不同反應條件下番茄秸稈水熱生物炭的理化性質(zhì)和微觀結(jié)構(gòu)變化

黃家慶，劉岑薇，葉 菁，王義祥，2，任麗花

（1.福建省農(nóng)業(yè)科學院 農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所/福建省紅壤山地農(nóng)業(yè)生態(tài)過程重點實驗室，福建 福州 350013；2.福建省農(nóng)業(yè)科學院 土壤肥料研究所，福建 福州 350013；3.福建省農(nóng)業(yè)科學院 農(nóng)業(yè)質(zhì)量標準與檢測技術研究所，福建福州 350003）

番茄（Solanum lycopersicumL.）是我國栽培較廣和消費量較大的1 年生蔬菜作物之一[1]。1990—2022 年，我國番茄的種植面積和總產(chǎn)量持續(xù)快速增加，每年產(chǎn)生大量番茄秸稈廢棄物[1‐2]。番茄秸稈被大量棄置，不僅滋生病菌和污染環(huán)境，還浪費大量有機物質(zhì)[3]。目前，我國很多地區(qū)依然采取直接棄置和焚燒的方式處理大量廢棄的番茄秸稈，造成嚴重的環(huán)境污染問題和秸稈資源浪費[4‐5]，如何處理這些番茄秸稈廢棄物成為一個亟待解決的問題。

水熱炭化法作為一種經(jīng)濟、環(huán)境友好型的生物質(zhì)資源高效轉(zhuǎn)化利用技術受到越來越多的關注。水熱反應得到以碳為主體的富含碳、含氧官能團豐富、熱值高的黑色固體產(chǎn)物[6]。水熱炭化屬于自由基反應，包括大分子解聚為小分子和小分子片段重新聚合為大分子2個主要過程，涉及到水解、脫水聚合、脫羧、羥醛縮聚、芳構(gòu)化、芳香化等反應[7]，將有機質(zhì)炭化成富含碳的黑色固體物質(zhì)[8]，形成具有疏水芳香核和高濃度活性氧官能團（即羥基/苯酚、羰基或羧基）的富碳固體[9‐10]。水熱炭化法具有炭化溫度低（150～375 ℃）、原材料不受水分含量限制、能耗少等優(yōu)良特性[10‐11]。與傳統(tǒng)的干熱炭化法相比，水熱炭化法可處理含水量高的廢棄生物質(zhì)，且處理設備簡單易用、原料制備簡便，具有在溫和條件下高效碳固定，以及在產(chǎn)品表面殘留豐富的官能團等特性。水熱炭化法以相對便宜和可持續(xù)的方式將農(nóng)業(yè)有機廢棄物轉(zhuǎn)化為高價值的碳材料[12]，同時操作方便和應用規(guī)模可調(diào)節(jié)性強[13]，在緩解秸稈資源浪費和解決農(nóng)業(yè)廢棄物環(huán)境污染等方面有著巨大的應用潛力[14]。秸稈、果殼、木屑等生物有機質(zhì)主要由蛋白質(zhì)、脂肪、纖維素、半纖維素、木質(zhì)素等物質(zhì)組成，是制備水熱生物炭的主要原料[6，15]。近幾年，國內(nèi)外開展水熱炭化研究的農(nóng)業(yè)廢棄物有秸稈、木屑、瓜子皮、茶葉、樹葉、核桃殼等，并在水熱炭化產(chǎn)物的性能及治理環(huán)境應用方面進行了深入研究[16]。水熱炭化法因其工藝簡單、反應條件溫和及目標固體產(chǎn)物可作為土壤改良劑，近年來受到越來越多的關注[11]。水熱生物炭在吸附、多孔炭制備、清潔能源等領域展現(xiàn)出良好的應用前景[6]。為此，以番茄秸稈廢棄物為原料，通過設置不同的炭化溫度和裂解時間，分析不同炭化條件對番茄秸稈水熱生物炭（TSHB）外形、理化性質(zhì)、功能基團、微觀結(jié)構(gòu)的影響，旨在為番茄秸稈資源化利用和水熱生物炭材料的開發(fā)利用提供參考。

