全 文 ：第４３卷　第１期
２０１５年１月
西北农林科技大学学报（自然科学版）
Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｎｏｒｔｈｗｅｓｔ　Ａ＆Ｆ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（Ｎａｔ．Ｓｃｉ．Ｅｄ．）
Ｖｏｌ．４３ Ｎｏ．１
Ｊａｎ．２０１５
网络出版时间：２０１４－１２－１２　０９：３０ ＤＯＩ：１０．１３２０７／ｊ．ｃｎｋｉ．ｊｎｗａｆｕ．２０１５．０１．０１７
网络出版地址：ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｃｎｋｉ．ｎｅｔ／ｋｃｍｓ／ｄｅｔａｉｌ／６１．１３９０．Ｓ．２０１４１２１２．０９３０．０１７．ｈｔｍｌ
炭化条件对黑沙蒿生物炭产率的影响
　［收稿日期］　２０１３－１０－２３
　［基金项目］　国家自然科学基金项目（３１２６０５０２）
　［作者简介］　侯建伟（１９８６－），男，内蒙古通辽人，在读博士，主要从事土壤肥力与植物营养研究。Ｅ－ｍａｉｌ：ｈｊｗ１９８６０６２７＠１２６．ｃｏｍ
　［通信作者］　索全义（１９６２－），男，内蒙古呼和浩特人，教授，博士，博士生导师，主要从事土壤肥力与植物营养研究。
Ｅ－ｍａｉｌ：ｐａｕｌ９８＠ｓｉｎａ．ｃｏｍ
侯建伟，索全义，梁　桓，韩雪琪，刘长涛
（内蒙古农业大学 生态环境学院，内蒙古 呼和浩特０１００１９）
［摘　要］　 【目的】研究炭化温度、炭化时间和升温速率对沙蒿制备生物炭产率的影响，为沙蒿生物炭的应用提
供依据。【方法】通过无氧炭化法，研究不同炭化温度（３００，４００，５００，６００，７００，８００和９００℃）、炭化时间（５，１５，３０，６０，
９０和１５０ｍｉｎ）和升温速率（５０，１００，１５０，２００和２５０℃／ｈ）对沙蒿生物炭产率的影响，用傅里叶变换红外光谱仪获得红
外光谱图，并据此分析生物炭产率变化的原因。【结果】沙蒿生物炭的产率随着炭化温度升高、炭化时间延长和升温
速率的增加而降低。温度从３００℃升高至９００℃时，生物炭产率降低了７５．４７％，其中由３００℃升高至４００℃时降幅
最大，为３１．９０％。由红外光谱图可知，沙蒿生物炭中官能团较炭化前发生变化，主要是由于物料中纤维素或半纤维
素、脂肪组分和木质素等组分发生分解和转化；６００℃下，炭化时间从５ｍｉｎ延长到１５０ｍｉｎ时，生物炭产率降低了
６．６８％；升温速率从５０℃／ｈ增至２５０℃／ｈ时，生物炭产率降低了５．３４％，炭化时间延长和升温速率的升高使木质素
在整个生物炭分子中的比例下降，从而使生物炭产率下降。【结论】生物炭产率与炭化温度、炭化时间和升温速率均
呈负相关，且炭化温度能够最大程度地影响生物炭产率；造成生物炭产率降低的原因是物料中各组分在不同炭化条
件下相继分解和转化。
［关键词］　黑沙蒿；生物炭；炭产率
［中图分类号］　Ｓ４３２．４ ［文献标志码］　Ａ ［文章编号］　１６７１－９３８７（２０１５）０１－０１６９－０６
Ｅｆｅｃｔｓ　ｏｆ　ｃａｒｂｏｎｉｚａｔｉｏｎ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ　ｏｎ　ｂｉｏｃｈａｒ
ｙｉｅｌｄ　ｆｒｏｍ　Ａｒｔｅｍｉｓｉａ　ｏｒｄｏｓｉｃａ
ＨＯＵ　Ｊｉａｎ－ｗｅｉ，ＳＵＯ　Ｑｕａｎ－ｙｉ，ＬＩＡＮＧ　Ｈｕａｎ，ＨＡＮ　Ｘｕｅ－ｑｉ，ＬＩＵ　Ｃｈａｎｇ－ｔａｏ
（Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｅｃｏｌｏｇｙ　ａｎｄ　Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ　Ｓｃｉｅｎｃｅ，Ｉｎｎｅｒ　Ｍｏｎｇｏｌｉａ　Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒｅ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｈｏｈｈｏｔ，Ｉｎｎｅｒ　Ｍｏｎｇｏｌｉａ　０１００１９，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：【Ｏｂｊｅｃｔｉｖｅ】Ｔｈｅ　ｐａｐｅｒ　ｓｔｕｄｉｅｄ　ｔｈｅ　ｅｆｆｅｃｔｓ　ｏｆ　ｃａｒｂｏｎｉｚａｔｉｏｎ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ，ｔｉｍｅ　ａｎｄ　ｈｅａｔｉｎｇ　ｒａｔｅ
ｏｎ　ｂｉｏｃｈａｒ　ｙｉｅｌｄ　ｆｒｏｍＡｒｔｅｍｉｓｉａ　ｏｒｄｏｓｉｃａｔｏ　ｉｍｐｒｏｖｅ　ｔｈｅ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ａｒｔｅｍｉｓｉａ　ｏｒｄｏｓｉｃａ　ｂｉｏｃｈａｒ．【Ｍｅｔｈ－
ｏｄ】Ｔｈｅ　ｅｆｆｅｃｔｓ　ｏｆ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｃａｒｂｏｎｉｚａｔｉｏｎ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓ（３００，４００，５００，６００，７００，８００ａｎｄ　９００℃），ｔｉｍｅｓ（５，
１５，３０，６０，９０ａｎｄ　１５０ｍｉｎ）ａｎｄ　ｈｅａｔｉｎｇ　ｒａｔｅｓ（５０，１００，１５０，２００，ａｎｄ　２５０℃／ｈ）ｏｎ　Ａｒｔｅｍｉｓｉａ　ｏｒｄｏｓｉｃａ　ｂｉｏ－
ｃｈａｒ　ｙｉｅｌｄ　ｗｅｒｅ　ｓｔｕｄｉｅｄ　ｔｈｒｏｕｇｈ　ａｎａｅｒｏｂｉｃ　ｃａｒｂｏｎｉｚａｔｉｏｎ．Ｆｏｕｒｉｅｒ　ｔｒａｎｓｆｏｒｍ　ｉｎｆｒａｒｅｄ　ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ　ｗａｓ　ｕｓｅｄ
ｔｏ　ｏｂｔａｉｎ　ｉｎｆｒａｒｅｄ　ｓｐｅｃｔｒａ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｒｅａｓｏｎｓ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｃｈａｎｇｅｓ　ｏｆ　ｂｉｏｃｈａｒ　ｙｉｅｌｄ　ｗｅｒｅ　ａｎａｌｙｚｅｄ．【Ｒｅｓｕｌｔ】Ａｒｔｅｍｉｓ－
ｉａ　ｏｒｄｏｓｉｃａ　ｂｉｏｃｈａｒ　ｙｉｅｌｄ　ｄｅｃｒｅａｓｅｄ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｉｎｃｒｅａｓｅ　ｏｆ　ｃａｒｂｏｎｉｚａｔｉｏｎ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ，ｔｉｍｅ　ａｎｄ　ｈｅａｔｉｎｇ　ｒａｔｅ．
Ｂｉｏｃｈａｒ　ｙｉｅｌｄ　ｄｅｃｒｅａｓｅｄ　ｂｙ　７５．４７％ ｗｈｅｎ　ｔｈｅ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｉｎｃｒｅａｓｅｄ　ｆｒｏｍ　３００℃ｔｏ　９００℃ａｎｄ　ｔｈｅ　ｌａｒｇｅｓｔ
ｄｅｃｒｅａｓｉｎｇ　ｒａｔｅ　ｏｆ　３１．９０％ｈａｐｐｅｎｅｄ　ｗｈｅｎ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｉｎｃｒｅａｓｅｄ　ｆｒｏｍ　３００℃ｔｏ　４００℃．Ｉｎｆｒａｒｅｄ　ｓｐｅｃｔｒａ
