孙
涛1，朱新萍1，李典鹏1，顾祝禹1，张佳喜2，贾宏涛1*
（1.新疆农业大学草业与环境科学学院，新疆乌鲁木齐830052；2.新疆农业大学机械交通学院，新疆乌鲁木齐830052）
收稿日期：2017-06-14录用日期：
2017-09-13基金项目：中科院战略先导项目（XDA05050504）；大学生创新研究项目
（DXSCX92016040）作者简介：孙涛（1995—），男，江苏盐城人，主要从事农业资源与环境相关研究。E-mail ：
*****************通信作者：贾宏涛E-mail ：
******************摘要：为研究不同原料生物炭理化性质的差异，以苜蓿秸秆生物炭、
小麦秸秆生物炭、棉花秸秆生物炭、葡萄藤生物炭、污泥生物炭和褐煤生物炭6种生物炭为测试材料，利用傅里叶红外光谱仪和Boehm 滴定法对生物炭表面官能团进行定性和定量分析，用电子扫描显微镜观察生物炭表面形貌，并测定生物炭的pH 值、有机碳含量和阳离子交换量等基本理化性质。结果表明，除污泥生物炭呈弱酸性外（pH=6.76），其他生物炭均呈碱性
（pH=8.49~9.96）。苜蓿秸秆生物炭有机碳含量最高（588.43g ·kg -1），污泥生物炭最低（168.17g ·kg -1）。阳离子交换量大小排序为，苜蓿秸秆生物炭、棉花秸秆生物炭>葡萄藤生物炭>小麦秸秆生物炭>污泥生物炭>褐煤生物炭。FTIR 图谱表征显示，生物炭表面存在芳香烃类和含氧基团，生物炭的结构以芳环骨架为主。苜蓿生物炭表面官能团总数最多，污泥生物炭最少。扫描电镜（SEM ）结果表明，苜蓿秸秆生物炭、小麦秸秆生物炭、棉花秸秆生物炭、葡萄藤生物炭表面有明显孔隙结构，褐煤生物炭和污泥生物炭表面并无明显的孔隙结构。综上，苜蓿秸秆生物炭、小麦秸秆生物炭、棉花秸秆生物炭、葡萄藤生物炭适用农田土壤改良与培肥，褐煤生物炭和污泥生物炭可尝试用于污染土壤的修复，同时污泥生物炭可用于盐碱土的改良。关键词：生物炭；原料；
理化性质中图分类号：X71文献标志码：A 文章编号：2095-6819（2017）
06-0543-07doi :10.13254/j.jare.2017.0158
Comparison of Biochars Characteristics from Different Raw Materials
SUN Tao 1,ZHU Xin-ping 1,LI Dian-peng 1,GU Zhu-yu 1,ZHANG Jia-xi 2,JIA Hong-tao 1*
（1.College of Grassland and Environmental Sciences,Xinjiang Agricultural University,Urumqi 830052,China;2.Mechanical and Traffic College,Xinjiang Agricultural University,Urumqi 830052,China ）
Abstract ：Biochar is the carbon-rich product from biomass under limited supply of oxygen.Biochar has been well recog
nized in enhancing terrestrial carbon sequestration and greenhouse gas mitigation as well as in improving soil fertility and plant productivity.To explore the differences of biochars produced from different raw materials,six biochar samples made from alfalfa straw ,wheat straw,cotton straw,grape vines,sludge and lignite were selected as test material.Qualitative and quantitative analysis by fourier transform infrared spectroscopy
（FTIR ）and Boehm titration were used to determine the amount of the surface functional groups of biochars.Meanwhile the scanning electron microscopy （SEM ）was used to characterize the surface morphology of biochar samples.In addition,the basic physicochemical characteristics
of biochar samples,such as pH value,organic carbon content and cation exchange capacity were also determined.The results showed that all of the biochar were alkaline except the sludge biochar was acidic.The organic carbon content of alfalfa biochar was the highest （588.43g ·kg -1）and sludge biochar was the lowest （168.17g ·
孙涛kg -1）.Furthermore,the rank of cation exchange capacity was alfalfa straw biochar,cotton straw biochar >grape vine biochar >wheat straw biochar >sludge biochar >lignite biochar.FTIR spectrum showed that there were the aromatic hydrocarbon and the oxygen group on the surface of biochar and the structure of biochar was mainly based on the aromatic rings skeleton.The total functional groups content of alfalfa straw biochar was the highest,but that of sludge biochar was the lowest.The SEM results showed
农业资源与环境学报
2017年11月·第34卷·第6期：
543-549November 2017·Vol.34·
No.6：543-549Journal of Agricultural Resources and Environment
孙
涛，朱新萍，李典鹏，等.不同原料生物炭理化性质的对比分析[J].农业资源与环境学报,2017,34（6）
:543-549.SUN Tao,ZHU Xin-ping,LI Dian-peng,et al.Comparison of Biochars Characteristics from Different Raw Materials [J].Journal of Agricultural Resources and Environment ,2017,34（6）
:543-549.. All Rights Reserved.
