜；沼渣

Abstract：Biochar is a solid product produced by high temperature pyrolysis of bio organic materials (biomass) in anoxic or anaerobic environment. It is widely used in environmental pollution and soil degradation. In this experiment, the corn straw residue was used as the raw material. Copper loaded biochar materials were prepared by impregnating copper nitrate solution and burning. Then, the structure of the material was characterized by SEM, BET, IR and so on. The results showed that when the concentration of copper nitrate solution was 6%~8%, the specific surface area of the product was larger. And in the experiment, the specific surface area of the product reaches the maximum of 276.6544m²/g when the ignition temperature reaches 800 degrees centigrade.

Keywords：Biochar; Load copper; Biogas residue

目 录

1 绪论 4

1.1 生物炭的介绍 4

1.2 生物炭的应用 4

1.3 生物炭的改性 5

2 实验内容 5

2.1 试剂与原料 5

2.2 实验步骤 5

2.2.1 原料预处理 5

2.2.2 制备方法一 6

2.2.3 制备方法二 6

3 负载铜生物炭的表征 6

3.1 红外吸收光谱分析 7

3.2 比表面积分析 10

3.3 扫描电镜分析 11

结 论 13

参考文献 14

致 谢 15

1 绪论

1.1 生物炭的介绍

近年来，对于生物质制备生物炭的研究越来越广泛，它是在低氧或者缺氧环境下，通过高温裂解将草、木材、秸秆或其它农作物废物碳化得到的。它的理论基础就是，不论是植物还是动物的生物质，在没有氧气的情况下燃烧，都可以形成木炭。这种由植物形成的，以固定碳元素为目的的木炭被科学家们称为“生物炭”。基于此我们对于生物炭的研究方向就十分的广泛，不同的植物在不同的条件下得到的生物炭都具有研究的价值。

随着农业生产的发展，粮食产量大幅提高，产出的秸秆总数量也随之增多，加之省柴节煤技术的推广，使得农村中将会剩余大量的秸秆。而这些秸秆都可以被当做生物质原料来使用。我国很多大城市明令禁止燃烧秸秆，原因就是因为燃烧秸秆所生成的气体对大气有极大地危害。

生物质能源作为可再生能源，消耗总量仅次于煤炭、石油和天然气，是目前世界能源的一种。各种生物质制备生物炭的研究在不断进行中，这样不仅能够充分利用农作物的废料，减少环境污染，而且还能在一定程度上满足社会对于生物炭需求量的增加。

秸秆沼气发酵后，剩余大量的副产物沼渣—是农业生产当中优质的有机肥料。其中含有较多的腐殖酸，这对土壤具有良好的改良作用。沼渣含有的养分比较全，含丰富的有机质，但是生物质原料来源的复杂性，导致沼渣中重金属、碳、氮、磷等含量高，使得后处理技术难度大，也更复杂^[1]。如果把废料沼渣直接排放或者用作植物生长原料，沼渣里的重金属会通过食物链进入人体，这将给人们的健康带来威胁^[2]。

1.2 生物炭的应用

生物炭具有较大的孔隙度，比表面积，还有较高的电荷密度和大量的表面负电荷，能有效的吸附铜、铅、钴、锑、汞、镉等重金属离子，对有机化合物也有着较好的吸附作用，这对于污水的处理有很广泛的应用^[3]。

除了净化污水，在治理土地上，生物炭也有十分优秀的效果。它可以当做石灰来使用，并且比石灰效果更好。通过提高土壤碱基饱和来降低土壤酸性，而酸性土壤的pH值也可以通过生物炭对其进行调节，进而改良酸性土壤的养分状况。

生物炭还是一种可再生碳源，它的燃烧性能好，热值高，清洁，无污染，因而具有极大的开发潜力。它可以做为燃料炭应用在燃料电池中，通过电池将化学能转化为电能，还能延长电池的使用寿命。除此以外，生物炭制备过程中获得的混合气和生物油以蒸汽催化的方式进行重新整合收集后可得氢气副产品，这种副产物可以作为一种新原料和能源被用于合成氨等其它方面与领域^[4]。

1.3 生物炭的改性

综上可知，生物炭是一种具有微观结构、含碳丰富的材料，在未来环境领域和农业领域有很大的潜力。但是，由于生物炭原料来源有较大差异，表面基团化学性质差异大，因此需要对生物炭某些特性进行化学性质的改变，以提高特定的某种应用性能^[5]。

常用的化学改性方法有：（1）金属氧化物浸渍改性；（2）酸碱改性，利用盐酸、硝酸、次氯酸；氢氧化钾、氢氧化钠等改变生物炭表面的官能团；（3）氧化还原改性，利用氧化剂或者还原剂改变生物炭表面的官能团含量。基于以上原理，本实验主要研究制备负载铜生物炭，并对其进行表面修饰，测出其性质，希望将来可以将其用在重金属吸附和污水处理上。

2 实验内容

2.1 试剂与原料

沼渣是沼气池厌氧发酵的残留附属产物，其中有机物有36%~49.4%，腐殖酸有10.1%~24.6%，全氮有0.8%~1.5%，全磷有0.39%~0.71%，全钾有0.61%~1.3%，是一种优质的有机肥料。实验中我们用玉米秸秆沼渣来制备负载铜生物炭，在经过炭化和活化过程后，玉米秸秆沼渣将会失去一大部分碳水化合物，最后形成微孔状结构以用来制备生物炭。

表1 实验试剂

名称	规格	生产厂家
氢氧化钾	分析纯	国药集团化学试剂有限公司
盐酸	分析纯	国药集团化学试剂有限公司
硝酸铜	分析纯	国药集团化学试剂有限公司

2.2 实验步骤

2.2.1 原料预处理

实验采用了两种不同的步骤来制备负载铜生物炭，一种是先用硝酸铜溶液浸渍后灼烧，另一种是先灼烧后浸渍，并且进行二次灼烧，但对于原料的预处理步骤是相同的。首先将做为初始原料的玉米秸秆沼渣用粉碎机轻微打碎，用0.5 mol.L^-1的氢氧化钾溶液浸渍12小时，固液比为1:8，期间不停搅拌使其活化。之后使用去离子水过滤洗涤固体秸秆沼渣10次以上，直至秸秆碎屑呈中性。洗涤结束后把固体放入烘箱干燥，之后再次用粉碎机粉碎，将其打碎成粉末。将经过上述处理好的秸秆粉末做为处理好的原料保存，待下面使用。

2.2.2 制备方法一

取处理好的原料粉末分别放入4个50 mL的小烧杯中，每个烧杯中2 g粉末。再将浓度为4%、6%、8%、10%的硝酸铜溶液分别倒入不同的烧杯中，每份样品中加20 mL。做上标记放在超声波震动仪中震荡浸渍200 min；结束后经过抽虑将固体放入105℃的烘箱中干燥2 h。待固体干燥好后，取4个带盖的小坩埚，把干燥好的原料分别放入其中，最后把坩埚放在通入氮气的管式炉中灼烧，温度设为600℃，恒温两个小时。灼烧完毕后冷却至室温取出生物炭，用研钵研成粉末状，装袋以备检测使用。贴上标签分别命名为BC16-4%、BC16-6%、BC16-8%、BC16-10%。

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