碳热温度与生物炭的理化性质、碳稳定性和碳储存潜力之间的关系

《International Journal of Coal Geology》：The relationship between carbonization temperature and the physicochemical properties, carbon stability, and carbon storage potential of biochar

　　

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  生物炭表现出系统性的理化性质变化。
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  在T>500°C时，小于2纳米的微孔强烈发育使比表面积增加。
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  通过独立参数确认，生物炭稳定性随温度升高而增加。
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  在450°C以下，碳组分完全由反应性和非惰性碳组成。
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  惰性组分含量在约500°C时呈指数增长，并在>550°C时占主导地位（R_o>2%）。

引言

生物炭——主要由生物质残留物热解获得的富碳产物——作为一种用于长期碳储存的二氧化碳移除（CDR）技术，受到了广泛关注，包括来自政府间气候变化专门委员会（IPCC）的关注（Lehmann et al., 2021; Woolf et al., 2021; Lefebvre et al., 2023; Brunner et al., 2024; Chiaramonti et al., 2024a, Chiaramonti et al., 2024b, Chiaramonti et al., 2025; Sanei et al., 2024）。该应用要求具有高度抗降解能力，这通常通过碳化温度（CT）≥550–575°C获得，而在较低温度下生产的生物炭由于存在易受成岩降解的有机化合物而耐久性较差（Ascough et al., 2010; McBeath et al., 2011; Li and Chen, 2018; Sanei et al., 2024; Petersen et al., 2026）。在高温生物炭中，为减缓气候变化而生产时，优先保证高惰性组分含量，因为惰性组分中的碳（C_inert）被锁定在高度稳定的缩合芳香结构中（Wiedemeier et al., 2015; Budai et al., 2017; Howell et al., 2022; Petersen et al., 2025）。较低温度（<550°C）生物炭在组成上更加异质，且随CT降低复杂性增加。因此，生物炭的化学和物理性质随加热温度和原料组成的不同而变化（例如Zhang et al., 2017），产生了一系列具有不同组成特征和应用的生物炭。许多研究调查了生物炭的各种应用。这些应用包括改善土壤结构和土壤中养分与水的保持（Blanco-Canqui, 2017; Batista et al., 2018; Joseph et al., 2021; Chiaramonti et al., 2026），减少N₂O排放和硝酸盐淋失（Borchard et al., 2019），去除受污染土壤和废水中的有毒污染物，包括全氟和多氟烷基物质（PFAS）（Beesley et al., 2011; Kizito et al., 2015; Amalina et al., 2023a, Amalina et al., 2023b; Nguyen et al., 2023; S?rmo et al., 2024b），以及减少重金属淋失（S?rmo et al., 2024a; Sun et al., 2025）。其中几种应用与生物炭的比表面积、孔体积和活性化合物（如官能团）比例有关。许多生物炭研究侧重于永久性和CDR，但为此目的生产的生物炭也可能具有使其适用于其他应用的性质。例如，受PFAS污染的有机废物中的PFAS似乎在>600°C时分解，这正处于生产惰性组分生物炭所需的温度范围内（Sanei et al., 2024; Petersen et al., 2026）。相比之下，在农业土壤中生物炭的养分保持和慢释特性，如氮（N）、磷（P）和钾（K），可能更有利于热解程度较低、活性碳比例较高的生物炭（El-Naggar et al., 2019）。因此，全面理解生物炭的应用取决于了解生物炭性质如何随原料和碳化温度变化。

在实验室控制条件下，对同一生物质在温度逐步升高时生成的生物炭的化学和物理性质发展进行系统研究的工作是有限的。本研究调查了加热温度升高如何影响三个系列生物炭的化学和物理性质，这三种生物炭分别由三种常见但组成不同的农业生物质残留物生产：小麦秸秆、稻草和稻壳。该研究展示了随生物质热转化进行物化性质的发展（包括全分析和工业分析组成、比表面积、孔径分布、扫描电镜形态、电导率、热重分析和随机反射率），以及反应性碳（F_react）、非惰性碳（F_non-inert）和惰性碳（F_inert）的碳组分。此外，对不同碳化温度的生物炭样品进行了400°C热脱附（TD_{400 °C}）分析，随后进行了700°C热解-气相色谱/质谱（Py_{700 °C}）分析。TD_{400 °C}代表了由游离烃（HC）和凝析物组成的易生物可利用化合物，而Py_{700 °C}则反映了从生物炭大分子结构高温热裂解中释放的热不稳定分子化合物。最后，研究了三种生物质随CT升高时以CO₂当量（CO₂e）衡量的CDR潜力，并计算了100年、500年和1000年后预测剩余的碳组分（F_perm）。

章节摘要

生物炭样品

总计21个生物炭样品在印度农村发展与技术中心（印度新德里）通过小麦秸秆（WSB）、稻草（RSB）和稻壳（RHB）生物质残留物的热解生产。生物质残留物用蒸馏水清洗并日晒干燥两天，然后在混合机中研磨并通过0.212毫米和1–2毫米筛网。处理后生物质残留物中的表面水分通过在65°C下烘箱干燥四小时去除，之后样品

随碳化温度升高的化学组成变化

小麦秸秆（WS）生物质的H/C原子比最低，其次是稻草（RS）和稻壳（RH）生物质具有更高的比值（表1）。RH生物质的灰分含量显著更高，为29%。生物炭的一个已知特征是随CT升高碳含量增加以及氢（H）和氧（O）含量降低（例如Crombie et al., 2015; Petersen et al., 2023, Petersen et al., 2024; Wood et al., 2024）。即使在最低的CT 340°C和350°C时，H/C

结论

本研究提供了关于三种不同生物质（小麦秸秆、稻草、稻壳）从350°C到650°C以50°C温度步长热解后物化性质和碳组分演变的见解，加热速率为10°C/分钟，停留时间为一小时。关于物化性质随加热温度升高的发展信息可用于定制生物炭以满足各种用途。有机岩相学与

CRediT作者贡献声明

Henrik I. Petersen：撰写——审稿与编辑，撰写——初稿，可视化，验证，资源，项目管理，方法论，调查，资金获取，形式化分析，数据管理，概念化。Abhijeet Anand：撰写——审稿与编辑，撰写——初稿，验证，资源，方法论，调查，形式化分析，数据管理。Priyanka Kaushal：撰写——审稿与编辑，撰写——初稿，验证，资源，方法论，

未引用的参考文献

ASTM International, 2021

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系可能影响本文所述工作。

致谢

本研究是在创新基金丹麦和欧盟下一代欧盟资助的INNO-CCUS项目BIOCHSTA"生物炭长期碳稳定性记录"框架内开展的。P. Kaushal和A. Anand获得了印度理工学院德里分校可再生能源卓越中心（ReNew CoE）的资金支持。我们感谢匿名审稿人和编辑提供的建设性意见，这些意见提高了论文的质量。

Henrik I. Petersen|Abhijeet Anand|Priyanka Kaushal|Rasmus Jakobsen|Kasper H. Blinkenberg|Arka Rudra|Hamed Sanei