ｓｈｏｗｅｄ　ｔｈａｔ　ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ　ｇｒｏｕｐｓ　ｃｈａｎｇｅｄ　ａｆｔｅｒ　ｃａｒｂｏｎｉｚａｔｉｏｎ，ｗｈｉｃｈ　ｗａｓ　ｍａｉｎｌｙ　ｄｕｅ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ　ａｎｄ
ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｃｅｌｕｌｏｓｅ，ｈｅｍｉｃｅｌｕｌｏｓｅ，ｌｉｇｎｉｎ　ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ，ａｎｄ　ｆａｔｓ　ｉｎ　ｍａｔｅｒｉａｌｓ．Ａｔ　ｔｈｅ　ｃａｒｂｏｎｉｚａｔｉｏｎ
ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｏｆ　６００℃，ｂｉｏｃｈａｒ　ｙｉｅｌｄ　ｒｅｄｕｃｅｄ　ｂｙ　６．６８％ ｗｈｅｎ　ｃａｒｂｏｎｉｚａｔｉｏｎ　ｔｉｍｅ　ｉｎｃｒｅａｓｅｄ　ｆｒｏｍ　５ｍｉｎ　ｔｏ
１５０ｍｉｎ　ａｎｄ　ｉｔ　ｄｅｃｒｅａｓｅｄ　ｂｙ　５．３４％ ｗｈｅｎ　ｈｅａｔｉｎｇ　ｒａｔｅ　ｉｎｃｒｅａｓｅｄ　ｆｒｏｍ　５０℃／ｈ　ｔｏ　２５０℃／ｈ．Ｉｎｆｒａｒｅｄ　ｓｐｅｃ－
ｔｒｕｍ　ｓｈｏｗｅｄ　ｔｈａｔ　ｐｒｏｌｏｎｇｉｎｇ　ｃａｒｂｏｎｉｚａｔｉｏｎ　ｔｉｍｅ　ａｎｄ　ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ　ｈｅａｔｉｎｇ　ｒａｔｅ　ｄｅｃｒｅａｓｅｄ　ｔｈｅ　ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎ　ｏｆ　ｌｉｇ－
ｎｉｎ　ｉｎ　ｂｉｏｃｈａｒ，ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ　Ａｒｔｅｍｉｓｉａ　ｏｒｄｏｓｉｃａ　ｂｉｏｃｈａｒ　ｙｉｅｌｄ　ｄｅｃｒｅａｓｅｄ．【Ｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎ】Ａｒｔｅｍｉｓｉａ　ｏｒｄｏｓｉｃａ　ｂｉｏ－
ｃｈａｒ　ｙｉｅｌｄ　ｎｅｇａｔｉｖｅｌｙ　ｃｏｒｒｅｌａｔｅｄ　ｗｉｔｈ　ｃａｒｂｏｎｉｚａｔｉｏｎ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ，ｃａｒｂｏｎｉｚａｔｉｏｎ　ｔｉｍｅ　ａｎｄ　ｈｅａｔｉｎｇ　ｒａｔｅ．Ａｒｔｅ－
ｍｉｓｉａ　ｏｒｄｏｓｉｃａ　ｂｉｏｃｈａｒ　ｙｉｅｌｄ　ｗａｓ　ａｆｆｅｃｔｅｄ　ｂｙ　ｃａｒｂｏｎｉｚａｔｉｏｎ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ａｔ　ｔｈｅ　ｍａｘｉｍｕｍ　ｅｘｔｅｎｔ　ｄｕｅ　ｔｏ　ｔｈｅ
ｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ　ｉｎ　ｍａｔｅｒｉａｌｓ　ｕｎｄｅｒ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｃａｒｂｏｎｉｚａｔｉｏｎ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ．
Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：Ａｒｔｅｍｉｓｉａ　ｏｒｄｏｓｉｃａ；ｂｉｏｃｈａｒ；ｂｉｏｃｈａｒ　ｙｉｅｌｄ
　　沙篙是菊科篙属（Ａｒｔｅｍｉｓｉａ）的一个半灌木类
群，是一种典型的沙生植物，具有很强的抗寒、抗旱
和耐沙埋等特性。沙蒿在其生境中经过漫长的自然
选择成为建群种和优势种，广泛分布在半固定或固
定的沙地，是较好的固沙防风植物，在生态保护和恢
复中起到了非常重要的作用，也是恶劣生境下的重
要碳汇植物。沙蒿平茬或刈割可明显促进沙蒿生
长，增强其生活能力，平茬或刈割后的沙蒿可就地被
转化成为生物炭（ｂｉｏｃｈａｒ，无氧条件下炭化的产
物［１－４］）进行沙地封存。这一方面可利用生物炭的稳
定性实现碳汇的目的，为减缓全球气候变化做出贡
献；另一方面也可利用生物炭的多孔性、亲水性、吸
附性等特性，实现改善沙地生境效应的作用［５－６］。
生物炭的特性由原料和制备条件所决定。目前
用于制备生物炭的原料主要包括阔叶树、牧草、树
皮、作物残余物（如稻草、坚果壳和稻壳）、柳枝梭、有
机废物（如酒糟、甘蔗渣、橄榄废物、鸡粪、牛粪、剩余
污泥和纸浆）等［７］，而对用沙地特殊生境下的沙蒿制
取生物炭材料的研究很少。生物炭的制取应该在满
足其改善土壤质量［８－１０］、缓释肥效［１１－１３］，充分发挥环
境和农业效益等作用的前提下实现产率最大化，而
炭化条件是影响生物炭产率的关键因素［１４］。为此，
本试验以沙生植物沙蒿为材料，研究炭化温度、时间
及升温速率对沙蒿生物炭产率的影响，为沙蒿生物
炭的制取和应用提供技术依据。
１　材料与方法
１．１　材　料
供试材料为黑沙蒿，取自内蒙古呼和浩特市托
克托县沙地，该沙地位于库布齐沙地东缘，托克托县
的西南。将取回的沙蒿平铺于室外晒干后粉碎，放
入烘箱中６５℃烘至恒定质量（约２４ｈ），然后放入干
燥器中用于制备生物炭。
１．２　试验设计
炭化条件设温度、时间和升温速率３个因素。
其中，炭化温度设３００，４００，５００，６００，７００，８００，９００
℃７个梯度，炭化时的升温速率为１５０℃／ｈ，炭化时
间为６０ｍｉｎ；炭化时间设５，１５，３０，６０，９０，１５０ｍｉｎ　６
个梯度，炭化温度为６００℃，升温速率为１５０℃／ｈ；
升温速率设５０，１００，１５０，２００，２５０℃／ｈ　５个梯度，炭
化温度为６００℃，炭化时间为６０ｍｉｎ。每个处理均
设３次重复。
１．３　生物炭的制备
炭化设备用洛阳市西格马仪器制造有限公司生
产的人工智能箱式电阻炉（ＳＧＭ．ＶＢ８／１０），该设备
可进行升温速率、炭化时间和炭化温度的调控。称
取烘干沙蒿２５．０ｇ，在试验设计的条件下通过抽真
空创造无氧环境制备生物炭。炭化结束后使其自然
降温，放入干燥器冷却后称质量。
１．４　测定项目及方法
１．４．１　生物炭产率　通过测定制备前沙蒿质量（干
基，Ｗ１）和制备后生物炭的质量（干基，Ｗ２），按下式
计算生物炭产率：
生物炭产率＝Ｗ２／Ｗ１×１００％。
１．４．２　红外光谱（ＦＴＩＲ）　用傅里叶变换红外光谱
仪（ＮＥＸＵＳ６７０，美国）测定沙蒿和不同条件下制备
生物炭的红外光谱图。测试条件为：采用ＫＢｒ压片
制样，波数 ４　０００～４００ｃｍ－１中红外，分辨率０．５
ｃｍ－１，测试温度２５℃，相对湿度４０％～４５％。
１．５　数据分析
利用ＳＡＳ９．０对试验数据进行方差分析（ＡＮＯ－
ＶＡ）和相关性分析（ＣＯＲＲ），用ＥＸＣＥＬ计算数据
置信区间、绘制图表，利用ＯＭＩＮＩＣ８．２和ＯＲＩＧＩＮ
Ｖ８．０进行红外图谱的处理与制作。
２　结果与分析
２．１　炭化温度对沙蒿生物炭产率的影响
由图１可以看出，炭化时间为６０ｍｉｎ，升温速率
