烟草废弃物生物炭元素组成及其重金属安全性研究
作者：杨继鑫 张久权 郜军艺 刘永新 任晓红 李方明 肖艳松 陈敏 彭梁睿 宁扬 张继光 李彩斌
来源：《中国烟草科学》2022年第01期
摘 要：為明确热解温度对不同烟草废弃物生物炭中元素组成及重金属安全性的影响，以烟秆、烟梗及废弃烟叶为原材料，研究了2种热解温度（450 ℃和600 ℃）下制备生物炭的产率、元素组成、重金属（Cr、Ni、Cu、Zn、As、Cd和Pb）含量及其浸出毒性特征。结果表明，当热解温度从450 ℃升至600 ℃，各废弃物生物炭的产率降低，生物炭中的碳
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（C）含量升高，而氮（N）和氧（O）含量降低;其中烟梗炭的产率最高，烟秆炭的碳含量及烟叶炭的氮含量最高。随热解温度升高，各生物炭中Ni、Cu、Zn、As和Pb等重金属含量均呈不同程度升高，而烟叶炭中Cr及烟梗和烟叶炭中Cd含量在600 ℃热解温度下显著低于原材料中含量;随热解温度升高，烟梗炭的Cr、As元素和烟叶炭的Zn、As元素的相对富集系数（REF）下降，且由富集趋势（REF>1）转为挥发趋势（REF<1）;烟叶炭的Ni、Cu元素则由挥发趋势转为富集趋势。各生物炭中重金属的沥滤浸出毒性（TCLP）均低于其原材料浸出液，生物炭浸出液中Cu、Cd和Pb含量随热解温度升高而降低，As含量呈相反趋势，各生物炭浸出液重金属含量均低于GB 5085.3—2007浸出毒性规定限量值，表明烟草废弃物生物炭的重金属浸出毒性较低，可以在农田中安全施用。
关键词：热解温度;烟草废弃物;生物炭;元素组成重金属;浸出毒性
身边的科学知识 Abstract： To clarify the effect of pyrolysis temperature on elemental composition and heavy metal safety of tobacco biochar， an experiment was conducted to study the effect of two pyrolysis temperatures （450 ℃ and 600 ℃） on biochar yield， elemental composition， heavy metal （Cr， Ni， Cu， Zn， As， Cd and Pb） contents and leac
hing toxicity， using tobacco waste （tobacco stalks， tobacco stems and discarded tobacco leaves） as raw materials. The results showed that as the pyrolysis temperature incread from 450 ℃ to 600 ℃， the yield of tobacco waste biochar gradually decread; the carbon （C） content in biochar incread， and the nitrogen （N） and oxygen （O） contents decread; The heavy metal contents of Cu， Zn， As， and Pb in tobacco biochar all incread in certain degree compared to tho in the raw materials， while the content of Cr in tobacco leaf biochar and Cd content in tobacco stem and leaf biochar under 600 ℃ pyrolysis temperature were significantly lower than tho in the raw materials. The relative enrichment factor （REF） of Cr and As in tobacco stem biochar and Zn， As in tobacco leaf biochar decread with the increa of pyrolysis temperature. And the corresponding heavy metals in biochar changed from enrichment （REF>1） to volatilization （REF<1）. However， Ni and Cu in tobacco leaf biochar changed from volatilization to enrichment. In addition， the toxicity characteristic leaching procedure （TCLP） of heavy metals in tobacco biochar were all lower than tho in leaching solution of their raw materials. The contents of Cu， Cd and Pb in leach
ing solution of each tobacco biochar all decread with the increa of pyrolysis temperature， but the content of As in them showed the opposite trend. The contents of heavy metals in the leaching solution of tobacco waste biochar were all lower than the limit value of leaching toxicity of solid waste in GB 5085.3—2007， which indicated that the leaching toxicity of heavy metals in tobacco waste biochar was very low. So， the tobacco waster biochar could be applied to farmland safely.
Keywords： pyrolysis temperature; tobacco waste; biochar; elemental composition heavy metals; leaching toxicity