农业资源与环境学报·第34卷·第6期
图1不同原料生物炭pH 值的比较
Figure 1Comparison of biochar pH value from different raw
materials
that there were obvious pore structure on the surface of plant-based biochar,but none on the surface of mineral-based biochar.Alfalfa straw biochar,wheat straw biochar,cotton straw biochar and grape vine biochar can be applied to improve farmland soil quality and increase soil fertility,and lignite biochar and sludge biochar can be used to remediate contaminated soil,moreover sludge biochar can be used for reclamation of saline-alkali soils.
Keywords ：biochar;raw material;physicochemical properties
生物炭是生物质材料在限氧、低温（<700℃）环境下，经加热分解最终获得的一种碳含量丰富的固态产物[1]。因其表面具有丰富的孔隙结构[2]，以及稳定的
脂肪族链状结构和高度芳香化结构，
使其具有很好的吸附性和稳定性[3]，已成为在增加碳固存和修复土壤
环境方向的一种新材料[4-6]。生物炭一般呈碱性，养分含量较高，也可用于农田土壤的改良，增加土壤肥力、改善土壤的结构[7-9]。生物炭的性质与炭化工艺有着很密切的联系[10-13]，炭化时间和炭化温度对生物炭性质有着显著的影响，且随着炭化温度的升高、炭化时间的延长，生物炭的有机碳含量、阳离子交换量都随之降低，而灰分、比表面会逐渐上升[14-16]。同时，炭化原料也会对生物炭的性质产生一定影响[17-19]，原料与生物炭表面官能团的种类和数目以及表面
化学性质都有
极大的关系[20-21]
。生物炭的应用范围已经涉及到环境修复、
土壤改良等多个领域。目前对生物炭生产工艺的研究较多，但即使炭化加工参数相同，不同原材料制成的生物炭也
存在一定差异，从而影响到其应用的领域和范围。为此，本研究以苜蓿秸秆生物炭、小麦秸秆生物炭、葡萄藤生物炭、污泥生物炭和褐煤生物炭6种生物炭为研究材料，探究不同原料生物炭性质的差异，为工农业废弃物生物炭制备工艺及其应用推广提供参考数据。
1
材料与方法
1.1生物炭材料
苜蓿秸秆生物炭（400℃、4h ）、小麦秸秆生物炭
（400℃、4h ）、棉花秸秆生物炭（360℃、24h ）、葡萄藤
生物炭（400℃、24h ）来自新疆农业大学草业与环境科学学院，污泥生物炭（600℃、0.5h ）、褐煤生物炭
（600℃、0.5h ）由密西西比国际（中国）水务有限公司提供。
1.2分析方法
生物炭的pH 值采用水浸提法（GB/T 12496.7—1999），有机碳含量采用K 2Cr 2O 7-浓H 2SO 4外加热法，阳离子交换量采用乙酸钠-火焰光度计法。官能团定
性分析采用傅里叶红外光谱（WQF -510，China ），官能团定量分析采用Boehm 滴定法[22]。生物炭微结构观测
使用电子显微镜（Hitachi S -570型）。1.3统计方法
实验数据使用Excel2003、
Origin9.0和SPSS19.0进行统计与绘图，采用单因素方差分析（ANOVA ）及多重比较（LSD ）进行数据显著性分析。
2
结果与讨论
2.1不同原料生物炭pH 值的比较