为１５０℃／ｈ时，沙蒿的生物炭产率随着炭化温度的
升高而降低。当温度由３００℃升至９００℃时，生物
０７１ 西北农林科技大学学报（自然科学版） 第４３卷
炭产率从４４．５７％±０．３９％降至２５．４０％±０．０６％，
降低了７５．４７％，其中由３００℃升高至４００℃时降
幅最大，为３１．９０％。方差分析结果表明，除７００和
８００℃下生物炭产率之间差异不显著外，其余各炭
化温度间的差异均达到显著水平（Ｐ＜０．０５）。相关
性分析表明：炭化温度与生物炭产率的相关系数为
－０．８７８　９（Ｐ＜０．０１），二者之间呈极显著负相关。
图１　炭化温度对沙蒿生物炭产率的影响
不同小写字母表示差异显著（Ｐ＜０．０５）。图４同
Ｆｉｇ．１　Ｅｆｆｅｃｔｓ　ｏｆ　ｃａｒｂｏｎｉｚａｔｉｏｎ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｏｎ
Ａｒｔｅｍｉｓｉａ　ｏｒｄｏｓｉｃａ　ｂｉｏｃｈａｒ　ｙｉｅｌｄ
Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｌｏｗｅｒｃａｓｅ　ｌｅｔｔｅｒｓ　ｍｅａｎ　ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ
（Ｐ＜０．０５）．Ｔｈｅ　ｓａｍｅ　ｆｏｒ　Ｆｉｇ．４
　　由图２可知，未炭化的沙蒿中含有丰富的官能
团：３　０００～３　６６５ｃｍ－１处的宽吸收峰来自羟基（－ＯＨ）
的伸缩振动，２　９２７和２　８５６ｃｍ－１处分别为脂肪性
ＣＨ２ 的不对称和对称伸缩振动峰，１　７００～１　７４０
ｃｍ－１处吸收峰主要是羧酸的Ｃ Ｏ伸缩振动峰，
１　６１３ｃｍ－１处为芳环的ＣＣ或ＣＯ伸缩振动
峰，１　４４０和１　３７５ｃｍ－１处的吸收峰分别为木质素中
的芳香性ＣＣ和 Ｏ－Ｈ 振动峰，１　２４７和１　０４０
ｃｍ－１处为纤维素或半纤维素的Ｃ－Ｏ－Ｃ振动吸收
峰，４６６～１　０８１ｃｍ－１处为Ｓｉ－Ｏ－Ｓｉ的振动吸收
峰。这些官能团在沙蒿生物炭中也十分丰富，但随
着炭化温度的升高，生物炭的官能团发生了显著改
变。由于羧基的热稳定性较差，炭化时易产生化学
反应变成水和气体，因此在３００℃之前就已消失，
３００～５００℃下生物质中的纤维素或半纤维素、脂肪
组分急剧分解而消失，６００℃时含氧官能团—ＯＨ
消失，木质素含量已变得很少，９００℃时木质素几乎
全部分解，沙蒿生物炭红外光谱图反映出的规律与
图１中“３００～４００℃生物炭产率骤减，５００～９００℃
生物炭产率降低相对缓慢”的趋势相吻合。在１　６１３
ｃｍ－１及４６６～１　０８１ｃｍ－１处伸缩振动峰的存在，说
明生物炭结构最终是以芳环骨架为主，同时保留着
少量的无机组分Ｓｉ－Ｏ－Ｓｉ。
图２　沙蒿及不同炭化温度下生物炭的红外光谱
Ｆｉｇ．２　ＦＴＩＲ　ｏｆ　Ａｒｔｅｍｉｓｉａ　ｏｒｄｏｓｉｃａ　ｂｉｏｃｈａｒ　ｕｎｄｅｒ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｃａｒｂｏｎｉｚａｔｉｏｎ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓ
２．２　炭化时间对沙蒿生物炭产率的影响
由表１可以看出，在升温速率为１５０℃／ｈ，炭化
温度为６００℃时，沙蒿生物炭产率随炭化时间延长
呈降低趋势。方差分析结果表明，除１５，３０，６０ｍｉｎ
之间，９０与１５０ｍｉｎ之间生物炭产率差异不显著
外，其他处理间差异均显著。炭化时间由５ｍｉｎ延
长到１５０ｍｉｎ时，每延长１０ｍｉｎ沙蒿生物炭产率降
幅平均为０．１３％，且在５ｍｉｎ增加到１５ｍｉｎ和６０～
