渤海大學鄂濤教授/季承STOTEN: 廢皮屑生物炭原位生成CaSO4抑制土壤有機碳礦化

第一作者：季承

通訊作者：鄂濤

通訊單位：渤海大學

DOI：10.1016/j.scitotenv.2022.158776

圖形摘要

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研究背景

據統計，我國每年將產生約140萬噸制革廢皮屑（WD），若用傳統方法直接焚燒不僅會產生約230萬噸溫室氣體CO₂，而且造成嚴重的資源浪費。因此，如何實現WD的資源化利用，減少CO₂排放，實現國際“碳達峰”和“碳中和”的目標，成為皮革生產行業的重點難題。然而，以往的研究主要集中在利用WD中的膠原蛋白制備明膠制備、多肽和粘合劑等產品，而關于利用浸漬法和熱解技術，將WD制備成改性生物炭的同時，在其表面上原位生成目標產物，并應用到土壤固碳降碳的應用研究還鮮有報道。此外，浸漬和熱解過程對生物炭的碳固存的影響機制還需詳細研究。因此，將WD制備成改性生物炭，并詳細研究生物炭在熱解過程中碳穩定性和碳保留以及其對土壤有機碳礦化的影響機制、WD的資源化處置和土壤固碳領域具有十分重要的意義。

文章簡介

近日，渤海大學化學與材料工程學院化學工藝專業季承碩士研究生為第一作者，鄂濤教授為通訊作者的研究成果《In situ formed CaSO₄?on waste dander biochar to inhibit the mineralization of soil organic carbon》在環境領域國際著名期刊《Science of The Total Environment》（中科院升級版?環境科學類1區，IF=10.753）發表。文中通過浸漬和緩慢熱解的方法，成功將WD制備成鈣改性生物炭(Ca-BC)，并在其原位生成了CaSO₄，減少了生物炭在熱解過程中CO₂和SO₂的排放，使生物炭的碳固存含量升高至21.70%。土壤培養實驗和生物信息學分析表明，Ca-BC使土壤TOC含量從22.43%提高到47.19%，增強了土壤固碳能力，這項研究在WD的資源化處置和土壤固碳領域具有巨大的應用潛力。

本文要點

要點一：生物炭的表征

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圖1：(a)和(b) BC的SEM圖像；

(c)和(d) Ca-BC的SEM圖像；

(e)和(f) BC的TEM圖像；

(g)和(h) Ca-BC的TEM圖像；

(j)和(k) Ca-BC的EDS-mapping；

(l)和(m) BC Ca-BC的XPS光譜；

(n) BC和Ca-BC的XRD光譜。

要點二：密度泛函理論（DFT）計算

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圖?2. (a) CaSO₄生成示意圖；

(b) CaO-SO₂、(c) CaSO₃-O₂、(d) Ca-羧基、(e) Ca-羥基和(f) CaSO₄優化后的幾何結構； (g) Ca-羥基、(h) Ca-羧基和 (i) CaSO₄?的能帶結構。

要點三：BC和Ca-BC的碳固存能力

圖3. BC和Ca-BC 在熱解過程中的(a) 碳保留和(b) 碳穩定性；

(c)和(d) BC和Ca-BC的拉曼光譜和FTIR光譜；

(e) C 1s、(f) O 1s、(g) N 1s、(h) S 2p和(i) Ca 2p的高分辨率XPS光譜；

(j) BC和Ca-BC中C 損失、氧化 C 和 C 封存的含量；

(k) Ca-BC的熱解過程示意圖。

要點四：生物炭對SOC礦化的影響

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圖4.?培養60天(a) SOC礦化累積量和(b) SOC礦化率的動態變化；

培養60天后不同土壤的(c) pH和(d) 含水量；

(e) 不同處理培養前后土壤TOC含量；

(f-h) 含水量豐度、pH值與土壤TOC含量和SOC 礦化速率的關系。

實線表示基于使用普通最小二乘法估計的線性回歸，預測的關系是顯著的（p<0.01）。

要點五：微生物群落和多樣性分析

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圖 5.?(a) 花瓣圖；

(b) 維恩圖；

(c) 基于物種單元(OTU)級別的非度量多維尺度(NMDS)的Bray-Curtis (應力<0.001)；

(d-g) 細菌門的Alpha多樣性指數；

(h) 細菌門的相對豐度；

(i) 細菌門的熱圖；

(j)和(k) 兩個最豐富的門和土壤的理化性質之間和SOC礦化率的冗余分析(RDA)。

要點六：生物炭對土壤微生物群落結構和組成的影響示意圖

結論

本研究通過浸漬和熱解法成功制備了Ca-BC，并在其表面原位生成了CaSO₄，以增加土壤的固碳能力。表征分析Ca-BC在熱解過程中，可以減少CO₂和SO₂的釋放，進而增加了Ca-BC的碳保留，在保持原始生物炭穩定性的基礎上，使Ca-BC的碳固存含量增加到21.7%。土壤培養實驗結果和生物信息學分析表明，Ca-BC通過可以有效提高土壤含水率和pH值，從而使得微生物向穩定碳優勢菌Firmicutes轉化，導致不穩定碳優勢菌門減少，使得SOC的礦化率降低至0.451 mg CO₂?/ (g·d)，土壤總有機碳（TOC）含量升高至47.2%，從而提高土壤固碳能力。

作者簡介

通訊作者 鄂濤：博士，教授，渤海大學環境工程專業帶頭人，碩士研究生導師。遼寧省毛皮綠色制造產業技術創新戰略聯盟理事長，渤海大學環境研究院副院長，錦州市金屬材料產業創新聯盟專家委員，渤海大學環保產業技術研究所所長。研究興趣：化工清潔生產工藝，土壤與水污染修復技術、低碳減碳工藝技術開發及鈦基功能材料的制備工藝及應用。在ACS Appl Mater Interfaces，J Hazard Mater，Sep Purif Technol，J CLEAN PROD，Mater. Today Chem，?J. Environ. Chem. Eng等國際著名期刊上以第一/通訊作者發表SCI收錄論文27篇，主持24項科研項目，以第一發明人獲得授權發明專利13項，單項專利轉化額度超100萬，近三年科技成果轉化合同金額623萬。

電子郵箱：etao@bhu.edu.cn

第二作者 楊姝宜：渤海大學環境工程專業副教授，碩士生導師。研究興趣：土壤修復技術和固體廢物資源化。在J?Hazard Mater，ACS Appl Mater Interfaces, Sep Purif Technol, J. Alloys Compd等國際著名期刊上以第一/通訊作者發表SCI收錄論文16篇，擔任《Journal of Alloys and Compounds》，《Journal of Polymers and the Environment》SCI期刊審稿人。

電子郵箱：yangshuyi@bhu.edu.cn

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第一作者 季承：渤海大學化學工藝專業碩士研究生。研究興趣：土壤固碳及功能吸附材料的研究。目前在J. Environ. Chem. Eng.和Sci. Total. Environ.期刊上發表SCI收錄論文2篇。

電子郵箱：939564227@qq.com

文章信息

10. C.Ji, S. Yang, Y. Cheng, L. Liu, D. Wang, S. Zhu, Tao E^*, Y. Li^**.?In situ formed CaSO₄?on waste dander biochar to inhibit the mineralization of soil organic carbon.?Science of the Total Environment. DOI: 1016/j.scitotenv.2022.158776

供稿人：渤海大學：季承