生物炭施入土壤中，会引起土壤pH 值的改变，从而会导致土壤氮素矿化、
废料质沉淀、温室气体排放等一系列问题[23-25]。因此，生物炭作为土壤改良剂
时，其本身的pH 值是不可忽略的因素。大多数研究表明，生物炭一般呈碱性[26-28]。本研究中，
除污泥生物炭呈弱酸性外，其他生物炭均呈碱性。如图1所示，苜蓿秸秆生物炭、小麦秸秆生物炭、
棉花秸秆生物炭、葡萄藤生物炭、污泥生物炭、褐煤生物炭的pH 值分别为9.81、9.75、9.55、9.96、6.76、8.49。比较不同原料生
物炭的pH 值发现，葡萄藤生物炭>苜蓿秸秆生物炭、小麦秸秆生物炭>棉花秸秆生物炭>褐煤生物炭>污泥生物炭。原料性质的差异，导致其制成生物炭的pH 值也有一定差异。苜蓿秸秆、小麦秸秆、棉花秸秆、葡萄藤本身均含有多种植物酸，在炭化过程中，植物中
的酸不断分解，灰分不断生产，从而导致了生物炭pH
苜蓿秸秆原料Raw material
11.010.09.08.07.06.05.04.0
e
褐煤
d
a
c
b
b 污泥
葡萄藤
棉花秸秆小麦秸秆. All Rights Reserved.
2017年11月
苜蓿秸秆原料Raw material
6050403020100
d
褐煤
e
b
a
c
a
污泥葡萄藤
棉花秸秆小麦秸秆值的升高[29]。褐煤中含有一定的矿质元素，
随着生物质不断被热解，生物炭的产量逐渐降低，使得原料中的矿质元素含量逐渐升高，
从而使得生物炭呈碱性[30]。Hossain 等[31]也发现污泥生物炭呈酸性，这可能与较
低的炭化温度和较短的炭化时间有关。2.2不同原料生物炭有机碳含量的比较
生物炭富含有机碳，施于土壤中可增加土壤肥力，
从而提高作物的产量[32]；同时也被作为一种碳封存剂
施于土壤中，来增加陆地碳封存、
减少温室气体的排放[33-34]。如图2所示，苜蓿秸秆生物炭、小麦秸秆生物炭、棉花秸秆生物炭、葡萄藤生物炭、
污泥生物炭和褐煤生物炭的有机碳含量分别为588.43、
539.95、578.70、503.97、168.17、193.85g ·kg -1。比较不同原料生物炭的
有机碳含量发现，苜蓿秸秆生物炭>棉花秸秆生物
炭>小麦秸秆生物炭>葡萄藤生物炭>褐煤生物炭>污泥生物炭。同时可以发现，
植物类原料生物炭的有机碳含量显著高于矿物类原料生物炭，这与许艳萍等[35]和Khanmohammadi 等[36]研究结果一致。主要是因为绿植物本身具有固碳功能[37]
，使其含有较高有
机碳；而污泥、褐煤本身的有机碳含量较低。
这表明原料有机碳含量对生物炭有机碳含量有着较大的影响。2.3不同原料生物炭CEC 的比较
CEC （阳离子交换量）通常被确认为是土壤固定阳离子能力的重要指标，阳离子交换量能够反映出生物炭表面的负电荷参数，其大小也决定了生物炭对土壤中阳离子的持留能力。生物炭的离子吸附交换能力
能够增强土壤的阴阳离子交换，
从而增强土壤的保水保肥能力[38-40]。如图3所示，苜蓿秸秆生物炭、小麦秸秆生物炭、棉花秸秆生物炭、
葡萄藤生物炭、污泥生物炭、褐煤生物炭的阳离子交换量分别为49.24、
34.91、49.56、41.60、33.25、25.02cmol ·
kg -1。比较不同原料生物炭的阳离子交换量发现，
苜蓿秸秆生物炭、棉花秸秆生物炭>葡萄藤生物炭>小麦秸秆生物炭>污泥生物炭>褐煤生物炭。
2.4不同原料生物炭表面官能团分析
2.4.1不同原料生物炭表面官能团的定性分析
FTIR 图谱能够表征生物炭表面不同的官能团，6
种生物炭的特征吸收峰大致相同，
均在3429、2921、2845、1622、1577、1506、1384、795cm -1处都有较为
明显的吸收峰（图4）。在3429cm -1处的伸缩振动宽