1 材料和方法

1.1 供試材料

番茄秸稈來源于福建某企業(yè)采果后的廢棄產(chǎn)物，集中收割后曬干，用植物粉碎機粉碎至長度<3 cm。

1.2 番茄秸稈水熱生物炭制備方法

采用水熱炭化法制備番茄秸稈水熱生物炭，炭化溫度分別為180、220、260 ℃，保持時間分別為2、4、6、8 h，試驗采用雙因素完全隨機設計，共計12 個處理，每個處理重復3 次。炭化時將番茄秸稈放入反應釜（HTLAB HT Reactor，HT-1000FJ，上海霍桐實驗儀器有限公司），按料水比1∶5加入ddH2O 并確保沒過所有番茄秸稈。水熱炭化反應條件：密封，恒定電壓220 V，升溫速率5 ℃/min，外接自來水作為儀器的冷卻水，將溫度升至設定的溫度后，開始計算水熱炭化的保持時間。水熱炭化反應結(jié)束后，切斷儀器電源，反應釜自然冷卻至室溫，關停冷卻水；打開放氣閥，待反應釜壓力與外界一致時，打開反應釜蓋子，分別回收煤焦油和水熱生物炭。固相水熱生物炭產(chǎn)物以4 000 r/min 的轉(zhuǎn)速進行離心收集，用ddH2O 洗滌3次（也可以用定性濾紙進行慢速過濾和充分洗滌），在鼓風干燥箱60～80 ℃條件下干燥至恒定質(zhì)量。用電子天平準確稱量水熱生物炭產(chǎn)物的質(zhì)量，計算水熱生物炭中總有機碳含量，進行后續(xù)的測試分析。

1.3 番茄秸稈水熱生物炭理化性質(zhì)測定

水熱生物炭全氮含量測定采用凱氏定氮法；電導率（EC）值和pH 值按固液比1∶10 利用pH 計和電導率儀測定；灰分、揮發(fā)分含量測定按照GB/T 212—2008 執(zhí)行；固定碳含量指有效碳素的百分含量，以100%減去灰分及揮發(fā)分含量進行計算，固定碳含量=100%-灰分含量-揮發(fā)分含量。固定碳就是生物炭去除灰分和揮發(fā)分后的殘留碳素[17]。

1.4 番茄秸稈水熱生物炭功能基團分析

番茄秸稈水熱生物炭過夜烘干（50 ℃）去除水分后，將水熱生物炭和KBr 混合（生物炭∶KBr=1∶100），在瑪瑙研缽中碾磨成粉末。用傅立葉變換紅外（Fourier transform infrared spectroscopy，F(xiàn)TIR）光譜儀（Nicolet iS 50 FT-IR，Thermo Fisher Scientific，USA）分析波長400～4 000 cm-1的生物炭官能團。FTIR測試數(shù)據(jù)利用Omnic 8.20軟件進行處理。

1.5 番茄秸稈水熱生物炭掃描電鏡觀察

取完整的水熱生物炭樣品用無菌水清洗以去除表面的雜質(zhì)和煤焦油，然后以醛類物質(zhì)和OsO?固定水熱生物炭并用乙醇進行脫水處理，二氧化碳臨界干燥后用EIKO 離子濺射儀噴金，利用JSM-6380LV 掃描電鏡觀察。以未炭化（0 h標示）的番茄秸稈作為對照組（CK）。

1.6 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析采用IBM SPSS 23.0 統(tǒng)計軟件或者 R 軟 件（R-4.0.2，https://www.r‐project.org/；RStudio-1.4.1717，https://www.rstudio.com/）。用Origin Pro 2017Sr2H 或 者Microsoft Excel 2019 繪 制 數(shù) 據(jù) 分析圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 番茄秸稈水熱生物炭的形貌特征觀察和炭化效率分析

