原始生物炭在去除合成水和受矿山污染水中锰方面的性能

《Biomass and Bioenergy》：Performance of pristine biochars in manganese removal from synthetic and mine-impacted waters

古柯叶渣生物炭通过优化热解条件（温度443°C，氮气流量40 mL/min，升温速率10°C/min）制备，有效提升干旱土壤稳定性、固碳能力及养分保持。中温生物炭（O/C=0.1，H/C=0.4，比表面积0.89 g2/m2）兼具高碳稳定性（MRT 1151年）与适宜孔隙结构（孔径9.48 nm），且生产能耗最低，同时低温高产生物炭对酸性土壤适用性显著。

　　

哈维斯·萨卡（Harvis Saka）|艾米莉·皮尔齐纳（Emilie Pierzina）|格雷戈里·奥格登（Gregory Ogden）|阿曼多·杜拉佐（Armando Durazo）|金伯利·奥格登（Kimberly Ogden）

美国亚利桑那大学，图森，亚利桑那州

摘要

本研究优化了用瓜叶菜甘蔗渣制成的生物炭，以改善干旱农田土壤的性能，重点关注其稳定性、碳封存能力和土壤健康状况。研究发现温度是主要影响因素：较高的热解温度提高了生物炭的稳定性，但降低了其阳离子交换容量（CEC）。通过缓慢热解过程制备了三种优化后的生物炭：一种高温富碳生物炭（产率34%），一种中温生物炭（旨在平衡碳保留和结构发展，产率34%），以及一种低温高产生物炭（产率47%）。这些生物炭通过扫描电子显微镜（SEM）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、热重分析及导数热重法（TGA–DTG）和布鲁纳-埃梅特-特勒（BET）比表面积分析进行了表征。在三种生物炭中，中温生物炭因其适宜的氧碳比（O/C = 0.1）、氢碳比（H/C = 0.4）、比表面积（0.89 ± 0.09 m2/g）、孔隙体积（0.0017 cm3/g）和合适的碳氮比（C/N = 10）而被选为最佳材料。此外，生产这种生物炭所需的能量显著较低。最佳热解条件为氮气流速40 mL/min、温度443°C、保温时间45分钟以及加热速率10°C/min，由此得到的生物炭碳含量为64–70%，固定碳含量为59±1%，平均停留时间（MRT）为1151年，表现出较高的抗降解性。低温高产生物炭也适用于酸性土壤，尽管其CEC较低且质地较差，但这扩展了其在多种农业生态系统中的应用范围。

引言

包括美国西南部在内的干旱和半干旱地区面临着土壤退化、水资源有限以及农业生产力下降等日益严重的挑战[[1], [2], [3]]。这些地区的钙质土壤通常有机质含量低，养分保持能力差[4]。由于蒸发蒸腾作用加剧和极端温度的影响，可持续的土地管理变得至关重要[5]。土壤退化的一个后果是有机碳的不稳定性增加，这降低了土壤的肥力、微生物活性以及保水保肥能力。干旱地区占地球表面的14%以上，并且由于气候变化和人为压力而持续扩张，威胁着生态系统服务和碳封存潜力[6]。因此，保持土壤有机碳的稳定性对于减缓土地退化和实现碳中和至关重要[7,8]。

有机改良剂是改善土壤健康状况的公认策略[7]。为了确保生态效益，本研究采用了适合干旱地区条件的本地来源改良剂[2,8]。传统改良剂（如堆肥、粪肥和某些化肥）可能含有有害成分[9]，并且在干旱条件下分解迅速，效果短暂[3,10]。相比之下，富含碳且化学性质稳定的材料（如生物炭），尤其是在与化肥联合使用时，能够长期改善土壤性质并实现碳储存[[11], [12], [13]]。生物炭因其能够长期稳定碳而受到重视，这种效果可持续数十年甚至数百年[[14], [15], [16]]。

