生物炭及其生物質原料元素組成的分析

根據美國農業部的說法，「生物炭是從生物質來源生產的黑碳，其目的是將生物質碳轉化為更穩定的形式（碳封存）」。這種富碳材料源自於生物質在限氧條件下的熱轉化（包括熱解）。生物炭一方面是一種負碳土壤改良劑，因為它捕獲碳，然後不會釋放回大氣中。另一方面，生物炭在非土壤應用中具有應對氣候變遷的巨大潛力，例如 例如道路建設、建築材料、聚合物複合材料、過濾器和淨化器或電池。這就是為什麼生物炭可以在循環經濟概念中發揮舉足輕重的作用。它透過資源利用效率、材料回收/升級再造和梯級利用做出貢獻。生物炭每年可以消除高達6%的全球排放量，透過生物質熱裂解生產生物炭是少數可以大規模部署的二氧化碳去除技術之一。

各種生物質原料，如植物、木材殘留物、有機生物廢棄物、園林綠化材料或動物糞便，可以透過生產生物炭轉化。根據原料和加工條件，可以生產具有不同特性的各種類型和品質的生物炭。除了生物炭的結構分析之外，元素組成(CHNS+O) 的測定對於生物炭的鑑別非常重要，尤其是對於其特定應用的適用性。例如，生物炭的穩定性對於長期碳封存潛力很重要，其穩定性取決於其O/C和H/C元素比，而C/N是有機物降解性的參數。要實現生物炭的大規模工業化生產，必須加強研發力度，並需要對不同的標準化生物炭產品進行分類。 CHNS+O 分析是這項任務的關鍵分析方法。

解決方案

同時進行 CHNS 測定 + O 選項，具有最高的精度和準確度分析了「英國生物炭研究中心」的兩種商業生物炭及其生物質原料：首先，稻殼及其熱解多孔富矽碳材料，除了有利於環境修復外，還可應用於水和空氣淨化或水泥複合材料。每年精米產量約 5.10 億噸。由於其纖維堅韌，天然成分的使用壽命很長，並且由於其營養價值低，其作為動物飼料的用途很複雜。這就是為什麼稻殼被認為是商業規模的生物炭原料。其次，分析了通常用作農業目的土壤改良劑的軟木顆粒生物質和生物炭。兩種生物炭都是在迴轉窯熱解裝置中在 700 °C 的溫度下生產的。

為了對這些樣品進行元素分析，使用了 vario MACRO  cube。它設計用於在一個全自動步驟中同時測定 CHNS。由於獲得專利的球閥進樣器，它保證了無背景值干擾的樣品轉移，進而獲得最高精度和準確度的分析結果。先進吹掃捕集 (APT) 技術的使用使儀器能夠測量具有最具挑戰性的 C:N 元素比的樣品。對不均勻的樣品進行稱重，無需進行耗時的樣品製備（例如研磨或研磨）。使用 Elementar LNS 標準對低氮和硫進行校正和標準因數。將樣品進行六次的測定。

使用 O-TCD 選項以六次分析測量生物質和生物炭樣品的氧含量。苯甲酸用於校正。此氧元素選項可作為 vario MACROcube、vario ELcube 和 UNICUBE^® 的升級套件。

生物質和生物炭中碳的程序升溫分析

總有機碳 (TOC)、總無機碳 (TIC) 和殘餘可氧化碳 (ROC) 的測定在 soli TOC® cube上進行。由於先進的坩堝技術減少了耗時的均質步驟，因此樣品製備變得簡單。 soli TOC® cube提供無與倫比的 0.001 – 100% 碳測量範圍。為了確定與溫度相關的碳組分，需要具有快速加熱速率的精確、可調節的溫度來實現可重複的測量。這是透過 soli TOC® cube的動態加熱爐實現的，該加熱爐直接控制坩堝位置的溫度。這消除了任何可能的熱干擾並保證穩定的燃燒條件。此外，燃燒後觸媒的使用確保即使是高碳含量的樣品也能被定量氧化並實現同樣高的分析品質。

小知識

用於生物炭分析的分析方法有多種：包括用於結構分析的 X射線、μ 斷層掃描、SEM/EDX 或拉曼光譜。 NMR光譜、FTIR 或電導率、pH 或磁性分析進一步揭示了生物炭的關鍵特徵。然而，在生物質濃度測定方面，生物炭的CHNS+O成分分析是不可或缺的。透過對整個化合物進行 CHNS分析並測量氧含量（而非用扣除法）可以獲得最準確的結果。元素濃度也是決定生物炭穩定性的起點。最近，van Krevelen 比較了 H/C 與 O/C 的元素比，以評估煤的結構和反應過程，已應用於生物炭。生物炭中潛在的高濃度無機碳可能是一個問題。透過測量 TOC 並使用該值來詳細說明生物炭的長期穩定性可以避免這種情況。

分析結果

如表 1 的結果所示，由於熱解過程，生物炭樣品的碳含量高於其生物質原料的碳含量。特別是軟木顆粒生物炭的碳含量高達> 88%，顯示碳捕獲能力很高。稻殼生物炭含有氧化矽SiO₂，以矽酸鹽晶體形式摻入。其含碳量約45%。雖然碳和氮含量在從生物質到生物炭的熱解過程中積累，但氧氣和氫氣從材料中去除。

表 1. 稻殼和軟木顆粒生物質原料和熱解生物炭的 CHNS+O 結果。

表 2. 根據 DIN 19539 方法對稻殼和軟木顆粒的測量結果，得到最高 400 °C 時釋放的總有機碳 (TOC₄₀₀) 含量。

表 3. 稻殼和軟木顆粒生物質原料和熱解生物炭的相關元素比例。

由左至右：稻殼生物質、稻殼生物炭、軟木顆粒生物質、軟木顆粒生物炭。

H/C 和 O/C 比例對於分析生物炭最為相關，例如它們表明熱裂解轉化的質量和材料作為碳匯的穩定性（半衰期）。此外，這些比例使不同的生物炭具有可比性，這對於擴大全球生物炭的生產規模非常重要，因為客戶需要針對不同應用的穩定的供應鏈和生物炭的品質。當生物炭用於土壤/肥料應用時，C/N 值對於生物炭的養分含量很重要。稻殼和軟木顆粒生物炭的 O:C 比均小於 0.2，顯示生物炭半衰期超過 1,000 年，H/C 比小於 0.7，表示熱解炭不存在熱解缺陷。

結論

生物炭正在尋找以固碳為目標的非土壤應用的方法。各種應用的研究和生產的增加帶來了新的機會1。由於研究將帶來新的生產流程和新的生物炭產品，因此元素分析非常重要。 CHNS + O和TOC分析對於生物炭的完整分析至關重要。 H/C、O/C 和 C/N 比例的可靠檢測以及 TOC、ROC 和 TIC 的區分最好透過樣品的整體元素分析來實現，而不僅僅是分析材料的表面。本應用說明展示了精確測定的結果 使用 vario MACRO cube元素分析儀分析碳、氫、氮、硫以及氧。此外，碳組份是在 soli TOC® cube上分析的，其碳的溫度依賴性差異。這兩種儀器非常適合以高精度和準確度可靠、輕鬆地測定生物炭的元素組成。

備註

本應用文章是與擁有物理學博士學位元的 Mauro Giorcelli 合作編寫的。他是義大利都靈理工大學碳集團的共同創辦人和ICHAR（義大利生物炭協會）的董事會成員。透過在世界各地的合作，他發表了 100 多篇文章，引用次數超過 1,500 次。

 

資料來源:elementar官網

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