在180 ℃炭化條件下，番茄秸稈仍然呈現(xiàn)原來的條狀，炭化程度較低（圖1A—1D）；220 ℃炭化條件下，番茄秸稈明顯被裂解成塊狀和粉末的水熱生物炭，炭化程度進一步提高（圖1E—1H）；260 ℃炭化條件下，番茄秸稈均已被炭化成粉末狀，顯著提高了番茄秸稈的炭化程度和裂解效率（圖1I—1L）。提高炭化溫度可顯著提高番茄秸稈炭化程度，從而改變番茄秸稈水熱生物炭的形貌結(jié)構(gòu)。相同的炭化溫度下，通過延長裂解時間并不能明顯改變番茄秸稈水熱生物炭的形貌結(jié)構(gòu)。水熱炭化溫度是促進番茄秸稈裂解的關鍵影響因素，直接決定番茄秸稈炭化效率和形貌結(jié)構(gòu)。

圖1 不同反應條件下番茄秸稈水熱生物炭的形貌特征Fig.1 Morphological characteristics of TSHB under different reaction conditions

2.2 炭化溫度和裂解時間對番茄秸稈水熱生物炭總有機碳含量的影響

在相同的裂解時間間隔下（2～8 h），180、220、260 ℃番茄秸稈水熱生物炭的總有機碳含量分別為49.50%～51.74%、56.63%～65.10%、60.13%～80.98%；在相同的炭化溫度間隔下（180～260 ℃），2、4、6、8 h番茄秸稈水熱生物炭的總有機碳含量分別為49.50%～60.13%、51.74%～74.19%、49.39%～77.11%、51.07%～80.98%（圖2A）。炭化溫度設定為180、220、260 ℃時，與裂解時間2 h 得到的番茄秸稈水熱生物炭總有機碳含量相比，當裂解時間從2 h 延長到8 h，番茄秸稈水熱生物炭總有機碳含量增加的幅度分別達到1.57、8.47、20.85 個百分點。裂解時間設定為2、4、6、8 h時，與炭化溫度180 ℃得到的番茄秸稈水熱生物炭總有機碳含量相比，當炭化溫度從180 ℃提高到260 ℃，番茄秸稈水熱生物炭產(chǎn)率增加的幅度分別達到10.63、22.45、27.72、29.91個百分點。提高炭化溫度和延長裂解時間均顯著增加番茄秸稈水熱生物炭總有機碳含量，但相對于延長裂解時間，提高炭化溫度更有效增加番茄秸稈水熱生物炭的總有機碳含量。

圖2 不同反應條件下番茄秸稈水熱生物炭的產(chǎn)率和理化性質(zhì)Fig.2 Yield and physicochemical properties of TSHB under different reaction conditions

2.3 番茄秸稈水熱生物炭的理化性質(zhì)和主要成分分析

提高炭化溫度能增加番茄秸稈水熱生物炭的灰分，增加幅度達到1.82～3.09 個百分點（圖2B），260 ℃炭化溫度時番茄秸稈水熱生物炭灰分增加最為明顯，并在260 ℃（4 h）時達到最高（5.89%）。在180～260 ℃和2～8 h條件下，水熱裂解制備的番茄秸稈水熱生物炭均為酸性生物炭（pH 值5.13～5.33）（圖2C）。提高炭化溫度能增加番茄秸稈水熱生物炭pH值（0.09～0.14），并在260 ℃炭化溫度時獲得較高pH 值（5.23～5.33），但延長裂解時間（2～8 h）降低番茄秸稈水熱生物炭pH 值（0.01～0.08）。提高水熱炭化溫度顯著增加番茄秸稈水熱生物炭pH 值，而相同的炭化溫度下，延長裂解時間不能明顯改變番茄秸稈水熱生物炭pH 值。采用220 ℃水熱炭化溫度制備的番茄秸稈水熱生物炭均有較高的EC 值，除了180 ℃（2 h）處理，采用180 ℃和260 ℃制備的番茄秸稈水熱生物炭EC值差異較?。▓D2D）。當炭化溫度設定為180、220、260 ℃時，裂解時間從2 h增加到8 h，番茄秸稈水熱生物炭EC 值降低1 233、1 686、2 088μs/cm。延長裂解時間能顯著減少番茄秸稈水熱生物炭EC值（18.19%～26.92%）。

