不同裂解溫度下生物炭釋放溶解性有機(jī)質(zhì)的光譜特征分析

趙 敏，陳丙法，馮慕華，陳開(kāi)寧，潘繼征*

1. 中國(guó)科學(xué)院南京地理與湖泊研究所湖泊與環(huán)境國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210008 2. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049

引 言

生物炭是由廢棄生物質(zhì)原料經(jīng)過(guò)低溫(<700 ℃)限氧裂解形成的富炭材料。近年來(lái)，因擁有較強(qiáng)的離子交換能力，較大的比表面積和孔隙體積，富含有機(jī)碳且芳香化結(jié)構(gòu)存在, 目前生物炭在土壤改良及修復(fù)中得到廣泛關(guān)注。生物炭可以促進(jìn)土壤對(duì)營(yíng)養(yǎng)鹽的保持能力，從而提高土壤質(zhì)量；同時(shí)生物炭可以絡(luò)合固定土壤中有毒有害物質(zhì) (重金屬及持久性有機(jī)物)，減輕污染物的生物可利用性[1]。然而生物炭的工程應(yīng)用受到生物炭的原料來(lái)源、 制備方法等諸多因素的制約。生物質(zhì)來(lái)源及制備條件的差異使得生物炭功能性質(zhì)差異很大，并影響其實(shí)際應(yīng)用。因此，全面掌握生物炭的性質(zhì)是工程應(yīng)用的前提。

大量研究已對(duì)生物炭的元素組成、 表面形貌、 官能團(tuán)含量及結(jié)構(gòu)、 晶體結(jié)構(gòu)、 熱解行為及熱穩(wěn)定性等理化性質(zhì)進(jìn)行了詳細(xì)報(bào)道[2]。生物炭由穩(wěn)定性不同的含碳物質(zhì)組成，制備過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生穩(wěn)定性較差的溶解性有機(jī)質(zhì)(dissolvel organic carbon, DOM)，并且很容易釋放到環(huán)境中。已有研究表明生物炭釋放的DOM會(huì)與重金屬形成絡(luò)合物，影響重金屬在環(huán)境中的毒性及歸趨[3]。此外，生物炭DOM還參與全球碳循環(huán)，有報(bào)道顯示生物炭釋放DOM含量占全球河流可移動(dòng)性DOM含量的10%[4]。顯然，在進(jìn)行大規(guī)模工程化應(yīng)用前對(duì)生物炭DOM的釋放潛能及特征進(jìn)行研究至關(guān)重要。

相比對(duì)生物炭理化性質(zhì)、 結(jié)構(gòu)特征及其應(yīng)用研究，國(guó)內(nèi)外對(duì)生物炭DOM的研究仍較少。木炭和竹炭是兩種常見(jiàn)且具有較好應(yīng)用前景的生物質(zhì)炭。裂解溫度是影響生物炭穩(wěn)定的關(guān)鍵因子，因此有必要對(duì)不同裂解溫度下竹炭和木炭釋放的DOM進(jìn)行深入研究。通過(guò)DOM光譜特征分析，可以得到DOM諸多生物地球化學(xué)特征。目前，紫外可見(jiàn)光譜、 三維熒光光譜結(jié)合平行因子法(3DEEMs-PARAFAC)等光譜分析因不破壞樣品結(jié)構(gòu)、 操作便捷、 靈敏度高、 選擇性好、 可識(shí)別光譜重疊現(xiàn)象等諸多優(yōu)點(diǎn)已被廣泛應(yīng)用于DOM研究[5-6]。與其他生物炭相比，以木炭和竹炭等為代表的植物源生物質(zhì)炭目前在土壤修復(fù)，水處理和炭隔離等方面得到廣泛研究與應(yīng)用。本文以木炭和竹炭為研究對(duì)象，研究不同裂解溫度下竹炭和木炭釋放溶解性有機(jī)質(zhì)的光譜特征，以期為生物炭DOM的環(huán)境行為研究和生物炭工程應(yīng)用提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 生物炭的制備

