热裂解温度和原料类型对生物炭品质影响的评价

Effects of different pyrolysis temperatures and feedstock types on biochar quality based on the application scenario for heavy metal contamination control

摘要

为综合评价热裂解温度和原料类型对生物炭品质的影响，选取了3类不同来源的17种生物质原料，分别在600、800、1 000 ℃下热裂解为51种生物炭。基于生物炭在重金属污染治理的应用，采用主成分分析法分析热裂解温度和原料类型对生物炭的理化性质的影响，并通过相关性分析筛选出了生物炭的核心指标；基于获得的核心指标，再采用灰色关联度（RI）综合评价这51种生物炭在修复重金属污染方面的综合品质潜力。结果表明与热裂解温度相比，原料类型对生物炭的理化性质影响更大。筛选所选取的9个评价指标，确定出炭率、比表面积、氢碳摩尔数比、酸性官能团含量和灰分含量为生物炭品质评价的核心指标。此外，随着热裂解温度的升高，生物炭的灰色关联度升高，1 000 ℃下的高大禾草类生物炭，如竹（RI=0.697）、南荻（RI=0.676）和柳枝稷（RI=0.671）等生物炭的综合评价指数高，说明这3种生物炭具有更大的应用潜力。

Abstract

This study was designed to comprehensively evaluate the effects of pyrolysis temperatures and feedstock types on the biochar quality from 17 feedstocks under 600 ℃， 800 ℃ and 1 000 ℃， respectively. Based on the application potential of biochar in the remediation of heavy metal pollution， the principal component analysis was used to analyze the impact of pyrolysis temperature and feedstock type on the physicochemical properties of biochar. The core indicators of biochar were selected through correlation analysis. Subsequently， the grey relational grade （RI） was utilized to comprehensively evaluate the potential of these 51 biochars in remediating heavy metal pollution. The results showed that the feedstock types were more important on the physicochemical properties of biochar than that of the pyrolysis temperatures. The core indicators comprehensively expressing the biochar quality include biochar yield， specific surface area， H and C molar ratio， acid functional group and ash content. The results of gray relational degree （RI） comprehensive evaluation showed that the heavy metal remediation potential of biochar increased with the increase of pyrolysis temperature. The biochars from tall grass biomass pyrolyzed at 1 000 ℃ generally showed a good quality as suggested by the high RI of Bambusoideae （RI=0.697）， Miscanthus lutarioriparius （RI=0.676） and Panicum virgatum （RI=0.671）， respectively.

Graphical abstract

关键词

生物质 / 农业废弃物 / 高大禾草 / 灰色关联度 / 重金属污染修复

Key words

biomass / agricultural wastes / tall grass biomass / gray relational analysis / heavy metal remediation

生物炭是一种通过在缺氧或无氧环境中热裂解生物质转化而成的高碳含量材料^［1］。由于其具有丰富的表面官能团、较大的比表面积、较高的pH以及固碳能力强等特点，已被广泛应用于废水处理、土壤修复、减少温室气体排放和能源储存等领域^［2-4］。目前，生物炭的制备原料主要包括秸秆、林业废弃物和畜禽粪便等^［5］。农业废弃物的炭化利用已被农业农村部定义为推动绿色、低碳化农业发展并实现碳中和目标的重大引领技术^［6］。

高品质生物炭的供应对于实现其众多应用潜力至关重要。生物炭的品质受到原料和工艺条件的显著影响。例如，高木质素含量原料制备的炭（如木炭）比低木质素含量原料制备的炭（如草炭）具有更好的品质^［7］。Xu等^［8］的研究表明，通过对生物质原料进行改性处理，可以获得更高品质的生物炭。Yaashikaa等^［9］发现较长的停留时间和较低的温度是获得高生物炭产率的理想条件。高热裂解温度有助于促进生物炭中芳香结构的形成，增大比表面积，并提高其吸附能力^［10］。因此，近年来研究大多数集中在寻找优化热裂解条件以提高制备生物炭的品质^［11-13］。