當裂解時間為2、4、6、8 h時，炭化溫度從180 ℃增加260 ℃，番茄秸稈水熱生物炭全氮含量分別增加0.87、0.72、0.60、0.58 個百分點；當炭化溫度為180、220、260 ℃時，裂解時間從2 h 延長到8 h，番茄秸稈水熱生物炭的全氮含量分別減少0.06、0.40、0.36 個百分點（圖2E）。260 ℃和2 h 的水熱炭化條件，番茄秸稈水熱生物炭的全氮含量達到最大值（1.42%）。提高炭化溫度能顯著增加番茄秸稈水熱生物炭全氮含量，而延長裂解時間卻減少其全氮含量。當炭化溫度為180、220、260 ℃時，裂解時間從2 h 延長到8 h，番茄秸稈水熱生物炭固定碳含量增加幅度分別達到2.23、12.89、13.25 個百分點；當裂解時間設定為2、4、6、8 h時，炭化溫度從180 ℃提高到260 ℃，番茄秸稈水熱生物炭固定碳含量增加幅度分別達到16.53、27.99、27.53、27.55 個百分點（圖2F）。提高炭化溫度和延長裂解時間，番茄秸稈水熱生物炭的揮發(fā)分含量分別減少18.35～30.97 個百分點和2.46～15.02 個百分點（圖2G）。番茄秸稈水熱生物炭全磷含量為0.11%～0.13%，提高炭化溫度和延長裂解時間均顯著減少番茄秸稈水熱生物炭全磷含量（圖2H）。提高炭化溫度和延長裂解時間均顯著增加番茄秸稈水熱生物炭固定碳含量，但顯著減少番茄秸稈水熱生物炭揮發(fā)分含量和全磷含量，其中提高炭化溫度更有效增加固定碳含量和減少揮發(fā)分含量。

2.4 番茄秸稈水熱生物炭功能基團的種類及其數(shù)量分析

180 ℃水熱裂解2～8 h 制備的番茄秸稈水熱生物炭，共有3處吸收峰發(fā)生改變（圖3A），主要與C-O伸縮振動、C=O 伸縮吸收、C-N 伸縮振動吸收有關，以及脂肪醚的C-O 伸縮振動、C-N 伸縮振動吸收、C-O-C 強吸收[37]。較低的水熱炭化溫度（180 ℃）時，延長裂解時間可改變番茄秸稈水熱生物炭的部分功能基團。220 ℃水熱炭化2～8 h 得到的番茄秸稈水熱生物炭，僅由1 處吸收峰發(fā)生改變（圖3B），主要是烷烴的C-H 彎曲振動和胺的C-N 伸縮振動吸收。220 ℃水熱炭化溫度下，通過延長裂解時間已不能有效增加番茄秸稈水熱生物炭的功能基團數(shù)量，且番茄秸稈水熱生物炭功能基團的變化幅度較180 ℃少得多。260 ℃水熱裂解2～8 h 得到的番茄秸稈水熱生物炭，僅有2處吸收峰發(fā)生改變，但改變并不明顯（圖3C），主要是飽和脂肪酸酯的C-O伸縮振動、C=O 伸縮吸收、C-N 伸縮振動吸收、C=O 強吸收。較高的水熱炭化溫度（260 ℃）下，延長裂解時間不能明顯改變番茄秸稈水熱生物炭的功能基團。相同的炭化溫度下，通過延長裂解時間并不能明顯改變番茄秸稈水熱生物炭的功能基團。相對于180 ℃和260 ℃的炭化溫度，220 ℃可顯著增加番茄秸稈水熱生物炭的功能基團數(shù)量。而260 ℃制備的番茄秸稈水熱生物炭功能基團數(shù)量較180 ℃條件下明顯減少。水熱炭化溫度是決定番茄秸稈水熱生物炭功能基團的關鍵因素，通過調(diào)節(jié)水熱炭化溫度可以控制番茄秸稈水熱生物炭功能基團的種類和數(shù)量。

