活性炭國家專精特新“小巨人”企業(yè)活性炭產(chǎn)學(xué)研合作

　　我國有些地區(qū)的土壤通常是沙質(zhì)的，有機(jī)質(zhì)含量低。水容量低，經(jīng)常受到嚴(yán)重干旱的影響。在本期內(nèi)容中，我們使用廢棄生物質(zhì)材料產(chǎn)生了活性炭進(jìn)行了測試，以改善這些土壤。有幾項研究已經(jīng)表明，活性炭可以減少肥料需求，溫室氣體排放，養(yǎng)分流失和土壤侵蝕。可以減少干旱地區(qū)的負(fù)面影響，改善土壤持水能力。

　　添加活性炭的效果

　　向土壤中添加活性炭會對土壤中水的保留產(chǎn)生直接和間接的影響，這可能是持續(xù)時間短或持續(xù)時間長。直接影響與其大的內(nèi)表面積和大量的殘留孔有關(guān)，其中水被活性炭內(nèi)的孔隙作用所存儲。這改善了整體土壤孔隙并增加了土壤含水量，降低了水的流動性并減少了植物的水分脅迫。間接作用是土壤聚集和結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，從而影響了土壤的保水能力。

　　鑒于其活性炭在土壤中的行為非常復(fù)雜，有必要在相對較低的溫度下表征從不同原料獲得的活性炭表面特性和孔隙率，建立這些特性與孔隙率變化之間的關(guān)系。目前的研究目的是調(diào)查不同活性炭的持水能力，確定影響這一特性的主要因素。首先了解不同活性炭樣品的孔隙率和表面積，然后將討論陽離子交換容量和zeta電位。最后，將確定活性炭表面的表觀自由能。所有這些結(jié)果將相互關(guān)聯(lián)，以便確定影響材料持水能力的重要因素。圖1顯示了不同放大倍數(shù)下活性炭樣品的掃描電子顯微鏡(SEM)圖像。

　　圖1：不同生物質(zhì)材料制成的活性炭掃描電子顯微鏡圖像。

　　活性炭的那些參數(shù)能影響持水能力

　　不同生物質(zhì)制成的活性炭樣品呈現(xiàn)出不同的孔徑，所用的生物質(zhì)類型和熱解條件影響活性炭的表面形態(tài)和物理性質(zhì)。在所有情況下，大多數(shù)孔隙可歸類為能夠保持植物可用水的儲存孔(0.5至50μm)，活性炭的高表面積能在土壤中具有更大的持水能力。水通常占據(jù)直徑在0.5和50μm之間的孔，并改善土壤中的養(yǎng)分。

　　活性炭表面的氧化或較低的熱解溫度可導(dǎo)致附著于表面的官能團(tuán)，主要由氧，氫和碳組成。這些官能團(tuán)可與營養(yǎng)物和礦物質(zhì)結(jié)合，而稠合碳環(huán)支持氧化還原反應(yīng)，并在附著于活性炭表面的微生物群落周圍穿梭電子，可能增強(qiáng)微生物代謝和土壤中養(yǎng)分的循環(huán)。大多數(shù)活性炭樣品顯示羧酸和酚的典型pKa值，范圍為3.74至11.40。這些pKa值可以暫時歸因于形成氫鍵各種弱酸性基團(tuán)。土壤的保水率較高是由于粘土和碳的組成，盡管孔隙率對保水性有影響，但zeta電位可能與負(fù)電荷的存在有關(guān)，通過該負(fù)電荷，水合陽離子抗衡離子被吸附并保留在活性炭或土壤的表面上。

　　基于上面給出的所有結(jié)果，所以證明活性炭的持水能力歸因于任何一個參數(shù)。孔隙率和表面積顯然是一級因子，與土壤中的水分保持直接相關(guān)。但是，還應(yīng)考慮次要方面，電位是一個重要參數(shù)與孔隙率和表面積協(xié)同作用的效應(yīng)。固體表面能及其極性和分散成分也可能與保水有關(guān)。

　　使用顯微鏡和BET等溫線表征的孔隙率是活性炭影響保水性的重要因素。然而，其他次要參數(shù)也能影響活性炭的持水能力，包括zeta電位和陽離子交換容量。這兩個重要因素與水合離子在活性炭表面的吸附有關(guān)，并與保水性有關(guān)。所有活性炭都是疏水性的，只有很小的極性組分。該組分似乎也有助于保水能力，因為具有較大極性組分的活性炭顯示出更高的保水效率。

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