生物炭的属性（比表面积、孔结构、孔隙体积、阳离子交换容量（CEC）、持水能力和对微生物群落的影响）取决于工艺参数（如温度变化、氮气流速、保温时间和峰值热解温度）以及原料类型[[16], [17], [18]]。瓜叶菜甘蔗渣是一种新的生物炭原料[19,20]。瓜叶菜（Parthenium argentatum）是一种原产于北美洲干旱地区的多年生灌木，因其含有可加工成一次性手套或轮胎的天然橡胶而受到关注。该植物还含有树脂和大量甘蔗渣（约占植物生物量的80–85%），这些成分适合进行热化学转化[21]。利用这些废弃物有助于提升瓜叶菜产品的经济价值，使其在低过敏性橡胶替代品和生物基化学品（萜烯、驱虫剂、粘合剂、生物聚合物、催化剂和吸附剂）等领域的应用更加可行，从而强化了天然原料在可持续材料中的作用[22]。

为了充分发挥瓜叶菜的潜力，需要优化热解参数，以最大化碳保留量和生物炭的稳定性，并根据目标土壤调整其性质。先前的研究表明，温度、氮气流速和原料特性对生物炭质量有显著影响[[23], [24], [25], [26]]，但目前关于瓜叶菜生物炭在干旱土壤中的长期稳定性和碳封存能力的研究还较为有限。

因此，本研究旨在利用Design-Expert（版本13.0）通过优化方法制备出稳定的瓜叶菜甘蔗渣生物炭。我们对其物理化学性质进行了表征，重点关注固定碳含量、氢碳比（H/C）和氧碳比（O/C）比、芳香性以及平均停留时间（MRT）等指标，以期为土壤改良和气候适应提供依据。在此基础上，本研究进一步注重平衡长期碳稳定性和碳封存能力，同时提高养分保持能力，从而在受控温室条件下改善干旱地区土壤的栽培效果。

研究部分摘录

瓜叶菜（植物类型 - AZ2品种）

Parthenium argentatum的AZ2杂交品种在亚利桑那州培育，具有较高的生物量产量、强健的幼苗活力和适应干旱环境的能力[27,28]。这种植物对养分、农药和灌溉的需求较低，在典型条件下每年可产出22,000公斤/公顷[21]。本研究中使用的AZ2品种在亚利桑那州埃洛伊（Eloy）种植，两年后收获。收获后的植物在田间晾干并打包后送往现有的中试生产设施进行处理。

优化研究

为了探讨加热速率（℃/min）和氮气流速（mL/min）这两个操作参数与生物炭产量（重量百分比）和阳离子交换容量（cmol/kg）之间的关系，进行了初步研究。实验旨在最大化生物炭产量和阳离子交换容量，同时尽量减少合成气（重量百分比）和生物油（重量百分比）的产生。初步研究表明，最佳的热解条件为加热速率5°C/min和氮气流速40 mL/min。

结论

本研究将瓜叶菜甘蔗渣作为粘壤土改良剂用于温室实验，通过生物炭的稳定封存作用来固定碳。优化研究选出了三种类型的生物炭：高温生物炭、中温生物炭和低温生物炭。进一步分析表明，高温生物炭的抗降解性最强，其次是中温生物炭。

CRediT作者贡献声明

哈维斯·萨卡（Harvis Saka）：撰写、审稿与编辑、可视化处理、软件应用、方法设计、数据分析、概念构思。 艾米莉·皮尔齐纳（Emilie Pierzina）：可视化处理、软件应用、数据收集与分析。 格雷戈里·奥格登（Gregory Ogden）：撰写、审稿与编辑、数据收集与分析。 阿曼多·杜拉佐（Armando Durazo）：撰写、审稿与编辑、数据收集与分析。 金伯利·奥格登（Kimberly Ogden）：撰写、审稿与编辑、初稿撰写、项目管理、方法设计、数据收集与分析、资金申请。

手稿制备过程中生成式AI和AI辅助技术的使用声明

在撰写过程中，作者使用了copilot工具来纠正语法和标点错误。使用该工具后，作者对内容进行了必要的审查和编辑，并对发表文章的内容负全责。

资金支持

本研究得到了美国农业部自然资源保护局（U.S. Department of Agriculture, Natural Resources Conservation Service）的资助，项目编号为NR233A750004G013。

利益冲突声明

作者声明没有利益冲突。

致谢

作者感谢美国农业部（U.S. Department of Agriculture）和Bridgestone Americas的支持。