圖3 不同反應條件下番茄秸稈水熱生物炭功能基團變化Fig.3 Functional group changes of TSHB under different reaction conditions

2.5 番茄秸稈水熱生物炭的微觀結(jié)構(gòu)觀察

掃描顯微鏡觀察結(jié)果顯示，180 ℃和2～8 h炭化條件下，番茄秸稈水熱生物炭的維管束結(jié)構(gòu)仍然保持完整，番茄秸稈炭化程度較低（圖4A—4D）。在220 ℃和2～8 h炭化條件下，番茄秸稈的維管束結(jié)構(gòu)被破壞，番茄秸稈水熱生物炭內(nèi)部出現(xiàn)部分碎塊狀的碳沉積，炭化程度明顯提高（圖4E—4H）。260 ℃和2～8 h 炭化條件下，番茄秸稈的維管束結(jié)構(gòu)破壞嚴重，番茄秸稈水熱生物炭表面和內(nèi)部均分布著因炭化而破碎的顆粒狀結(jié)晶物質(zhì)（圖4I—4L）。未炭化的番茄秸稈表面為多孔結(jié)構(gòu)，維管束中空且緊密排列，有利于外界的水分和溫度迅速傳遞到番茄秸稈內(nèi)部，是制備水熱生物炭的理想材料（圖4M—4O）。番茄秸稈水熱生物炭微觀結(jié)構(gòu)觀察結(jié)果表明，提高炭化溫度能增加番茄秸稈的炭化程度和改變番茄秸稈水熱生物炭的微觀結(jié)構(gòu)，而延長裂解時間并不能明顯改變番茄秸稈水熱生物炭的表面微觀結(jié)構(gòu)。

圖4 不同反應條件下番茄秸稈水熱生物炭表面形貌的變化Fig.4 Surface morphology changes of TSHB under different reaction conditions

3 結(jié)論與討論

3.1 水熱炭化溫度決定番茄秸稈裂解效率及其水熱生物炭形貌結(jié)構(gòu)

水熱炭化將有機高聚物大分子熱解斷裂為低分子短鏈物[18]。水熱炭化材料的形貌結(jié)構(gòu)和化學性質(zhì)受炭化條件（溫度和時間）的顯著影響[19]。改變水熱炭化條件可將低價值的農(nóng)業(yè)廢棄物通過環(huán)境友好的裂解方法轉(zhuǎn)變?yōu)楦邇r值的炭功能材料，大大拓寬其應用領域[20]。玉米秸稈水熱炭化結(jié)果表明，在高溫高壓反應釜中，炭化溫度低于230 ℃以脫水和脫羧反應為主，而炭化溫度高于230 ℃則以縮聚反應和芳香化為主[21]。水熱炭化使纖維素和半纖維素等有機物質(zhì)經(jīng)過水解、脫水、脫羧、聚合和芳構(gòu)化等反應過程轉(zhuǎn)變成富炭材料，且實現(xiàn)固碳效果[22]。提高炭化溫度能明顯提高番茄秸稈的裂解程度和炭化效率，220 ℃炭化溫度可有效炭化番茄秸稈，形成小塊狀或粉末的秸稈生物炭，秸稈維管束結(jié)構(gòu)被嚴重破壞且內(nèi)部出現(xiàn)碎塊狀的沉積碳，但通過延長裂解時間（2～8 h）不能繼續(xù)改變番茄秸稈水熱生物炭的形貌和維管束微觀結(jié)構(gòu)。水熱炭化溫度是影響番茄秸稈炭化過程最重要的因素，直接決定番茄秸稈的炭化效率和形貌結(jié)構(gòu)。提高水熱炭化溫度能有效將番茄秸稈的木質(zhì)素、纖維素和半纖維素等有機物質(zhì)快速轉(zhuǎn)變?yōu)楦惶嫉乃疅崽炕牧?，對于加速番茄秸稈資源化的循環(huán)利用有實際的應用價值。