基于不同指标，国内已有研究评价了生物炭的品质。然而，由于不同研究中选取的理化指标存在差异，导致得到的研究结果也存在较大的差异。如：在评价生物炭作为缓释载体时，邢莉彬等^［14］选取了比表面积、孔容、氢碳摩尔数比、氮元素含量、pH作为评价指标，徐洋等^［15］选取了氢碳原子数比、氧碳原子数比、氮元素含量、灰分作为评价指标，导致其热裂解温度对生物炭用作缓释载体时的趋势存在差异。在现有研究的基础上，选择适当的评价指标，并筛选出生物炭的主要理化性质指标是必要的。以期提供统一的方法来评估生物炭的品质和性能，为生物炭的制备和应用提供科学依据。不同应用场景对相应生物炭品质的要求也不一致。尽可能低的灰分含量是生物炭作为燃料电池负极材料应用对品质的要求^［16］；而生物炭中较高的灰分含量在土壤改良方面有着广阔的应用前景^［17］。由此可见，科学合理评价体系的建立还需要基于特定的应用场景。目前，生物炭用于重金属污染土壤和水体的修复是现阶段生物炭应用领域较为成熟的技术^［18-19］。

基于筛选得到的核心评价指标对生物炭综合品质的评价是一个多准则决策的过程，为了更准确地反映所有指标的信息，并进一步确定不同生物炭类型在重金属污染修复领域应用的综合品质潜力，需要采用生物炭核心理化指标进行综合评价。灰色关联度是一种用于描述变量之间关联关系的方法，在数据分析和决策支持领域具有广泛应用。该方法通过对数据序列进行灰色系统建模，以序列的趋势和变异性为基础，评估变量之间的关联程度^［20］。

综上所述，本研究拟选取3类不同来源的17种生物质原料，分别在600、800、1 000 ℃下热裂解为51种生物炭，通过主成分分析法探究热裂解温度和原料类型对生物炭品质的影响；采用相关性分析法对影响生物炭用于重金属污染修复的品质指标进行分析和筛选，从而找到其核心评价指标；基于挑选的生物炭品质核心评价指标，对不同类型的生物炭进行灰色关联度综合分析，构建生物炭核心评价指标的综合评价，从而挑选出可用于重金属污染修复领域的高品质生物炭。为生物质大规模炭化利用和大批量生产提供参考，为促进生物炭生产和利用具有重要意义。

1　材料与方法

1.1　生物质原料选择

选取用于制炭的原料包括具有快速生长、高产量、可再生性、发展利用前景优的高大禾草类生物质及目前生物炭制备常用的原料农作物秸秆与农业加工副产物。其中：高大禾草包括南荻（Miscanthus lutarioriparius）、奇岗（Miscanthus×Giganteus）、芦竹（Arundo donax）、竹（Bambusoideae）、河八王（Saccharum narenga）、五节芒（Miscanthus floridulus）、柳枝稷（Panicum virgatum）、芒（Miscanthus sinensis）、狼尾草（Pennisetum alopecuroides）；农作物秸秆包括玉米秆、油菜秆、烟草秆、木薯秆、稻秆；农业加工副产物包括玉米芯、油茶壳、稻壳。本研究所选取的原料类型均具有资源丰富、容易获取的特征，以保证筛选得到的优秀原料类型在实际生产也具有应用价值。比如：南荻作为我国特有的高大禾草，在洞庭湖区就有88 000 hm²的分布面积，可年产生物质约100万t^［21-22］。Wang等^［23］对我国秸秆资源及农业加工副产物资源的初步核算结果显示，我国每年可产生相应的生物质7.6亿t；所选取的芦竹、狼尾草、柳枝稷等原料虽然现阶段没有规模化的生产，但是其较强的适应性和环境胁迫的耐受能力，后续可利用我国广大的边际地资源，实现这些原料的规模化供应^［24］。

1.2　生物炭的制备方法

称取烘干后的生物质材料于燃烧舟，放置于氮气氛围下的管式炉GSL-1 700X（合肥科晶材料技术公司，中国）中，升温速率为5 ℃/min，目标温度分别控制在600、800、1 000 ℃，在目标温度下保温2 h，自然冷却。

1.3　生物炭综合评价体系构建

1.3.1　用于评价生物炭在重金属污染修复领域应用潜力的核心指标筛选

本试验选取了包括出炭率、灰分、pH、电导率、氢碳摩尔数比、比表面积、阳离子交换量、酸性官能团、碱性官能团等9个理化指标作为表征生物炭品质的指标库；并基于在600、800、1 000 ℃下烧制的51种生物炭，测定理化指标，采用IBM SPSS Statistics 26进行皮尔逊相关性分析，筛选出重叠信息较少的指标作为评价生物炭品质的核心指标。

1.3.2　生物炭理化指标的测定方法

出炭率（Biochar Yield， BY）：生物炭得率为最终制备所得生物炭与原材料干质量分数；

灰分含量（Ash Content，AC）：分别用电子天平称取0.500 g生物炭于坩埚中，敞口放入马弗炉中800 ℃热裂解，保温2 h，自然冷却后，根据式（1）取出计算灰分含量；