９０ｍｉｎ时降幅较大（但低于平均降幅），说明炭化前
期和中后期对生物炭产率的影响更大。炭化时间由
５ｍｉｎ增加到１５０ｍｉｎ，沙蒿的生物炭产率降低了
６．６８％，生物炭产率与炭化时间的相关系数为
－０．７６３　７（Ｐ＜０．０５），进一步说明炭化时间越长，生
物炭产率越低。
１７１第１期 侯建伟，等：炭化条件对黑沙蒿生物炭产率的影响
表１　炭化时间对沙蒿生物炭产率的影响
Ｔａｂｌｅ　１　Ｅｆｆｅｃｔｓ　ｏｆ　ｃａｒｂｏｎｉｚａｔｉｏｎ　ｔｉｍｅ　ｏｎ
Ａｒｔｅｍｉｓｉａ　ｏｒｄｏｓｉｃａ　ｂｉｏｃｈａｒ　ｙｉｅｌｄ
炭化时间／ｍｉｎ
Ｃａｒｂｏｎｉｚａｔｉｏｎ
ｔｉｍｅ
生物炭
产率／％
Ｂｉｏｃｈａｒ
ｙｉｅｌｄ
较前一炭化
时间的降幅／％
Ｄｅｃｒｅａｓｉｎｇ　ａｍｐｌｉｔｕｄｅ
ｃｏｍｐａｒｅｄ　ｔｏ　ｐｒｅｖｉｏｕｓ
ｃａｒｂｏｎｉｚａｔｉｏｎ　ｔｉｍｅ
１０ｍｉｎ降幅／％
Ｄｅｃｒｅａｓｉｎｇ
ａｍｐｌｉｔｕｄｅ
ｉｎ　１０ｍｉｎ
５　 ３１．１５ａ － －
１５　 ２９．８１ｂ １．３４ａ １．３４ａ
３０　 ２９．７６ｂ ０．０５ｂ ０．０３ｂ
６０　 ２９．６６ｂ ０．１０ｂ ０．０２ｂ
９０　 ２９．４４ｃ ０．２２ｃ ０．０７ｃ
１５０　 ２９．２０ｃ ０．２４ｂ ０．０４ｄ
５～１５０ － １．９５ｄ ０．１３ｅ
　　注：同列数据后标不同小写字母表示差异达到显著水平（Ｐ＜
０．０５）。
Ｎｏｔｅ：Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｌｏｗｅｒｃａｓｅ　ｌｅｔｔｅｒｓ　ｗｉｔｈｉｎ　ｅａｃｈ　ｃｏｌｕｍｎ　ｍｅａｎ　ｓｉｇ－
ｎｉｆｉｃａｎｔ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ（Ｐ＜０．０５）．
　　不同炭化时间下沙蒿生物炭的红外光谱结果见
图３。由图３可知，不同炭化时间下，沙蒿生物炭的
红外光谱图波形基本相同，但所含官能团略有差异，
表现为炭化１５ｍｉｎ以后羟基的振动伸缩峰消失，而
其他的官能团只是吸收强度或峰面积有一定差异，
特别是炭化９０ｍｉｎ时１　２５０～１　７５０ｃｍ－１的峰面积
突然减小，说明相应官能团（芳环的ＣＣ或Ｃ
Ｏ，木质素中的芳香性ＣＣ和Ｏ－Ｈ）在整个生物
炭分子组成中的比例减小，因此造成相应组分在物
料中的炭产率降低，与表１数据完全吻合。由图３
还可以看出，在１　６１３ｃｍ－１及４６６～１　０８１ｃｍ－１处存
在伸缩振动峰，说明６００℃下制备的生物炭结构是
以芳环骨架为主，且无机组分Ｓｉ－Ｏ－Ｓｉ在炭化过
程中得以保留。
图３　不同炭化时间下沙蒿生物炭的红外光谱
Ｆｉｇ．３　ＦＴＩＲ　ｏｆ　Ａｒｔｅｍｉｓｉａ　ｏｒｄｏｓｉｃａ　ｂｉｏｃｈａｒ　ｕｎｄｅｒ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｃａｒｂｏｎｉｚａｔｉｏｎ　ｔｉｍｅｓ
２．３　升温速率对沙蒿生物炭产率的影响
由图４可以看出，在炭化温度为６００℃，炭化时
间为６０ｍｉｎ的条件下，沙蒿的生物炭产率随升温速
率（５０～２５０℃／ｈ）的增加而降低，从５０℃／ｈ增至
２５０℃／ｈ时，生物炭产率降低了５．３４％。升温速率
由５０℃／ｈ提高到１００℃／ｈ和２００℃／ｈ提高到２５０
℃／ｈ时，生物炭产率分别降低了２．５１％和２．０９％，
均达到了差异显著水平（Ｐ＜０．０５）；１００，１５０与２００
℃／ｈ处理的生物炭产率差异不显著。生物炭产率
与升温速率的相关系数达－０．９３６　７（Ｐ＜０．０５），具
有显著负相关性。