3.2 炭化溫度和裂解時間改變番茄秸稈水熱生物炭功能基團的種類和數(shù)量

水熱炭化法以溫和的反應條件（溫度<350 ℃，以水為反應介質(zhì)）炭化農(nóng)林副產(chǎn)物，具有高效固碳和產(chǎn)物表面官能團豐富等特點[23]，但不同制備條件（溫度和時間）得到的生物炭具有差異顯著的性質(zhì)和官能團組成[24‐25]。水熱炭主要由碳、氫和氧等組成，生物炭顆粒親水性強、表面富含多種含氧和含氮官能團以及廣泛分布著-COOH、-CO、-OH 等碳氧功能基團[6，26‐27]。玉米秸稈生物炭的特征官能團數(shù)量隨溫度升高而減少，而C-C 和C-O 卻逐漸增強[28]。番茄秸稈水熱生物炭的主要官能團以脂肪醚C-O、烷烴C-H、胺C-N、飽和脂肪酸酯C-O，以及C-O、C=O、C-N、C-O-C 等功能基團為主。在180～260 ℃水熱炭化溫度下，延長水熱炭化時間并不能有效改變番茄秸稈水熱生物炭功能基團的特征及數(shù)量，水熱炭化溫度對番茄秸稈水熱生物炭功能基團的形成和特征分布起主要作用。相對于180 ℃和260 ℃，采用220 ℃水熱炭化溫度制備的番茄秸稈水熱生物炭明顯擁有更多的功能基團。提高水熱炭化溫度（180～220 ℃）可增加番茄秸稈水熱生物炭的功能基團，但繼續(xù)提高水熱炭化溫度（220～260 ℃）反而逐漸減少其功能基團數(shù)量。水熱炭化番茄秸稈過程中，提高炭化溫度能更高效地裂解番茄秸稈和增加番茄秸稈水熱生物炭含氮氧的功能基團數(shù)量，但過高的炭化溫度會加速分解這些功能基團，260 ℃水熱炭化溫度顯著減少番茄秸稈水熱生物炭的功能基團數(shù)量。

3.3 水熱炭化法產(chǎn)生理化性質(zhì)和成分差異顯著的番茄秸稈水熱生物炭

水熱炭化產(chǎn)物的特性取決于原材料和炭化反應條件，炭化溫度和裂解持續(xù)時間是影響炭化產(chǎn)物的主要因素[6，29‐30]，而炭化溫度對水熱炭性質(zhì)的影響更大[31‐32]。水熱炭化溫度控制著有機聚合物降解、揮發(fā)分釋放、中間化合物的形成和轉(zhuǎn)化，直接影響水熱生物質(zhì)炭的揮發(fā)分、灰分、固定碳、產(chǎn)率[6]。炭化溫度和裂解時間與出炭率、有機碳、全氮、pH值密切相關[33‐35]。低溫制備的水熱炭水溶性成分較高，高溫制備的水熱炭有更高的芳香化結(jié)構(gòu)和碳氮含量[36]。提高水熱炭化溫度增加番茄秸稈水熱生物炭的全氮含量，但延長水熱裂解時間卻減少其全氮含量。提高水熱炭化溫度和延長裂解時間均能增加番茄秸稈水熱生物炭固定碳含量。炭化溫度和裂解時間影響水熱炭化法制備蘆竹水熱炭產(chǎn)率，250℃炭化溫度時生物炭產(chǎn)率達到37.63%[30]。200～240 ℃水熱炭化溫度時麥稈水熱生物炭產(chǎn)率均接近50%，但延長停留時間水熱炭產(chǎn)率逐漸減少[37]。提高水熱炭化溫度和延長裂解時間能持續(xù)增加番茄秸稈水熱生物炭總有機碳含量，但相對于延長裂解時間，提高炭化溫度更有效增加番茄秸稈水熱生物炭總有機碳含量。提高水熱炭化溫度使番茄木質(zhì)素、纖維素和半纖維素等高含碳物質(zhì)炭化程度更為充分，從而增加番茄秸稈水熱生物炭產(chǎn)率，同時含氮氧物質(zhì)的裂解更完全，使番茄秸稈水熱生物炭固定碳含量上升和全氮含量下降。