AC=（G₂－G₁）/G×100%（1）

式中：G为热裂解前生物炭质量，g；G₁为空坩埚的质量，g；G₂为坩埚和灰分的质量，g。

pH、电导率（Electric Conductivity， EC）：配置生物炭悬浮液（m（生物炭）∶m（蒸馏水）=1∶10），使用pH计、电导率仪测量；

氢碳摩尔数比（M（H）/M（C））：采用元素分析仪UNICUBE（Elementar，德国）测定碳元素（C）、氢元素（H）含量，通过计算摩尔比得出比例；

比表面积（Specific surface area， Ssa）：采用比表面积孔径分析仪Autosorb NOVA 2 200e（Quantachrome，美国）测定；

阳离子交换量（Cation Exchange Capacity， CEC）：参考Kloss^［25］方法，使用原子吸收分光光度计AA-7 000（岛津，日本）测定钾（K⁺）、钙（Ca²⁺）、钠（Na⁺）、镁（Mg²⁺）离子含量；

酸性官能团（Acid functional group， Aci）、碱性官能团（Alkaline functional group， Alk）含量：参考Boehm^［26］滴定法测定。

1.4　数据统计及分析

1.4.1　不同热裂解温度和原料类型对生物炭品质的影响

使用Origin 2023b软件进行主成分分析，通过观察主成分分析结果中的重叠区域明确热裂解温度和原料类型对生物炭品质的影响。

1.4.2　基于灰色关联度的不同生物炭类型用于治理重金属污染用的综合潜力评价

为评价不同生物炭类型的综合品质潜力，本试验采用灰色关联度法进行综合评价，影响生物炭综合品质评价的核心品质定义见表1。

基于灰色关联度对51种生物炭的核心品质指标进行排序，具体步骤如下：

首先，无量纲化数据，计算公式如下：

Y_i(j)=\left(x_i(j)-\mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{n}x(j)\right)/\left(\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}x\left(j\right)-\mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{n}x(j)\right)（2）

Y_i(j)=\left(\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}x(j)-x_i(j)\right)/\left(\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}x(j)-\mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{n}x(j)\right)（3）

式中：Y_i(j)为第i种生物炭第j个指标标准化后值，x_i(j)为第i种生物炭第j个指标的理化性质测量值，\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}x(j)和\mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{n}x(j)分别为x_i(j)的最大值和最小值。当指标越大越好时，原始数据标准化利用式（2）计算；当指标越小越好时，原始数据标准化利用式（3）计算。

然后，计算关联系数\mathrm{W}(j)，具体计算公式如下：

\mathrm{W}(j)=\left(\mathrm{m}\mathrm{i}{\mathrm{n}}_i\mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{n}j{∆}_i\left(j\right)+\rho \mathrm{m}\mathrm{a}{\mathrm{x}}_i\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}j{∆}_i\left(j\right)\right)/\left({∆}_i\left(j\right)+\rho \mathrm{m}\mathrm{a}{\mathrm{x}}_i\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}j\right)（4）

式中：\mathrm{W}(j)为关联系数；{∆}_i\left(j\right)表示第i个样品与理想样品在第j个指标无量纲数据的绝对差值；\mathrm{m}\mathrm{i}{\mathrm{n}}_i\mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{n}j{∆}_i\left(j\right)与\mathrm{m}\mathrm{a}{\mathrm{x}}_i\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}j{∆}_i\left(j\right)分别表示{∆}_i\left(j\right)的二级最小值与最大值；\rho为分辨系数，一般取0.5。

最后，运用独立性权系数法计算出权重，得出综合得分。具体计算公式如下：

\mathrm{R}\mathrm{I}(j)={\sum }_{j=\mathrm{1}}^n\mathrm{W}(j)\times B(j)（5）

式中：\mathrm{R}\mathrm{I}为加权关联度得分；B(j)为第j个指标的权重；n为评价指标个数。

2　结果与分析

2.1　不同热裂解温度和原料类型对生物炭品质的综合影响

不同生物炭类型理化指标的主成分分析见图1。可见不同生物质类型和热裂解温度的第一主成分PC 1和第二主成分PC 2分别解释了总方差的40.4%和21.5%，总和达61.9%。表明2个主成分较好地代表了所测试的生物炭的9个理化性质，反映了原始数据中的大部分信息。