所用楠竹(phyllostachys pubescens)及柏木(cupressus funebris)屑用自來(lái)水洗凈后，自然風(fēng)干，在烘箱中80 ℃烘干24 h后，通過(guò)微型植物粉碎機(jī)粉碎過(guò)2 mm篩。然后將兩種過(guò)篩的生物質(zhì)原料放在坩堝中并壓實(shí)，使用真空氣氛爐對(duì)生物質(zhì)原料進(jìn)行裂解，通過(guò)反復(fù)抽真空-充氮?dú)?反復(fù)5次)去除爐膛中的空氣，以5 ℃·min-1升溫至100，200，300，400，500，600和700 ℃并炭化2 h，待馬弗爐溫度下降至室溫后取出生物炭樣品，研磨過(guò)0.15 mm篩備用。

1.2 溶解性有機(jī)質(zhì)的提取

稱取1.00 g生物炭于50 mL離心管中，加入40 mL超純水于25 ℃，180 r·min-1避光震蕩24 h, 然后在4 000 r·min-1下離心15 min，用0.45 μm濾頭(Membrana，德國(guó))過(guò)濾所得濾液即為所提生物炭DOM。所得濾液在4 ℃冰箱保存，并在5 d完成樣品分析。濾液用總有機(jī)碳測(cè)定儀(TOC5000A，島津)測(cè)定溶解性有機(jī)碳(DOC)。則生物炭水溶性(水溶性有機(jī)碳)WSOC(mg·g-1) 按如下公式計(jì)算

WSOC=Vc/m

其中，V，c和m分別為DOM溶液的體積(L)，DOC濃度(mg·L-1)和所稱取的生物炭的質(zhì)量(g)。

1.3 紫外-可見(jiàn)及三維熒光光譜分析

利用HORIBA-Fluorolog-3熒光光譜分析儀掃描樣品的三維熒光光譜，設(shè)置激發(fā)波長(zhǎng)范圍為250～450 nm，間隔為5 nm，發(fā)射波長(zhǎng)范圍為250～580 nm，間隔為1 nm。狹縫寬度為5 nm，積分時(shí)間為0.2 s。每10個(gè)樣品進(jìn)行純水的空白及拉曼校正。采用MATLAB軟件運(yùn)行drEEM和N-way數(shù)據(jù)包，對(duì)三維熒光圖譜進(jìn)行內(nèi)濾校正和PARAFAC分析。從熒光光譜中可以得到表征DOM性質(zhì)的熒光參數(shù)。其中腐殖化指數(shù)(HIX)表征DOM腐殖程度，其值越高腐殖化程度越高。自生源指數(shù)(BIX)反映新產(chǎn)生的DOM在全部DOM中所占的比例，可用于評(píng)估DOM的自生源生物活性，HIX及BIX的計(jì)算方法參考文獻(xiàn)[5]。

2 結(jié)果與討論

2.1 裂解溫度對(duì)生物炭溶解性有機(jī)碳釋放的影響

裂解溫度控制著DOC釋放，隨著裂解溫度的上升，生物質(zhì)有機(jī)組分不斷裂解，生物炭中易分解的纖維素、 半纖維組分的含量逐漸降低，溶解性有機(jī)物釋放呈現(xiàn)指數(shù)下降趨勢(shì)(圖1)。柏木和楠竹生物炭釋放DOC分別從(20.65±0.30) mg·g-1(100 ℃)下降至(0.63±0.04) mg·g-1(700 ℃)，(9.72±0.18) mg·g-1(100℃)下降至(0.43±0.02) mg·g-1(700 ℃)，與文獻(xiàn)[7]等報(bào)道的結(jié)果一致。當(dāng)裂解溫度大于400 ℃時(shí)，生物炭炭化明顯，生物炭原不穩(wěn)定有機(jī)組分(纖維素及半纖維素)已經(jīng)很低，穩(wěn)定組分占主導(dǎo)，DOC的釋放不明顯。受生物質(zhì)原料本身性質(zhì)的差異影響，柏木生物炭的DOC含量明顯大于楠竹生物炭(p<0.05)。受本身結(jié)構(gòu)特征的影響，不同來(lái)源的生物炭溶解性有機(jī)碳的釋放特征可能有所差別。如稻草生物炭溶解性有機(jī)質(zhì)釋放量在裂解溫度大于500 ℃才明顯下降[7]，不同來(lái)源生物炭溶解性有機(jī)質(zhì)的釋放的臨界溫度還需要后續(xù)大量研究數(shù)據(jù)的進(jìn)一步對(duì)比統(tǒng)計(jì)。