　　由图５可以看出，升温速率对沙蒿生物炭官能
团的影响不大，只是峰面积或吸收强度有微小变化。
而由图４可知，升温速率由５０ ℃／ｈ提高到２５０
℃／ｈ时生物炭产率仅降低了５．３４％，只是发生了微
小的变化，可见升温速率不是影响生物炭产率的主
要因素。
图４　升温速率对沙蒿生物炭产率的影响
Ｆｉｇ．４　Ｅｆｆｅｃｔｓ　ｏｆ　ｈｅａｔｉｎｇ　ｒａｔｅ　ｏｎ　Ａｒｔｅｍｉｓｉａ
ｏｒｄｏｓｉｃａ　ｂｉｏｃｈａｒ　ｙｉｅｌｄ
２７１ 西北农林科技大学学报（自然科学版） 第４３卷
　　对峰面积进行分析后发现，升温速率对沙蒿物
料的热解有正反两方面的影响：一方面升温速率增
加，物料颗粒达到热解所需温度的响应时间变短，有
利于热解；另一方面物料颗粒内外的温差变大，由于
传热滞后效应会影响内部热解的进行。但在一定的
热解时间内，减小升温速率会延长炭化材料在低温
区的滞留时间，促进纤维素和木质素的脱水和炭化
反应，导致生物炭产率增加［１５］。
图５　不同升温速率下沙蒿生物炭的红外光谱
Ｆｉｇ．５　ＦＴＩＲ　ｏｆ　Ａｒｔｅｍｉｓｉａ　ｏｒｄｏｓｉｃａ　ｂｉｏｃｈａｒ　ｕｎｄｅｒ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｈｅａｔｉｎｇ　ｒａｔｅｓ
３　讨　论
本研究结果显示，沙蒿的生物炭产率随炭化温
度的升高而降低，变化范围为２５．４０％～４４．５７％，
与已有研究结果［１４，１６－１９］一致。但相近温度下沙蒿生
物炭产率略高于叶丽丽［２０］的研究结果（炭化温度
４５０℃时，生物炭产率为２６．０％，本研究中炭化温度
５００℃时，生物炭产率为３０．８４％）、而略低于王震宇
等［２１］的研究结果（炭化温度从２００℃升高至５００℃
时，生物炭产率为３１．１７％～７５．１９％）。这主要是
因为在炭化过程中沙蒿中纤维素和木质素的相对含
量不同，纤维素主要生成挥发性成分，而木质素热解
主要生成焦炭，因此生物质中纤维素、木质素含量对
生物炭产率影响较大。认为木质素含量较高、纤维
素含量较低的原料能得到较高的生物炭产率。
本研究中６００℃条件下，升温速率一定时，沙蒿
的生物炭产率随炭化时间的延长而降低，但炭化时
间对生物炭产率的影响较小，这与王震宇等［２１］的研
究结果一致；当炭化温度、炭化时间一定时，生物炭
产率随升温速率的增加而降低，叶丽丽［２０］、Ｂｉｒｄ
等［２２］的研究也有类似的结论。
本研究结果表明，在３００～５００℃下生物质中的
纤维素或半纤维素、脂肪组分急剧分解而消失，而木
质素的分解较难，贯穿于３００～９００℃的整个升温过
程，生物炭最终以芳环骨架为主，但不同炭化条件下
所得生物炭中所含官能团有一定差异，说明炭化条
件和物料可在一定程度上影响生物炭的结构性质。
这与陈再明等［１７］和宋建中等［２３］的研究结果相似，
４　结　论
１）沙蒿的生物炭产率受炭化条件的影响，随着
炭化温度的升高、炭化时间的延长和升温速率的增
加而逐渐降低，但与炭化时间和升温速率相比，炭化
温度对沙蒿生物炭产率的影响更大。
２）炭化温度一定时，炭化５～１５ｍｉｎ和６０～９０
ｍｉｎ这２个阶段对沙蒿生物炭产率的影响较大。
３）生物炭产率降低主要是由于，在炭化过程中
物料中可挥发和分解的组分相继分解和转化，具体
表现为，３００℃之前羧基消失，３００～５００℃下生物质
中的纤维素或半纤维素、脂肪组分分解，６００℃时含
氧官能团—ＯＨ消失；木质素的分解较难，贯穿于整
个炭化过程，９００℃时几乎全部分解。
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４７１ 西北农林科技大学学报（自然科学版） 第４３卷