【《共热解技术对生物炭的调控研究的国内外文献综述》6200字】

共热解技术对生物炭的调控研究的国内外文献综述目录TOC\o"1-3"\h\u5021共热解技术对生物炭的调控研究的国内外文献综述 1151891.1温度 1155821.2原料选择 3283851.2掺杂比例 4共热解是在同一热解操作体系中处理两种或多种原料的过程ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>H.</Author><Year>2016</Year><RecNum>128</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[28]</style></DisplayText><record><rec-number>128</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="xsart2vfevfz2xett0155992zzfp5rpz90s5">128</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>H.</author><author>Hassan</author><author>J.,K.</author><author>Lim</author><author>B.,H.</author><author>Hameed</author></authors></contributors><titles><title>Recentprogressonbiomassco-pyrolysisconversionintohigh-qualitybio-oil</title><secondary-title>BioresourceTechnology</secondary-title></titles><periodical><full-title>BioresourTechnol</full-title><abbr-1>Bioresourcetechnology</abbr-1></periodical><dates><year>2016</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[\o"H.,2016#128"28]。因此，共热解技术可以有效地结合原料良好的性质，提高生物炭的特征。Yang等ADDINEN.CITEADDINEN.CITE.DATA[\o"Yang,2019#129"29]对蔬菜废弃物和松果进行共热解，相较于蔬菜废弃物而言，共热解生物炭产量较高，并且具有低灰分、高碳含量以及孔径结构发达等优势。在共热解过程中，成分差异巨大的两种原料在高温的作用下会发生交互反应。这种交互作用能诱发共热解过程中出现协同效应，从而在生物炭产量和特征等方面发挥出比常规热解更为突出的作用。因此，共热解技术的高效性能也主要取决于两种产物之间的协同效应。协同效应具体可提现在生物炭产量和品质的提高，或者混合原料所赋予的某一特征的放大加剧。协同效应可划分为两类，包括正向的协同效应以及负向的协同效应，其中，负向协同效应又被称之为拮抗效应。目前，共热解技术的主要用于固体废物的处置以及相应的高附加值产物的转化。由于共热解技术可针对多种混合的固体废弃物进行有效处理，因此对固体废物减量意义重大。此外，不同来源的固体废物经常混杂在一起，难以分离。共热解技术还可以同时规避了混合固体废物的分离和筛选问题。共热解过程中，温度、原料、掺杂比例等因素均会影响生物炭的特征，因此，有望通过优化共热解参数的方式对生物炭进行定向调控，提升生物炭的品质。1.1温度热解温度主要是通过对原料进行不同程度的热化学降解来影响共热解生物炭的特征和产量的。例如，对于灰分含量较高的市政污泥以及家畜粪便而言，蛋白、脂肪酸等有机物成分在300-500°C发生较为快速而彻底地降解，而灰分物质的热稳定性较强，只有少量的砷、汞化合物能够挥发溶解至生物油和合成气中，大部分的灰分物质都以氧化物或者有机-无机复合物的形式积累在生物炭中。高温能够有效降解富含挥发分的农林废弃物，并且热解过程取决于农林废弃物的组成。一般而言，纤维素在315-400°C进行热解，半纤维素的热解温度范围为220-315°C，木质素的热解温度跨度最大，在160-900°C范围内ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>Li</Author><Year>2020</Year><RecNum>130</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[30]</style></DisplayText><record><rec-number>130</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="xsart2vfevfz2xett0155992zzfp5rpz90s5">130</key><keyapp="ENWeb"db-id="">0</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>Li,Y.</author><author>Xing,B.</author><author>Ding,Y.</author><author>Han,X.</author><author>Wang,S.</author></authors></contributors><auth-address>StateKeyLaboratoryofCleanEnergyUtilization,ZhejiangUniversity,Hangzhou310027,China. StateKeyLaboratoryofCleanEnergyUtilization,ZhejiangUniversity,Hangzhou310027,China.Electronicaddress:srwang@.