礦物質對生物炭形成及其碳穩定性的調控機制

《礦物質對生物炭形成及其碳穩定性的調控機制》是依託上海交通大學，由趙玲擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：礦物質對生物炭形成及其碳穩定性的調控機制
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：趙玲
• 依託單位：上海交通大學

項目摘要

通過熱解炭化將生物質廢物中的碳轉為芳香化高聚合結構生物炭輸入土壤，可實現長期碳封存和溫室氣體減排。但是，炭化過程同時發生碳分解和聚合，僅有50%的碳被保留在生物炭中，且其輸入土壤後的穩定性對固碳效果也很重要。無機礦物組分廣泛存在於生物質中，如秸稈中含有KCl、Ca等，P、Si、Al等也分布於一些生物質中，其在熱解炭化過程中對碳的微觀分子結構演變有潛在影響，並可能影響巨觀的固碳效果。本項目研究內源礦物質對生物炭形成過程的誘導機制，並利用外加礦物質調控該過程，擬使更多碳保留於固相中，並有更好的物理、氧化和礦化穩定性。具體包括：對固、液、氣三相分布及成分的影響，對碳纖維的分解和芳香化進程的干擾，與碳的鍵合作用，如P-C結合物的形成及對碳的“包裹”作用。利用先進儀器手段揭示礦物質對“碳”的亂層/有序晶相轉化、介觀結構和孔結構演變、纖維素和木質素微晶相轉化的影響，探明熱解中碳的保留及產物穩定性根源。

結題摘要

生物質廢物大量產生及無序棄置，成為不可忽視的溫室氣體釋放源。通過熱解炭化將其轉為芳香化高聚合結構生物炭輸入土壤，可實現長期碳封存和溫室氣體減排。但是，炭化過程同時發生碳分解和聚合，僅有50%的碳被保留在生物炭中，其是否可實現真正的碳負性有所爭議。無機礦物組分如K、Ca、P、Si等廣泛存在於生物質中，其在熱解過程中對碳的微觀分子結構演變有潛在影響，並可能影響巨觀固碳效果。本項目系統而全面地研究了內源礦物質對生物炭形成過程的誘導機制，並利用外加礦物質調控該過程，揭示了無機礦物與碳骨架的作用機制，從碳保留、碳無序結構、碳分解行為、小分子碳釋放等各方面闡述了固碳效果。 結果表明，無機礦物的存在能夠催化碳分解過程，產生更多小分子組分進入氣相中，誘導氧元素在生物炭上的截留，碳的固相保留率有所下降，從50%下降至45%左右，所得生物炭產物無序化程度加大，穩定性下降，這是對固碳不利的，但程度較小；而外加礦物則呈現了不同的影響，通過物理覆蓋、化學吸收，以及與碳元素的鍵合等作用，強化了碳保留，從50%提高到70%左右。發現了製備鎂複合生物炭、磷複合生物炭可同時強化固碳和污染物修復的能力，提升環境效益。為了進一步評估生物炭系統對溫室效應的緩解潛勢以及綜合環境影響，我們在微觀層面的研究基礎上，同時開展了巨觀碳足跡研究。基於Gabi生命周期評價軟體，結合文獻統計的大量數據，量化了生物炭系統的固碳潛勢和環境效應。1 噸農業生物質殘體用以製備生物炭，GWP100值達到-921.66 kgCO2e。抵消燃煤發電和生物炭田間套用是生物炭系統中最重要的固碳環節，而慢速熱解是最大的排碳環節。我國可達到的年度固碳潛勢為7.97×108 tCO2e，占2014年中國淨溫室氣體排放量的7.12%。生物炭系統對於海洋生態毒性潛勢、人體毒性潛勢、酸化潛勢等都有積極的改善和緩解。對熱解過程中氮、磷元素的形態轉化和環境行為進行了拓展研究，更加深入揭示了生物炭系統對於固碳和提升環境效益的微觀和巨觀機制。