由图1可见，不同热裂解温度下的生物炭类型在主成分分析中呈现一定的重叠现象，表明在特定理化性质上，不同热裂解温度下的生物炭可能具有相似的特征。然而，不同生物质类型在主成分分析图中的重叠区域较少，表明与热裂解温度相比较，不同生物质类型对生物炭的理化性质具有明显的影响。由图1（a）可知：农作物秸秆生物炭在主成分分析中显示较高的BY、Aci、M（H）/M（C）、AC、CEC、EC、Alk和pH含量；农业加工副产物和高大禾草类生物炭则表现出更大的Ssa。此外，由图1（b）可知：热裂解温度对生物炭的理化性质的影响整体表现为，热裂解温度为600 ℃时，生物炭的BY、Aci和M（H）/M（C）含量较高；而在热裂解温度为800和1 000 ℃时，生物炭的AC、CEC、EC、Alk、pH含量较高，且Ssa更大。

2.2　评价生物炭在重金属污染修复领域应用潜力的核心指标筛选

按照生物炭某个指标与其他理化指标无显著相关性达到总指标数量的1/3时，直接筛选为生物炭核心品质指标，其他指标按照显著性强弱筛选为核心品质指标的原则进行生物炭品质评价核心指标的筛选。

由表2可知：BY与EC（0.007）、CEC（0.033）、Alk（0.008）不存在显著相关性；M（H）/M（C）与AC（-0.053）、pH（0.072）、Alk（0.095）不存在显著相关性；AC与M（H）/M（C）（-0.053）、Aci（0.123）、Ssa（-0.055）不存在显著相关性；因此可直接将 BY、M（H）/M（C）、AC作为生物炭核心指标。由于CEC与其他8个理化指标之间只与BY不存在显著相关，因此可以直接将CEC剔除。同时，通过比较pH、EC、Alk、Aci、Ssa与pH、EC、CEC、AC之间的相关性强弱发现：pH与EC（0.698）、CEC（0.589）、AC（0.505）之间存在极显著正相关（P<0.01）；EC与CEC（0.913）、pH（0.698）、AC（0.527）之间存在极显著正相关（P<0.01）；Alk与CEC（0.776）、EC（0.576）、AC（0.424）、pH（0.272）之间存在极显著正相关（P<0.01）；Aci与CEC（0.282）之间存在极显著正相关（P<0.01），与pH（-0.372）之间存在极显著负相关（P<0.01）；Ssa与EC（-0.319）、CEC（-0.292）存在极显著负相关（P<0.01）；可筛选出Aci和Ssa作为生物炭的核心指标。

综上，筛选BY、Ssa、M（H）/M（C）、Aci、AC5个指标作为重金属污染修复用的生物炭品质评价的核心理化指标。

2.3　不同类型生物炭在重金属污染修复领域应用潜力的综合品质评价

3种不同热裂解温度下17种生物质获得的51种生物炭的综合评价结果见表3。可见：51种不同类型生物炭的灰色关联系数为0.419~0.697。在1 000 ℃下竹、南荻、柳枝稷、芦竹制备的生物炭品质最优，其综合评价指数（RI）分别为0.697、0.676、0.671、0.608，均超过了0.600。

3类生物炭的平均综合评价结果见表4。可见：无论温度如何变化，高大禾草类生物炭的灰色关联度综合评价指数平均值（RI=0.570）均优于农业加工副产物（RI=0.557）和农作物秸秆（RI=0.475）。随着热裂解温度的升高，生物炭的灰色关联度综合评价指数升高。具体而言，热裂解温度为1 000 ℃时的总平均关联度（RI=0.570）优于800 ℃（RI=0.537）和600 ℃（RI=0.513），尤其在热裂解温度为1 000 ℃时，奇岗（RI=0.583）、烟草秆（RI=0.572）、木薯秆炭（RI=0.571）的关联度远高于800和600 ℃。

根据高大禾草类生物炭的核心品质指标与关联度的相关性分析结果。可见：造成高大禾草类生物炭的综合评价指数较高的原因主要是高大禾草类生物炭拥有较低的Aci（Aci与关联度RI存在极显著负相关，其相关系数r=－0.666，P<0.01）、AC（r=－0.571，P<0.01）、M（H）/M（C）（r=－0.477，P<0.05）和较高的Ssa（r=0.552，P<0.01）。具体来看，高大禾草类生物炭的Aci值为0.536 mmol/g、AC值为10.537%、M（H）/M（C）为0.215、Ssa值为52.104 m²/g相较于农业加工副产物，其AC值低了39.818%，M（H）/M（C）比值低了36.744%。高大禾草类生物炭相较于农作物秸秆，其Aci值低了28.918%，AC值低了94.110%，M（H）/M（C）比值低了46.512%，Ssa值高出92.806%。因此高大禾草类生物炭的综合评价指数较高。