</auth-address><titles><title>Acriticalreviewoftheproductionandadvancedutilizationofbiocharviaselectivepyrolysisoflignocellulosicbiomass</title><secondary-title>BioresourTechnol</secondary-title><alt-title>Bioresourcetechnology</alt-title></titles><periodical><full-title>BioresourTechnol</full-title><abbr-1>Bioresourcetechnology</abbr-1></periodical><alt-periodical><full-title>BioresourTechnol</full-title><abbr-1>Bioresourcetechnology</abbr-1></alt-periodical><pages>123614</pages><volume>312</volume><keywords><keyword>Biomass</keyword><keyword>*Charcoal</keyword><keyword>Lignin</keyword><keyword>*Pyrolysis</keyword></keywords><dates><year>2020</year><pub-dates><date>Sep</date></pub-dates></dates><isbn>1873-2976(Electronic) 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uthor><author>Wang,Minyan</author><author>Naidu,Ravi</author><author>Liu,Yanju</author><author>Man,YuBon</author><author>Liang,Xinqiang</author><author>Wong,MingHung</author><author>Christie,Peter</author><author>Zhang,Yan</author><author>Song,Chengfang</author><author>Shan,Shengdao</author></authors></contributors><titles><title>Co-pyrolysisofsewagesludgeandricehusk/bamboosawdustforbiocharwithhigharomaticityandlowmetalmobility</title><secondary-title>EnvironmentalResearch</secondary-title></titles><periodical><full-title>EnvironmentalResearch</full-title></periodical><pages>110034</pages><volume>191</volume><dates><year>2020</year></dates><isbn>00139351</isbn><urls></urls><electronic-resource-num>10.1016/j.envres.2020.110034</electronic-resource-num></record></Cite></EndNote>[\o"Zhang,2020#37"34]将市政污泥与稻壳或者竹屑共热解制备生物炭。共热解条件为在400°C和700°C下以1:1质量比混合。升温速率为10°C/min，停留时间为1h。污泥基生物炭、竹屑-污泥生物炭、稻壳-污泥生物炭在400°C的产量分别为60.57%、44.51%以及53.84%，在700°C的产量分别为52.58%、37.54%以及40.35%。稻壳和竹屑的应用明显地降低了生物炭的产量，这是由于稻壳和竹屑含有较高的有机成分，从而增加了市政污泥中的有机成分，稀释了市政污泥中的灰分含量。有机成分易于在高温作用下降解挥发，导致生物炭产量的下降。由于竹屑（2.04%）中的灰分低于稻壳（16.53%），竹屑-污泥生物炭的产率下降幅度更大。在400°C时，市政污泥与稻壳和竹屑共热解导致生物炭的比表面积至少下降了20%。市政污泥-竹屑生物炭比表面积只有市政污泥基生物炭的50%。当温度上升到700°C时，市政污泥-稻壳生物炭的比表面积提高至10.71m2/g，是市政污泥生物炭的1.5倍。比表面积的巨大差异可能源于生物质添加物在特征上的差异。生物质种类对共热解生物炭的影响也体现在pH变化上。在400°C时，稻壳和竹屑的添加将生物炭的pH从8.46提高到8.97以及9.55。在700°C时，稻壳和竹屑的添加将生物炭的pH从12.12下降到10.97以及11.26。工业分析结果表明稻壳和竹屑的添加降低了生物炭中的灰分含量，提高了生物炭中的固定碳含量。Wang等ADDINEN.CITEADDINEN.CITE.DATA[\o"Wang,2021#135"35]选取竹屑、木屑、稻壳、废弃茶叶、厨余废物以及聚氯乙烯（PVC）等有机废弃物作为生物质添加剂，与市政污泥进行共热解处理。负向的协同效应出现在了共热解生物炭的产率上。