圖1 不同裂解溫度下楠竹生物炭和柏木生物炭溶解有機(jī)碳釋放特征Fig.1 Characteristics of dissolved organic carbon released from cypress and bamboo biochar at different pyrolysis temperatures

2.2 裂解溫度對(duì)生物炭溶解性有機(jī)質(zhì)紫外-可見(jiàn)光譜特征的影響

圖2 裂解溫度對(duì)楠竹生物炭和柏木生物炭DOM紫外可見(jiàn)光譜特征的影響Fig.2 Effect of pyrolysis temperature on ultraviolet-visible spectra of DOM released from cypress and bamboo biochar

不同裂解溫度下生物炭DOM紫外-可見(jiàn)光譜參數(shù)如表1所示，隨著裂解溫度的上升，兩種生物炭M值均存在先上升后下降的趨勢(shì)。這可能是由于在低溫裂解過(guò)程中易分解的大分子有機(jī)物首先裂解為小分子有機(jī)質(zhì)，隨著裂解溫度的繼續(xù)上升，生物質(zhì)內(nèi)部C結(jié)構(gòu)重新聚合成大分子組分。但柏木生物炭M值的峰值溫度(500 ℃)高于楠竹生物炭峰值溫度(300 ℃)，表明楠竹生物質(zhì)裂解炭化較柏木更快，大分子有機(jī)物分解迅速，且更容易在相對(duì)較低的裂解溫度下重新聚合成大分子組分。此外，楠竹生物炭DOM的M值明顯低于柏木生物炭(p<0.01)，說(shuō)明楠竹生物炭DOM相對(duì)分子大小明顯大于柏木生物炭，這也造成兩種生物炭DOM生物可利用性及與污染物結(jié)合能力的差異，相對(duì)分子量較小的DOM可能更易被生物利用, 有文獻(xiàn)報(bào)道了DOM相對(duì)分子量大小與污染物絡(luò)合呈線性關(guān)系，但定量描述還受DOM其他性質(zhì)如熒光組分的影響等。

表1 不同裂解溫度下楠竹和柏木生物炭溶解有機(jī)質(zhì)紫外-可見(jiàn)光譜參數(shù)Table 1 UV-visible spectral parameters of dissolved organic matter in cypress and bamboo biochar at different pyrolysis temperatures

SUVA254值可以表征DOM的芳香性與親疏水性。SUVA254值越大其疏水性及芳香性則越強(qiáng)，SUVA254>4 L·mg-1·m-1則表明DOM中的疏水性及芳香性物質(zhì)組分占比重大，當(dāng)SUVA254<3 L·mg-1·m-1表明DOM中的親水性組分比占主導(dǎo)[10]。本研究中，兩種生物炭DOM的SUVA254值均呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，這是因?yàn)榈蜏貤l件下，生物質(zhì)中的易分解組分(纖維素和半纖維素)快速分解，而一些難分解物質(zhì)分解較慢，從而使芳香性結(jié)構(gòu)短暫增強(qiáng)，但是隨著裂解溫度進(jìn)一步增加，疏水且芳香性強(qiáng)的組分被進(jìn)一步降解。本研究中，除楠竹生物炭在<200 ℃時(shí)，DOM組分中疏水性及芳香性較強(qiáng)外(SUVA254>4 L·mg-1·m-1)，其他裂解溫度下的兩種生物炭DOM均呈現(xiàn)較高的親水性能，這與文獻(xiàn)[7]研究的馬尾松、 豬糞和污泥生物炭的結(jié)論一致。高親水性及低芳香性說(shuō)明兩種生物炭DOM具有更多的活性官能團(tuán)，這將使得DOM與重金屬絡(luò)合能力增強(qiáng)，進(jìn)一步影響環(huán)境中的重金屬環(huán)境行為。后續(xù)裂解溫度驅(qū)動(dòng)下生物炭DOM性質(zhì)的變化如何影響污染物在環(huán)境中的遷移轉(zhuǎn)化是值得研究的科學(xué)問(wèn)題。