升高水熱炭化溫度和延長水熱裂解時間，竹子生物炭灰分含量減少，而麥稈、鋸末、樹皮等生物炭灰分含量卻增加[38‐41]。提高水熱炭化溫度和延長裂解時間能增加番茄秸稈水熱生物炭的灰分含量，但均明顯減少其揮發(fā)分含量，且隨著延長裂解時間揮發(fā)分含量減少更加顯著。番茄秸稈中不同物質(zhì)的熱分解溫度差異較大，隨著水熱炭化溫度增加和裂解時間延長，不同物質(zhì)按分解溫度高低逐漸分解，炭化程度增加，灰分含量隨之增加，而揮發(fā)物質(zhì)卻加快從反應液中揮發(fā)出來。有機質(zhì)在水熱裂解過程中的脫水脫羥基等反應析出部分酸性物質(zhì)，并隨著炭化溫度和裂解時間的增加，裂解反應液的酸性物質(zhì)含量逐漸增加[37]，由于水熱裂解反應在密閉環(huán)境且生物炭對可溶性物質(zhì)的強吸附能力，生物炭pH值隨著水熱炭化溫度和裂解時間的增加而持續(xù)增加，從而生成酸性的番茄秸稈水熱生物炭。綜上所述，從番茄秸稈水熱生物炭的形貌結(jié)構(gòu)、功能基團、產(chǎn)率、灰分、揮發(fā)分、固定碳、全磷、全氮、pH 值、EC值進行綜合分析，尤其是功能基團數(shù)量、EC值、生物炭產(chǎn)率、固定碳含量，220 ℃水熱炭化溫度和4～6 h水熱裂解時間可實現(xiàn)經(jīng)濟有效制備高性能的番茄秸稈水熱生物炭。

綜上，水熱炭化溫度是決定番茄秸稈水熱生物炭形貌結(jié)構(gòu)和炭化效率的主要因素，提高炭化溫度有效促進番茄秸稈充分裂解。番茄秸稈水熱生物炭的功能基團主要是脂肪醚C-O、烷烴C-H、胺C-N、飽和脂肪酸酯C-O 以及細胞壁的C=O、C-N、C-O-C。提高水熱炭化溫度可增加番茄秸稈水熱生物炭功能基團，但超過260 ℃的炭化溫度可破壞水熱生物炭形貌結(jié)構(gòu)和官能團，并大量減少含氮氧的功能基團數(shù)量。提高水熱炭化溫度能增加番茄秸稈水熱生物炭的全氮、總有機炭、灰分含量，而延長裂解時間并不能取得更好的效果。提高炭化溫度和延長裂解時間均能提高番茄秸稈水熱生物炭固定碳含量，但持續(xù)減少全磷和揮發(fā)分含量。與延長裂解時間相比，增加水熱炭化溫度顯著提高番茄秸稈炭化效率。220 ℃水熱炭化溫度（4～6 h 裂解時間）可實現(xiàn)經(jīng)濟有效地裂解番茄秸稈，并獲得維管束緊密排列、富含功能基團以及主要成分（總有機碳、全氮、固定碳）含量較高的番茄秸稈水熱生物炭。