相较于市政污泥基生物炭，竹屑、木屑、稻壳、废弃茶叶、厨余废物以及聚氯乙烯的添加使共热解生物炭的产率下降了4.83-9.98%。其中，市政污泥-废弃茶叶生物炭的产量下降到最低。然而，扣除掉灰分的含量以后，共热解生物炭的产率高于市政污泥生物炭。由此可见，有机废弃物的添加导致共热解生物炭的有机质含量的增加以及无机盐含量的下降。负向的协同效应也存在于共热解生物炭的孔隙特征上。在所有的有机废弃物中，市政污泥-聚氯乙烯生物炭的比表面积下降得最为明显（2.20m2/g）。PVC热解过程中产生得HCl可促进轻质焦油转化为重质成分ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>Tang</Author><Year>2018</Year><RecNum>136</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[36]</style></DisplayText><record><rec-number>136</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="xsart2vfevfz2xett0155992zzfp5rpz90s5">136</key><keyapp="ENWeb"db-id="">0</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>Tang,Y.</author><author>Huang,Q.</author><author>Sun,K.</author><author>Chi,Y.</author><author>Yan,J.</author></authors></contributors><auth-address>StateKeyLaboratoryofCleanEnergyUtilization,ZhejiangUniversity,Hangzhou310027,People'sRepublicofChina. StateKeyLaboratoryofCleanEnergyUtilization,ZhejiangUniversity,Hangzhou310027,People'sRepublicofChina.Electronicaddress:hqx@.</auth-address><titles><title>Co-pyrolysischaracteristicsandkineticanalysisoforganicfoodwasteandplastic</title><secondary-title>BioresourTechnol</secondary-title><alt-title>Bioresourcetechnology</alt-title></titles><periodical><full-title>BioresourTechnol</full-title><abbr-1>Bioresourcetechnology</abbr-1></periodical><alt-periodical><full-title>BioresourTechnol</full-title><abbr-1>Bioresourcetechnology</abbr-1></alt-periodical><pages>16-23</pages><volume>249</volume><keywords><keyword>*Food,Organic</keyword><keyword>Kinetics</keyword><keyword>*Plastics</keyword><keyword>PolyvinylChloride</keyword><keyword>RefuseDisposal</keyword><keyword>*Thermogravimetry</keyword></keywords><dates><year>2018</year><pub-dates><date>Feb</date></pub-dates></dates><isbn>1873-2976(Electronic) 0960-8524(Linking)</isbn><accession-num>29035727</accession-num><urls><related-urls><url>/pubmed/29035727</url></related-urls></urls><electronic-resource-num>10.1016/j.biortech.2017.09.210</electronic-resource-num></record></Cite></EndNote>[\o"Tang,2018#136"36]，从而附着在生物炭表面堵塞孔隙结构。此外，PVC热解产生的HCl显著降低了共热解生物炭的pH。相反地，其他有机废弃物的添加将生物炭的pH提高了21.80-31.70%，这一现象可能是碱性物质的产生以及表面酸性官能团的降解所造成的。红外光谱结果表明有机废弃物的添加提高了生物炭在3400cm-1处的羟基振动强度。有机化合物和无机成分的添加对共热解生物炭产生截然不同的协同效果ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>ChanakaUdayanga</Author><Year>2019</Year><RecNum>137</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[37]</style></DisplayText><record><rec-number>137</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="xsart2vfevfz2xett0155992zzfp5rpz90s5">137</key><keyapp="ENWeb"db-id="">0</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>ChanakaUdayanga,W.D.