2.3 裂解溫度對(duì)生物炭溶解性有機(jī)質(zhì)三維熒光光譜特征的影響

通過(guò)平行因子分析分離出3個(gè)熒光組分，與OpenFluor在線數(shù)據(jù)庫(kù)中(https://openfluor.lablicate.com)目前已經(jīng)發(fā)表的熒光組分信息進(jìn)行比對(duì)，并以激發(fā)波長(zhǎng)和發(fā)射波長(zhǎng)相似度超過(guò)0.95為約束條件。3個(gè)熒光組分的光譜如圖3及表3所示，其中C1峰位于激發(fā)波長(zhǎng)305 nm和發(fā)射波長(zhǎng)420 nm處[圖3(a,d)]，屬于類腐殖質(zhì)C峰，該峰與陸源或微生物源類腐殖質(zhì)有關(guān)[11]。C2峰位于激發(fā)波長(zhǎng)367 nm和發(fā)射波長(zhǎng)487 nm處[圖3(b,e)]，屬于類腐殖質(zhì)C峰，在多種湖泊、 河口和沿海近岸水體中均有發(fā)現(xiàn)[12]。C3峰位于激發(fā)波長(zhǎng)285 nm和發(fā)射波長(zhǎng)329 nm處[圖3(c,f)]，屬于T峰，是自生源類蛋白質(zhì)，通常與微生物活動(dòng)相關(guān)，對(duì)微生物降解作用敏感[5]。

圖3 DOM組分熒光譜圖的PARAFAC模型輸出(a—c)及其驗(yàn)證結(jié)果(d—f，左峰：激發(fā)波長(zhǎng)載荷譜，右峰：發(fā)射波長(zhǎng)載荷譜)Fig.3 PARAFAC model output showing fluorescence signatures of three fluorescence components (a—c)，and split-half validation results of the three components (d—f)；excitation (left) and emission (right) loading spectra were estimated from six unique halves of model，and the overall model

表2 楠竹和柏木生物炭釋放DOM中3種熒光組分特征Table 2 Characteristics of three fluorescence components in DOM released from cypress and bamboo biochar

為定量表征裂解溫度對(duì)生物炭DOM熒光組分動(dòng)態(tài)變化的影響，以三維熒光光譜經(jīng)過(guò)PARAFAC分析后所得熒光峰值強(qiáng)度(Fmax) 來(lái)表征溶解性熒光有機(jī)物(FDOM)的變化特征[圖4(a,b)]。兩種生物炭FDOM的類腐殖質(zhì)組分(C1和C2)均在300 ℃出現(xiàn)明顯的峰值強(qiáng)度，文獻(xiàn)[14]所報(bào)道的家禽糞便生物炭在350 ℃出現(xiàn)熒光強(qiáng)度峰值的結(jié)論接近，這可能是因?yàn)樵摐囟认碌纳锾恐心z體物質(zhì)聚集，并富有羧基等物質(zhì)促進(jìn)了類腐殖質(zhì)熒光物質(zhì)的釋放。與類腐殖質(zhì)組分不同是，類蛋白組分C3 隨著裂解溫度的上升出現(xiàn)快速下降。當(dāng)溫度達(dá)到400 ℃時(shí)，3類熒光組分釋放量均已很低并隨著裂解溫度的增加而趨于平緩(<1 R.U.)，這說(shuō)明生物炭的穩(wěn)定性進(jìn)一步增強(qiáng)，F(xiàn)DOM的釋放不明顯。當(dāng)裂解溫度<200 ℃時(shí)，楠竹生物炭FDOM中類蛋白組分含量低于柏木生物炭，而類腐殖質(zhì)的含量卻相反，這說(shuō)明了兩種生物質(zhì)原料化學(xué)組成及結(jié)構(gòu)特征的差異。

圖4 裂解溫度對(duì)楠竹和柏木生物炭釋放DOM中3種熒光組分Fmax的影響Fig.4 Effects of pyrolysis temperature on Fmax of three fluorescence components of DOM released from cypress and bamboo biochar

不同裂解溫度下生物炭FDOM中三種熒光組分比重分布特征如圖5(a,b)所示，生物炭的裂解程度決定著FDOM的比重分布特征。楠竹生物炭FDOM在裂解溫度低于200 ℃時(shí)以類蛋白熒光物質(zhì)為主，當(dāng)溫度超過(guò)300 ℃時(shí)則以腐殖質(zhì)為主，熒光組分比重分布與裂解溫度的梯度變化無(wú)明顯關(guān)系。而柏木生物炭FDOM中類蛋白組分隨著溫度升高不斷降低，并于500 ℃后達(dá)到平緩，類腐殖質(zhì)隨著溫度上升而增加并于500 ℃趨于平衡，這說(shuō)明兩種生物質(zhì)原料對(duì)裂解溫度的響應(yīng)不同，柏木生物炭FDOM中熒光組分的分布受裂解溫度的影響更為敏感。