峰，表明不同原料的生物炭均有明显的-OH ，在2921cm -1和2845cm -1的吸收峰主要是生物炭中脂肪烃或环烷烃中-CH 2伸缩振动而引起的，
C=C 的吸收峰出现在1622cm -1处，
1577、1506cm -1处的吸收峰能够清晰地显示苯环的存在，
这表明生物质在炭化过程苜蓿秸秆原料Raw material
7006005004003002001000
f
褐煤
e
d
b
c
a
污泥葡萄藤
棉花秸秆小麦秸秆图2不同原料生物炭有机碳含量的比较
Figure 2Comparison of biochar organic carbon content from
different raw materials
图3不同原料生物炭阳离子交换量的比较
Figure 3Comparison of biochar cation exchange capacity from
different raw materials
图4不同原料生物炭的红外光谱图
Figure 4FTIR of biochar from different raw materials
A 、
B 、
C 、
D 、
E 、
F 分别代表的是苜蓿秸秆生物炭、小麦秸秆生物炭、棉花
秸秆生物炭、葡萄藤生物炭、污泥生物炭、褐煤生物炭。
A ，
B ，
C ，
D ，
E ，
F represents alfalfa straw biochar ，wheat straw biochar ，cotton straw biochar ，grape vines biochar ，sludge biochar and lignite biochar,
respectively
Wavenumber/cm -1
500
C-C
Si-O A B C D E F -CH 2
1000-OH
4000
200025003000
35001500C=C
C-O
C-H -CH 2
Aromatic
Aromatic 孙涛，等：不同原料生物炭理化性质的对比分析
. All Rights Reserved.
农业资源与环境学报·第34卷·第6期
中，已经形成了良好的芳香结构。
1300cm -1以下的区域为红外光谱的指纹区，
在795cm -1处6种生物炭均有较强的芳环C -H 弯曲振动吸收峰。在1027cm -1
处，仅有污泥生物炭有较强的吸收峰，
此峰代表的污泥生物炭具有Si -O -C 或Si -O -Si 结构，这可能与污泥生物炭灰分中含Si 元素有关。在864cm -1处，相较于
矿物类生物炭（污泥生物炭和褐煤生物炭），植物类生物炭（苜蓿秸秆生物炭、小麦秸秆生物炭、
棉花秸秆生物炭、葡萄藤生物炭）有着明显的C -O 的吸收峰。这主要是由于植物类生物炭原料中含有较为丰富的纤维
素和糖类物质。根据6种生物炭的红外图谱可以准确地判断出生物炭的结构主要以芳环骨架为主[41-43]
。2.4.2不同原料生物炭表面官能团的定量分析
Boehm 滴定法是根据不同的酸碱与不同的含氧
官能团的反应特征，对物质表面的官能团进行定量分
析。生物炭具有丰富的孔隙结构，在炭化过程中，有一部分孔隙会被损坏，使得生物炭表面的结构发生改变，而氢原子和氧原子则会吸附在一些被破坏的孔隙上，从而会形成一些含氧官能团[44]。生物炭表面官能
团的数量和种类对生物炭的表面物理、
化学性质都有着很大的影响，而含氧官能团是生物炭表面最主要的官能团，其影响着生物炭对养分、
水分以及一些金属离子的吸附能力[45-46]。
从表1中可以看出，原材料对生物炭表面的含氧官能团有着一定的影响。苜蓿秸秆生物炭的总官能团
数目要显著大于其他生物炭，
而污泥生物炭的总官能团数是6种生物炭中最低的（P <0.05）。比较不同生物炭表面的含氧官能团数目可以发现，苜蓿秸秆生物
炭>棉花秸秆生物炭>葡萄藤生物炭>小麦秸秆生物炭>褐煤生物炭>污泥生物炭。
2.5不同原料生物炭SEM 分析