</author><author>Veksha,Andrei</author><author>Giannis,Apostolos</author><author>Lisak,Grzegorz</author><author>Lim,Teik-Thye</author></authors></contributors><titles><title>Effectsofsewagesludgeorganicandinorganicconstituentsonthepropertiesofpyrolysisproducts</title><secondary-title>EnergyConversionandManagement</secondary-title></titles><periodical><full-title>EnergyConversionandManagement</full-title></periodical><pages>1410-1419</pages><volume>196</volume><dates><year>2019</year></dates><isbn>01968904</isbn><urls></urls><electronic-resource-num>10.1016/j.enconman.2019.06.025</electronic-resource-num></record></Cite></EndNote>[\o"ChanakaUdayanga,2019#137"37]。腐殖酸、高岭土以及氧化钙分别以1:4（w/w）的比例与市政污泥粉末进行均匀混合，并在200mL/min的持续的N2保护下以10°C/min上升到700°C进行热解。腐殖酸的添加对生物炭的碳固定率有所提高，并且降低其灰分含量。然而，高岭土以及CaO的添加提高了生物炭的灰分含量，将生物炭的碳含量从31.0%分别降低到22.1%以及19.3%。此外，相较于高岭土和腐殖酸，CaO-市政污泥共热解能够显著地固定市政污泥重的内源重金属，可能是由于金属氯化物与CaO生成了稳定的金属化合物。另一方面，CaO-市政污泥共热解提高了Cu的浸出浓度。这可能是由于Cu2+可在碱性条件下生成Cu(OH)42-所导致的。拮抗作用发生在无机化合物与市政污泥共热解生物炭的孔隙特征上。CaCO3和Ca(H2PO4)2以8%的质量含量加入到市政污泥中，并以10°C/min的升温速率在600°C进行热解，热解时间为2h。市政污泥基生物炭的比表面积达到了45.7m2/g，CaCO3-市政污泥生物炭的比表面积为46.3m2/g，而Ca(H2PO4)2-市政污泥生物炭的比表面积下降到42.5m2/g，说明无机化合物对生物炭的孔隙结构特征作用微弱。然而，无机化合物的添加却能有效地提高生物炭的化学稳定性。H2O2分别氧化了市政污泥生物炭、CaCO3-市政污泥生物炭、Ca(H2PO4)2-市政污泥生物炭中31.9%、18.9%、11.2%的碳含量。K2Cr2O7分别氧化了市政污泥生物炭、CaCO3-市政污泥生物炭、Ca(H2PO4)2-市政污泥生物炭中75.4%、31.7%、24.7%的碳含量。其中，Ca(H2PO4)2对生物炭的化学稳定性的促进作用明显。这是因为Ca(H2PO4)2可以与生物炭中的矿物生成稳定的磷酸根复合物，磷酸根复合物作为物理屏障阻碍碳流失并且占据生物炭化学位点ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>Li</Author><Year>2014</Year><RecNum>142</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[38]</style></DisplayText><record><rec-number>142</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="xsart2vfevfz2xett0155992zzfp5rpz90s5">142</key><keyapp="ENWeb"db-id="">0</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>Li,F.</author><author>Cao,X.</author><author>Zhao,L.</author><author>Wang,J.</author><author>Ding,Z.</author></authors></contributors><auth-address>SchoolofEnvironmentalScienceandEngineering,ShanghaiJiaoTongUniversity,Shanghai200240,People'sRepublicofChina.