【曹心德教授课题组】生物质与磷肥共热解制备生物炭强化固碳和重金属修复效应 2018-01-23

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2016年4月，曹心德教授课题组的研究成果“生物质与磷肥共热解制备生物炭强化固碳和重金属修复效应”发表于环境领域重要期刊“Acs sustainable chemistry & engineering”（IF=5.951）。论文题目“Co-Pyrolysis of Biomass with Phosphate Fertilizers to Improve Biochar Carbon Retention, Slow Nutrient Release, and Stabilize Heavy Metals in Soil”。

研究采用两种常规含磷肥料，磷酸二氢钙与废弃骨渣（Triple superphosphate和bone meal）与生物质废弃物（木屑、秸秆）混匀，于500^oC限氧环境共热解，发现这些含磷材料可以有效提高热解过程中碳元素在生物炭产物中的保留率。所生成的含磷生物炭复合物具有慢速磷素释放能力。同时，由于磷元素的存在，使得这些生物炭产物施入重金属土壤后，可以显著提高重金属稳定化效果。研究结果显示，磷酸二氢钙和骨渣分别能够将热解过程中的碳保留从53.5–55.0%提高到68.4–74.7%和58.5–59.2%。磷素释放动力学实验测得这些复合生物炭的磷（P）释放动力学常数（k₂）为 0.0012−0.0024和0.89−0.91，而原始的磷肥磷释放动力学常数远高于此数值，磷酸二氢钙为0.012，骨渣为1.79。采用重金属（Pb、Cu和Cd）污染土壤测试复合生物炭的修复重金属能力，结果发现相比于未经处理的常规生物炭，磷复合生物炭能够分别将Pb、Cu和Cd的稳定率提高4倍、2倍和1倍。机理研究表明，热解过程中，磷肥中的Ca(H₂PO₄)₂ 转化为Ca₂P₂O₇，并与生物质中的元素C发生反应，可能生成类似于C–O–PO₃ 或C–P结构的物质, 由此强化了碳元素在固相中的保留，以及减缓了磷元素的释放。缓慢释放的PO₄^3-能够在污染土壤中与重金属结合形成沉淀物，尤其对于Pb更为有效。本研究采用了一种操作简单、成本低廉的措施，达到了提高生物炭产物的多重环境效益的效果。

 

 Figure 1. Effect of two phosphate fertilizers on carbon retention after co-pyrolysis with sawdust and switchgrass (SPSS 22.0, p<0.05). TSP: Triple superphosphate; BM: Bone meal

 

 Figure 5. Stabilization rates of heavy metals in soil by biochars (SPSS 22.0, p<0.01). TSP: Triple superphosphate; BM: Bone meal

  

Zhao L, Cao XD*, Zheng W, Scott JW, Sharma BK, Chen X, 2016. Copyrolysis of biomass with phosphate fertilizers to improve biochar carbon retention, slow nutrient release, and stabilize heavy metals in soil. ACS Sustain Chem. Eng. 4 (3), 1630−1636. (SCI, IF=5.951)

论文链接：http://pubs.acs.org/doi/10.1021/acssuschemeng.5b01570