不同原料生物炭的扫描电镜图如图5所示，
从图中可以看出，苜蓿秸秆生物炭、小麦秸秆生物炭、棉花秸秆生物炭、葡萄藤生物炭表面均有明显的孔隙结构，
图5不同原料生物炭的扫描电镜图
Figure 5SEM images of biochars from different raw materials
A 、
B 、
C 、
D 、
E 、
F 分别代表的是苜蓿秸秆生物炭、小麦秸秆生物炭、棉花秸秆生物炭、葡萄藤生物炭、污泥生物炭、褐煤生物炭
A ，
B ，
C ，
D ，
E ，
F represents alfalfa straw biochar ，wheat straw biochar ，cotton straw biochar ，grape vines biochar,sludge biochar ，lignite biochar,
respectively
表1生物炭表面官能团含量（mmol ·
g -1）Table 1Amounts of functional groups of biochars （mmol ·
g -1）原料羧基内酯基酚羟基碱性官能团总官能团数目苜蓿秸秆0.36b 0.67c 0.48c 2.72f 4.23a 小麦秸秆0.39a 0.61d 0.60a 1.47c 3.07d 棉花秸秆0.34cd 0.74b 0.55b 2.09e 3.72b 葡萄藤0.31ef 0.76b 0.33d 1.72d 3.12c 污泥0.32de 0.52e 0.24e 0.54a 1.62f 褐煤
0.29f
0.82a
0.29d
0.85b
2.25e
. All Rights Reserved.
2017年11月
但孔隙的结构、数目均有一定的差异。苜蓿秸秆生物炭、小麦秸秆生物炭、棉花秸秆生物炭和葡萄藤生物炭表面
孔隙结构排列整齐，形状各异，且苜蓿秸秆生物炭、小麦秸秆生物炭和葡萄藤生物炭表面的孔隙数目显著多于棉花秸秆生物炭，而棉花生物炭表面虽然有明显的孔隙结构，但可能由于炭化时间过长使得孔隙结构遭到一定的破坏。褐煤生物炭和污泥生物炭表面并无明显的孔隙结构，污泥生物炭表面粗糙、富含颗粒，褐煤生物炭表面较为光滑，同时也有颗粒附着在表面。
3结论
通过不同原料生物炭性质与结构的比较分析可
以得出以下结论：
（1）除污泥生物炭呈弱酸性外，其他生物炭均呈碱性。
6种生物炭pH 值的大小顺序为葡萄藤生物炭>苜蓿秸秆生物炭、小麦秸秆生物炭>棉花秸秆生物炭>褐煤生物炭>污泥生物炭。生物炭的有机碳含量
较高，不同原料生物炭有机碳含量有一定差异，
大小顺序为：苜蓿秸秆生物炭>棉花秸秆生物炭>小麦秸
秆生物炭>葡萄藤生物炭>褐煤生物炭>污泥生物炭。
本研究中生物炭的阳离子交换量为25~49cmol ·kg -1，大小顺序为苜蓿秸秆生物炭、棉花秸秆生物炭>葡萄
藤生物炭>小麦秸秆生物炭>污泥生物炭>褐煤生物
炭。
（2）
FTIR 红外表征显示，6种生物炭表面都存在芳香烃类和含氧基团，并可以得出生物炭结构以芳环
骨架为主。苜蓿生物炭的表面总官能团数含量最多，
污泥生物炭含量最少，并且除污泥生物炭外，其他5种生物炭的碱性官能团数目均大于酸性官能团数目。（3）苜蓿秸秆生物炭、小麦秸秆生物炭、棉花秸秆生物炭、葡萄藤生物炭表面均有明显的孔隙结构，
但孔隙的结构、数目均有一定的差异。褐煤生物炭和污泥生物炭表面并无明显的孔隙结构。
综上，6种生物炭表面含有丰富的官能团和孔隙结构，其他理化性质也略有不同。植物类生物炭有机
碳含量和阳离子交换量显著高于矿物类生物炭，更适于农田土壤改良与培肥；污泥生物炭和褐煤生物炭可在污染土壤的修复实践中进行应用。同时，污泥生物炭为弱酸性，因此施用污泥生物炭可为盐碱土的改良
提供新思路。
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