</auth-address><titles><title>Effectsofmineraladditivesonbiocharformation:carbonretention,stability,andproperties</title><secondary-title>EnvironSciTechnol</secondary-title><alt-title>Environmentalscience&technology</alt-title></titles><periodical><full-title>EnvironSciTechnol</full-title><abbr-1>Environmentalscience&technology</abbr-1></periodical><alt-periodical><full-title>EnvironSciTechnol</full-title><abbr-1>Environmentalscience&technology</abbr-1></alt-periodical><pages>11211-7</pages><volume>48</volume><number>19</number><keywords><keyword>CalciumCarbonate/chemistry</keyword><keyword>CalciumPhosphates/chemistry</keyword><keyword>Carbon/*chemistry</keyword><keyword>CarbonSequestration</keyword><keyword>Charcoal/*chemistry</keyword><keyword>Kaolin/chemistry</keyword><keyword>Minerals/*chemistry</keyword><keyword>Oryza</keyword><keyword>Spectroscopy,FourierTransformInfrared</keyword></keywords><dates><year>2014</year><pub-dates><date>Oct7</date></pub-dates></dates><isbn>1520-5851(Electronic) 0013-936X(Linking)</isbn><accession-num>25203840</accession-num><urls><related-urls><url>/pubmed/25203840</url></related-urls></urls><electronic-resource-num>10.1021/es501885n</electronic-resource-num></record></Cite></EndNote>[\o"Li,2014#142"38]。由此可见，在共热解过程中，协同或者拮抗作用的发生主要取决于原料的选择。市政污泥与农林废弃物共热解是一种比较有效的共热解原料混合物，所产生的生物炭品质在元素分析、工业成分、比表面积以及红外光谱等特征上有所提升。而市政污泥与无机化合物共热解对生物炭的孔隙结构影响微弱，但是却能够提升生物炭的化学稳定性。1.2掺杂比例掺杂比例是指某一特定原料相对于另一种原料的质量比例，是共热解过程中的特定参数。掺杂比例是影响协同效应的重要变量。Li等ADDINEN.CITEADDINEN.CITE.DATA[\o"Li,2021#139"39]评价了掺杂比例对市政污泥和抗生素菌渣共热解生物炭的产率和特征的影响。抗生素菌渣和市政污泥的掺杂比例分别为0、1:9、1:4以及1:1。热解温度分别为300°C、500°C以及700°C。升温速率以及停留时间分别为为10°C/min以及45min。随着抗生素菌渣掺杂比例的上升，生物炭产率逐渐下降，C含量、H含量以及N含量逐渐上升。抗生素菌渣掺杂比例的提高导致生物炭的H/C比下降，说明抗生素菌渣的添加提高了生物炭的芳香度。此外，生物炭的pH值也随着掺杂比例的提高而增大。这是由于抗生素菌渣在热解过程中产生了更多的碱性物质。此外，抗生素菌渣的掺杂比例对生物炭的表面官能团也产生影响。随着掺杂比例的提高，生物炭在800-1200cm-1范围内的红外吸收峰强度逐渐上升，尤其是位于1006cm-1处代表C-O官能团吸收峰。这一结果说抗生素菌渣的掺杂比例能够有效地提高生物炭的表面特性，表明其良好的适用性。Wang等ADDINEN.CITEADDINEN.CITE.DATA[\o"Wang,2019#138"40]研究掺杂比例对棉秆和市政污泥共热解产生的生物炭的影响。棉秆和市政污泥在1:9-9:1的质量比下进行混合，650°C热解2h。当棉秆和市政污泥的掺杂比例从1:9上升至9:1时，由于棉秆中的灰分（8.43%）含量远低于市政污泥（46.66%），因此生物炭产率从57.5%下降至32.0%。相同的掺杂比例变化提高了生物炭的孔隙特征。生物炭的比表面积从23.75m2/g上升到33.75m2/g，孔隙体积从0.033cm3/g上升到0.071cm3/g。这可能是由于棉秆含量的增加促进了挥发分的释放以及孔隙结构的形成。此外，掺杂比例的提高降低了生物炭的阳离子交换量。这可能是由于生物炭的表面官能团的下降所引起的。红外光谱也支持这一结果，有机官能团的下降弱化了生物炭表面携带的负电荷数量。此外，较高的掺杂比例能够降低灰分中的碱金属以及碱土金属的含量，减少了其他阳离子结合的空位，从而导致阳离子交换量的下降。