1. 研究目的与意义
我国农业废弃物产生量巨大,且随着作物和规模养殖数量的增加而继续提高秸秆总产生量约8.4亿吨/年,畜禽粪尿产生量约为39亿吨/年与此同时,月80%的农业废弃物没有得到充分利用,造成资源的大量浪费和环境的严重污染特别是对于含水量高的农业废弃物,处理利用更加困难以沼渣为例,它是厌氧发酵产沼气的残留物,截止到2013年,全国沼渣年产生量超过0.36亿吨[14]目前对于沼渣的利用主要是将其作为堆肥原料进行有机肥生产,或直接还田利用但是,对于以畜禽粪便为发酵原料产生的沼渣而言,其中含有大量的重金属抗生素病原菌等有害物质,直接农田利用可能造成环境风险而将其作为水热生物炭制备原料,不仅获取方便价格低廉,且可直接制备水热生物炭,消灭其中的有害物质,提高了产品生产效率和安全性此外,水热生物炭具有比原料更好的热稳定性,在水热过程中形成的炭球可以作为良好的吸附剂因为水热相对于热解来说,条件较为温和,因此能在此过程中保留较多含N含O官能团,其亲水性更强此外,从生命周期评价的角度分析,沼渣水热生物炭是耗能最小成本最低的一种生物炭将沼渣水热生物炭进行开发利用,不仅实现了物质循环,而且开辟了沼渣的高值化利用途径,直接指导生产实践,具有应用针对性
基于此,本研究以猪粪沼渣秸秆沼渣猪粪与秸秆混合发酵沼渣和紫菜加工下脚料等典型农业固体废弃物为主要研究对象,通过基本理化性质分析傅里叶变换红外光谱(FTIR)X-射线衍射(XRD)扫描式电子显微镜-X光微区分析(SEM-EDS)等探讨不同含水量条件下制备的水热生物炭的特性,对比其与热解生物炭特性的差异,旨在为农业废弃物水热生物炭制备提供参考,并为其后续利用提供参数支撑
2. 国内外研究现状分析
近年来,国内外对水热生物炭的研究逐渐增多,采用的原料包括青贮玉米畜禽粪便干稻草柳枝松木屑和杉树枝等农林废弃物物Mumme,王家樑等认为水热条件对炭化的进程和产物性质产生重要影响,其中温度pH催化剂等都是对水热炭化进程有较大影响的参数周志伟等通过在制备过程中使用添加剂,从而使水热产生的微球带有更多功能基团,提高了其对重金属离子的吸附性此外,藻类也是水热生物炭制备的良好原料曾淦宁等利用铜藻制备水热炭与热解炭并对其进行表征,发现水热炭的灰分含量更低碳回收率和得率更高,并认为铜藻基水热炭在资源化利用方面具有广阔的应用前景Xu等[7]通过对铜藻基制备的生物炭的化学和物理性质的表征,阐明他有作为宝贵资源的潜力将铜藻基用柠檬酸在180-210℃下进过水热碳化制备成水热生物炭结果表明:水热炭中碳含量提高36.8-50.5%以及含有更高的热值(19.0-25.1 MJ/kg)具有极低的灰分和较好的收益但多数研究主要集中在反应温度和时间对水热炭化的影响,忽略了原料种类对水热生物炭特性的重要作用基于此,孙克静等以不同类型的农业固体废弃物(小麦秸秆玉米秸秆和木屑)为制备原料,比较其在相同水热法制备条件下(200 ℃,20 h)所生成的生物炭的特性差异结果表明:以木屑为原料制备的水热生物炭产率最高(54.66%),其C 含量(52.59%)高于小麦和玉米秸秆水热生物炭(分别为 43.73%和 43.93%),但 O 含量(41.56%)明显低于二者(分别为49.94%和 50.95%)木屑水热生物炭表面光滑,孔状结构较多且排列整齐,小麦水热生物炭表面粗糙孔隙较少,而玉米水热生物炭孔隙结构不明显;经水热炭化后原料的官能团种类无明显变化,但小麦和玉米秸秆水热生物炭有机官能团含量相对增加,无机矿物含量略有减少;木屑水热生物炭有机官能团和无机矿物的含量均明显增加小麦秸秆水热生物炭总多环芳烃含量最高,而玉米秸秆水热生物炭最低,多环芳烃以菲和萘为主
国外在水热炭化方面的研究比较全面,从制备方法特性及表征应用等方面都有相关的报道在利用沼渣制备水热生物炭方面,Gao及其团队开展的工作较早,他们发现:利用沼渣制备的生物炭表面会形成纳米金属氧化物,从而大大提高了其对重金属的吸附性能(Inyang等,2010;Zhang等,2013a,b;Zhou等,2014)Mumme等研究发现添加水热生物炭可以提高鸡粪牛粪和藻类及其混合物的产气潜力和甲烷含量水热生物炭添加后对厌氧消化系统的影响主要是由其自身较高的DOC造成的,研究认为,DOC可促进发酵体系中微生物的活性,从而调控厌氧发酵体系物质传递与转化微生物代谢与协同作用等过程
3. 研究的基本内容与计划
研究内容：
（1）选取几种典型农业废弃物为原料，采用水热法制备生物炭，改变温度、反应时间和催化剂等制备条件，优化制备条件。
（2）对制备的水热生物炭样品进行详细表征，主要包括含水率、ph、电导率、toc、热重、ftir、sem、xps等。
4. 研究创新点
（1）利用农业废弃物制备生物炭，实现农林废弃物的综合利用。
（2）选取几种典型的农业废弃物，采用水热法制备生物炭，对所得材料进行了较系统的表征，并与热解法生物炭进行了对比。