根据1 000 ℃下生物炭的核心品质指标与关联度的相关性分析结果。可见造成1 000 ℃下生物炭的综合评价指数较高的原因主要是1 000 ℃下生物炭拥有较低的Aci（Aci与关联度RI存在显著负相关，其相关系数r=－0.577，P<0.05）、较高的Ssa（r=0.489，P<0.05）。1 000 ℃下生物炭的Aci值为0.494 mmol/g、Ssa为76.888 m²/g相较于600 ℃，其Aci值低40.688%，Ssa值是600 ℃生物炭的4.264倍。1 000 ℃下的生物炭相较于800 ℃，其Aci值低11.134%，Ssa值是800 ℃生物炭的1.809倍。虽然1 000 ℃的AC值要高于600 ℃和800 ℃，但1 000 ℃的Aci和Ssa拥有更大优势，因此1 000 ℃下生物炭的综合评价指数较高。

综上，随着热裂解温度升高，生物炭吸附重金属能力的综合品质潜力升高。热裂解温度为1 000 ℃的高大禾草类生物炭，如竹、柳枝稷、南荻等生物炭的灰色关联度综合评价指数高，显示出更大的应用潜力。

3　讨论

生物炭的理化性质受原料类型、制备方法、改性方法、热裂解条件（升温速率、热裂解温度和停留时间）等多个因素影响^［27］。本研究结果表明，热裂解温度和原料类型对生物炭的理化性质有重要影响，而不同的生物质类型对其理化性质的影响更显著。这与原料中的木质纤维素在不同温度的热裂解过程有关。纤维素在200~400 ℃发生分解和聚合反应，形成低分子化合物。半纤维素具有带有短支链的线状结构，其热分解较容易，在220~315 ℃进行。而木质素作为一类芳香族化合物，其热分解温度通常在280~500 ℃发生^［28-29］。由此可知，温度对生物炭品质的影响主要是通过对不同组分的裂解过程实现的，而不同原料对组分的影响更加显著。因此，原料对生物炭的品质有着较为明显的影响，这与黄玉威^［30］的研究结果一致。

在对生物炭进行多项理化指标的研究时，需要注意指标之间可能存在信息的重叠。如pH与AC存在极显著正相关，是因为随温度升高，有机物减少，无机离子融合，形成无机矿物质，导致pH与灰分含量增加^［31］，而碳酸盐是导致生物炭pH增加的主要成分。此外，CEC与Alk、Aci存在极显著正相关，这与Lee等^［32］的研究结果一致，CEC与生物炭的表面含氧官能团呈正相关。因此进行相关性分析可以帮助筛选出具有代表性的指标，作为生物炭核心理化指标，为后续研究生物炭提供理论基础。本结果显示在测得的生物炭9个品质指标中，多项指标存在显著相关性，通过筛选最终确定BY、Ssa、M（H）/M（C）、Aci、AC5个指标为核心品质评价指标。生物炭的出炭率越高，其产生的经济效益更高，能实现资源的高效利用。比表面积越大，孔隙结构越发达，能为重金属吸附提供更多活性位点^［33］。氢碳摩尔数比低表示其芳香结构化程度高，能提高生物炭对重金属离子的吸附性能^［34］，同时有利于土壤碳固存，对农业发展具有积极意义^［35］。表面官能团能够通过络合作用、阳离子-π作用等吸附重金属^［36］。在偏酸性环境中，高浓度的H⁺会与土壤中的重金属离子竞争吸附，从而降低生物炭对重金属的钝化效率^［37］。生物炭碱性的提升有利于增大其比表面积，并引入含氧官能团^［［38］。此外，本研究发现，Aci含量与pH呈现出极显著的负相关，因此为了提高生物炭对重金属的钝化效果，应该控制Aci含量在较低水平。灰分中的一些元素能与重金属产生共沉淀，从而使土壤重金属从有效态转变为残渣态^［39］。本研究中，生物炭的灰分含量为4.854%~29.736%。如水稻、油菜等农作物秸秆中含有较高的灰分含量，可能是因为其含有较高的SiO₂^［40］。李佳瑛等^［41］等的研究表明SiO₂作为一种惰性矿物，并不能参与到离子交换或其他重金属吸附方式中。灰分越低表明生物炭质量越好，能减少碳骨架中的残渣颗粒，暴露更多的有效吸附位点^［42］。因此本研究考虑成本与资源利用更大化，将灰分含量控制在较低范围。