协同效应和拮抗效应被发现同时存在于不同掺杂比例条件下的共热解研究中ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>Hu</Author><Year>2018</Year><RecNum>143</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[41]</style></DisplayText><record><rec-number>143</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="xsart2vfevfz2xett0155992zzfp5rpz90s5">143</key><keyapp="ENWeb"db-id="">0</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>Hu,Jing</author><author>Danish,Mohammed</author><author>Lou,Ziyang</author><author>Zhou,Pin</author><author>Zhu,Nanwen</author><author>Yuan,Haiping</author><author>Qian,Pansheng</author></authors></contributors><titles><title>Effectivenessofwindturbinebladeswastecombinedwiththesewagesludgeforenrichedcarbonpreparationthroughtheco-pyrolysisprocesses</title><secondary-title>JournalofCleanerProduction</secondary-title></titles><periodical><full-title>JournalofCleanerProduction</full-title></periodical><pages>780-787</pages><volume>174</volume><dates><year>2018</year></dates><isbn>09596526</isbn><urls></urls><electronic-resource-num>10.1016/j.jclepro.2017.10.166</electronic-resource-num></record></Cite></EndNote>[\o"Hu,2018#143"41]。共热解原料采用风力机叶片废物（WTBW）和市政污泥。风力机叶片废物主要是由碳纤维、玻璃纤维、高级环氧树脂以及木头组成。风力机叶片废物以及市政污泥的掺杂比例分别为2:8、3:7、4:6以及1:1（20%WTBW、30%WTBW、40%WTBW、50%WTBW）。混合物经过KOH活化后，600°C热解1h。市政污泥、WTBW、20%WTBW、30%WTBW、40%WTBW、50%WTBW制备的生物炭的比表面积分别为413.3m2/g、460.6m2/g、451.0m2/g、466.2m2/g、498.3m2/g以及408.7m2/g。随着WTBW的质量分数的增长，比表面积也随之增长。而且，当WTBW的质量分数达到30%时，共热解生物炭的比表面积超过了单独热解的生物炭，表现为对比表面积的协同效应。协同效应也随着WTBW质量分数的增大而增强。当WTBW的质量分数达到50%，共热解生物炭比表面积下降，出现明显的拮抗作用。市政污泥和WTBW的生物炭微孔面积分别为295.7m2/g和318.9m2/g。共热解生物炭的微孔面积大于单独热解的生物炭。当WTBW的含量达到40%时，微孔面积优化至401.2m2/g。从比表面积结果推测，风力机叶片废物中的碳骨架分解成孔洞。原料间发生化学反应，所产生的气泡从表面溢出并形成微孔。过低的WTBW含量不足以发生充足的反应，因而无法促进孔隙的形成。而过大的WTBW含量同时降低了污泥的含量，也无法发生充分的化学反应。此外，当WTBW含量达到30-40%，生物炭的内酯官能团以及羟基官能团吸收峰强度也逐渐增强，说明在市政污泥与风力机叶片废物共热解过程中含氧官能团截留在碳基质中。综上所述，掺杂比例对生物炭的产量和特征表现了协同效应或者拮抗效应。这两种效应可以同时观察到，并且取决于各个原料的元素组成以及特征。同时，在一定范围内，掺杂比例的改变还会进一步放大协同效应或者拮抗效应。因此，调整掺杂比例是一种有效的可用于定向调控生物炭特征的手段。参考文献[1]DhoteL,KumarS,SinghL,etal.Asystematicreviewonoptionsforsustainabletreatmentandresourcerecoveryofdistillerysludge[J].Chemosphere,2021,263:128225.[2]LundinM,OlofssonM,PetterssonGJ,etal.Environmentalandeconomicassessmentofsewagesludgehandlingoptions[J].Resources,ConservationandRecycling,2004,41(4):255-278.[3]AlmudenaH,MartaC,MaiteM,etal.Environmentalassessmentofanaerobicallydigestedsludgereuseinagriculture:Potentialimpactsofemergingmicropollutants[J].WaterResearch,2010,44(10):3225-3233.[4]VelgheI,CarleerR,YpermanJ,etal.Studyofthepyrolysisofsludgeandsludge/disposalfiltercakemixfortheproductionofvalueaddedproducts[J].BioresourTechnol,2013,134:1-9.[5]GaoN,LiJ,QiB,etal.Thermalanalysisandproductsdistributionofdriedsewagesludgepyrolysis[J].JournalofAnalyticalandAppliedPyrolysis,2014,105:43-48.