圖5 不同裂解溫度下三種熒光組分的分布特征Fig.5 Distribution characteristics of three fluorescence components at different pyrolysis temperatures

從三維熒光光譜中提取的熒光光譜參數(shù)可以有效表征水中溶解性有機(jī)質(zhì)諸多可靠信息。本研究中，在裂解溫度低于600 ℃時(shí)，兩種生物炭DOM的腐殖化指數(shù)(HIX)隨著裂解溫度的增加而增加，這表明生物炭DOM的腐殖化程度隨著裂解溫度的上升而不斷增強(qiáng)(表3)，有研究表明生物炭DOM的腐殖化程度是影響DOM與多環(huán)芳烴結(jié)合的關(guān)鍵因子[15]，較高裂解溫度下生物炭明顯增加土壤的腐殖化程度，因此相對(duì)高的裂解溫度(600 ℃)更利于土壤中多環(huán)芳烴等有機(jī)污染物的遷移轉(zhuǎn)化。值得注意的是，當(dāng)裂解溫度達(dá)到700 ℃時(shí)兩種生物炭FDOM的HIX驟然下降，這主要是因?yàn)楫?dāng)溫度高于600 ℃時(shí)，生物炭聚合的組分進(jìn)一步發(fā)生裂解從而導(dǎo)致腐殖化程度的下降。比較可知，楠竹生物炭FDOM的HIX值則明顯高于柏木生物炭，說(shuō)明楠竹生物炭FDOM腐殖化，芳香化程度、 相對(duì)分子質(zhì)量更高，含氧官能團(tuán)含量則偏低[5]。從表3可知，兩種生物炭DOM的BIX值除100 ℃時(shí)接近1外其他溫度組均明顯低于1，且裂解溫度對(duì)BIX無(wú)顯著影響(p>0.05)，這表明裂解后兩種生物炭DOM的生物活性出現(xiàn)明顯下降，裂解過(guò)程提高了生物炭穩(wěn)定性。

表3 不同裂解溫度下楠竹和柏木生物炭溶解有機(jī)質(zhì)熒光光譜參數(shù)(不同單元格字母不同代表在不同裂解溫度下差異顯著(p<0.05))Table 3 Fluorescence spectrum parameters of dissolved organic matter in cypress and bamboo biochar under different pyrolysis temperatures (Different letters for each column indicate significant differences among different pyrolysis temperatures (p<0.05))

3 結(jié) 論

通過(guò)紫外-可見(jiàn)光譜，三維熒光光譜結(jié)合平行因子法研究了不同裂解溫度下竹炭和木炭釋放溶解性有機(jī)質(zhì)的光譜特征，得到如下結(jié)論：

(1)裂解溫度是兩種生物炭DOM釋放的關(guān)鍵因子，裂解溫度越高，DOM釋放量越小，且400 ℃是所研究?jī)煞N生物炭DOM釋放的臨界裂解溫度。柏木生物炭的DOM釋放量明顯高于楠竹生物炭。

(2)裂解溫度決定了生物炭釋放DOM的紫外-可見(jiàn)光譜及熒光光譜特征，生物炭的工程化應(yīng)用會(huì)向環(huán)境中輸送紫外-可見(jiàn)及熒光發(fā)色團(tuán)，裂解溫度越低，輸送量則越大。通過(guò)PARAFAC法分離出2個(gè)類腐殖質(zhì)熒光物質(zhì)和1個(gè)類蛋白熒光物質(zhì)，低溫裂解(<200 ℃)以類蛋白熒光為主，隨著溫度上升，類腐殖質(zhì)熒光組分占主導(dǎo)。

(3)基于光譜分析，裂解溫度的差異影響兩種生物炭DOM生物地球化學(xué)特征，隨著裂解溫度上升，兩種生物炭的相對(duì)分子質(zhì)量，芳香性、 疏水性和腐殖化程度均先增大再減小，但對(duì)應(yīng)的峰值溫度各不一致。研究結(jié)論為研究?jī)煞N生物炭的工程化應(yīng)用帶來(lái)的環(huán)境效應(yīng)，如對(duì)污染物遷移轉(zhuǎn)化的影響等提供有益的參考。