本研究选取了51份生物炭样品进行灰色关联度评价，结果表明随着热裂解温度升高，生物炭在重金属污染修复领域应用潜力的综合品质潜力升高。其中，热裂解温度为1 000 ℃条件下制备的高大禾草类生物炭（如竹、柳枝稷、南荻）的灰色关联度综合评价指数较高。越高的热裂解温度预示着较高的能耗与投入，进而会对实际的推广应用产生负面影响。经过比较发现，生物炭理化性质在800 ℃以后变化不大，通过统筹考虑生产成本等方面的问题，在实际推广应用过程中可以适当降低热裂解的温度。这可能是生物炭应用研究多将热裂解温度设定为600~800 ℃的主要原因。另外，本研究还发现热裂解温度对不同品质指标具有不同的影响效果。因此，后续在决定热裂解温度时还可通过生物炭最终用途对某一指标的特殊需求来决定。比如，若需要具有更高的BY、Aci、M（H）/M（C）生物炭，则可考虑降低温度在600 ℃下生产。反之，若需要更高的Ssa、更低的Aci、M（H）/M（C）生物炭，则可考虑在1 000 ℃下制备生物炭。

高大禾草类生物质制备的生物炭具有较大的比表面积，有利于重金属的吸附，较低的灰分含量、酸性官能团含量和氢碳摩尔数比值有助于保持吸附过程的稳定性和提高重金属的钝化效率。在本研究中稻秆（27.537%）、烟草秆（24.375%）、油菜杆（18.688%）等生物炭灰分远高于其他类型生物炭，这可能是因为这些农作物秸秆生物炭中二氧化硅的累积较高^［43］。此外，生物质中的无机组分与生物炭的比表面积呈负相关关系^［44］。比表面积较低可能是由于无机材料堵塞了微孔。例如，在1 000 ℃下，南荻炭的比表面积是稻秆炭的5.779倍，是油茶壳炭的1.866倍。这也是为什么高大禾草类生物炭具有较高比表面积的原因之一。氢碳摩尔数比作为高分子聚合物分析的重要指标可用于判断高分子聚合物的芳香结构，与生物质原材料的木质纤维素含量有关^［45］，随热裂解温度升高，生物炭的氢碳摩尔数比降低，表明其稳定性更好。随热裂解温度升高，生物炭Aci和BY降低，这与Weber等^［46］研究结果相符。生物炭具有优异的吸附重金属能力，将这些高大禾草类生物炭应用于土壤中将有效吸附和去除土壤中的重金属污染物。这对于土壤修复和环境保护具有重要意义，并为进一步的应用研究提供了有价值的指导。然而，不同生物炭与重金属的作用机理存在差异，如竹炭在800 ℃时对Hg²⁺、Pb²⁺、Cr⁶⁺吸附效果较好，但在1 000 ℃时对Cd²⁺吸附效果较好^［47］，因此，在制备生物炭用于修复重金属污染土壤时，应综合考虑生物炭的物理化学特性、重金属的类型和浓度、土壤环境条件等因素，以制取性能最佳的生物炭修复剂。

4　结论

本研究探究了不同生物炭类型与热裂解温度对生物炭品质的影响，筛选了生物炭的核心品质评价指标，并基于灰色关联度对不同生物炭类型用于治理重金属污染的综合潜力进行评价。主要结论如下：

1）不同生物炭类型比热裂解温度对生物炭理化性质影响更大。农作物秸秆有较高的出炭率、酸性官能团、氢碳摩尔数比、灰分、阳离子交换量、电导率、碱性官能团、pH，农业加工副产物和高大禾草类生物炭比表面积更大；

2）筛选出出炭率、比表面积、氢碳摩尔数比、酸性官能团、灰分含量5个指标作为生物炭的核心品质评价指标；

3）随热裂解温度升高，生物炭的综合品质评价指数升高。与农业加工副产物和农作物秸秆相比，高大禾草类生物炭，如竹、柳枝稷、南荻等生物炭的灰色关联度综合评价指数高，显示出更大的应用潜力。

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基金资助

湖南省农业领域重点研发项目(2019NK2021)

国家级大学生创新创业训练计划项目(S202310537019)