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烟草是我国重要的经济作物之一，在其种植加工过程中产生大量烟秆、不适用烟叶及烟梗等废弃物。据统计，烟叶收获可产生烟秆2250～3000 kg/hm2，我国每年产生的烟秆总量达到150万t[1]。此外每年生产500万t左右烟叶，其中约有150万t的残次烟叶和烟梗废弃物压库储藏[2]。目前，我国烟草废弃物受利用方式及成本制约，普遍存在大量闲置或低效利用等问题，难以实现烟草废弃物的资源化循环利用。
生物炭是生物质在限氧或无氧条件下高温热解形成的富炭化合物，由无机养分N、P
、K等组成，广泛应用于土壤修复、水处理、温室气体减排及能源生产等诸多方面[3-5]。有研究表明，生物炭的物理和化学性质主要受原材料及热解温度等因素影响[6-7]。将烟草废弃物热解成生物炭是一种废弃物资源化利用的重要方式，可作为土壤改良剂、环境修复剂和作物生长的促进剂应用于烟草种植中[1]。龚亚琴等[8]通过盆栽试验发现，烟秆炭能提高烟株生物量，促进烟草对P、K的吸收。陈懿等[9]研究表明，随着烟秆炭施入量增加，土壤含水量、有效磷和速效钾等指标增加。可见，烟草废弃物生物炭在烟田环境及优质烟叶生产中具有较好应用前景。
目前行业对烟草废弃物生物炭的性质及应用方面关注日益增加，但对于其潜在风险研究较少。有研究表明，生物炭在施入轻度污染的土壤中，容易导致重金属累积[10]。且生物炭自身所含的重金属物质也有进入土壤的可能，从而带来土壤潜在污染风险[11]。因此，本文以烟草废弃物（烟秆、烟梗和烟叶）为原料制备生物炭，研究不同热解温度对生物炭的基本特性、重金属总量及其浸出液中重金属含量的影响，明确不同烟草废弃物生物炭的元素组成及重金属环境风险，为烟草废弃物生物炭应用于农田土壤改良、固碳减排及绿色生产等过程提供风险评估和科学依据。
1 材料与方法
1.1 试验材料
试验于2020年5—8月在农业农村部烟草和香薰植物产品质量安全风险评估实验室（青岛）进行。烟秆、烟梗及烟叶等烟草废弃物材料取自贵州省毕节市林泉烟叶科技园，试验材料经清洗后放置80 ℃烘箱中烘干至恒重，然后将样品切成3～5 cm小段混合均匀后，密封保存后备用。
1.2 生物炭的制备
烟草废弃物生物炭制备用限氧控温炭化法[12]。将带盖坩埚进行称重后，装入烟秆、烟梗和烟叶，加盖密封后称重，放入马弗炉中，按照5 ℃/min升温速度持续升温至设定的2个温度（450 ℃和600 ℃），并将温度保持2 h。待坩堝冷却至室温后，取出称重计算产率。将制备的生物炭研磨，过100目筛，放入广口瓶保存在干燥器中备用。
1.3 试验方法
1.3.1 C、H、N、S、O元素分析 废弃烟秆、烟梗、烟叶及其生物炭中C、H、N、S元素通过元素分析仪（Thermo Fisher Flash Smart， USA）测定，O元素通过差减法得出[1
3]。
1.3.2 重金属全量测定 称取0.2 g烟草废弃物或制得的生物炭0.1 g于聚四氟乙烯罐中，加入9 mL硝酸（65%，V/V）和1 mL氢氟酸（40%，V/V），使用微波消解仪（ETHOS 1，意大利MILESTONE公司）消解，160 ℃消解5 min，升温速度20 ℃/min，消解后赶酸定容至50 mL，摇匀并过滤（0.45 μm滤膜）。使用ICP-MS（Nexion 300D，美国PE公司）测定Cu、Zn、Cd、Pb、Cr、As和Ni浓度，同时以土壤标准物（GBW07403，中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所）作为样品分析参照物。通过将重金属测定浓度乘以定容体积（50 mL），再除以原材料或生物炭重量，即可得到重金属全量值（mg/kg）。
1.3.3 生物炭重金属相对富集系数 根据公式（1）计算不同热解温度下生物炭重金属的相对富集系数（Relative Enrichment Factor， REF），从而得到重金属在生物炭中的富集程度。REF>1，表明生物炭富集程度较高;REF
式（1）中，Hbiochar是烟草废弃物生物炭的重金属含量（mg/kg），Htobacco是烟
草废弃物的重金属含量（mg/kg）;mbiochar是烟草废弃物生物炭质量（g），mtobacco是烟草废弃物质量（g）。
1.3.4 生物炭重金属浸出毒性 生物炭中重金属浸出毒性采用毒性特征沥滤（Toxicity Characteristic Leaching Procedure， TCLP）方法[15]：准确称取1.0 g原料或生物炭，置于50 mL离心管中，加入20 mL冰醋酸提取液（固液比1∶20）。将离心管在室温下以120 r/min转速振荡20 h。随后在5000 r/min下离心20 min，过滤，过0.45 μm滤膜，转移到待测瓶中，采用ICP-MS测定其重金属含量。
1.4 数据处理
试验结果为3次试验重复的均值±标准差;使用Microsoft Excel 2010对试验数据进行整理和作图;采用SPASS 19.0对数据结果进行单因素方差分析，并用Duncan法进行多组样本间的差异显著性分析，显著性水平为0.05。
18hour 2 结 果
Keywords： pyrolysis temperature; tobacco waste; biochar; elemental composition h
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trouble maker什么意思 煙草是我国重要的经济作物之一，在其种植加工过程中产生大量烟秆、不适用烟叶及烟梗等废弃物。据统计，烟叶收获可产生烟秆2250～3000 kg/hm2，我国每年产生的烟秆总量达到150万t[1]。此外每年生产500万t左右烟叶，其中约有150万t的残次烟叶和烟梗废弃物压库储藏[2]。目前，我国烟草废弃物受利用方式及成本制约，普遍存在大量闲置或低效利用等问题，难以实现烟草废弃物的资源化循环利用。
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生物炭是生物质在限氧或无氧条件下高温热解形成的富炭化合物，由无机养分N、P、K等组成，广泛应用于土壤修复、水处理、温室气体减排及能源生产等诸多方面[3-5]。有研究表明，生物炭的物理和化学性质主要受原材料及热解温度等因素影响[6-7]。将烟草废弃物热解成生物炭是一种废弃物资源化利用的重要方式，可作为土壤改良剂、环境修复剂和作物生长的促进剂应用于烟草种植中[1]。龚亚琴等[8]通过盆栽试验发现，烟秆炭能提高烟株生物量，促进烟草对P、K的吸收。陈懿等[9]研究表明，随着烟秆炭施入量增加，土壤含水量、有效磷和速效钾等指标增加。可见，烟草废弃物生物炭在烟田环境及优质烟叶生产中具有较好应用前景。
目前行业对烟草废弃物生物炭的性质及应用方面关注日益增加，但对于其潜在风险研究较少。有研究表明，生物炭在施入轻度污染的土壤中，容易导致重金属累积[10]。且生物炭自身所含的重金属物质也有进入土壤的可能，从而带来土壤潜在污染风险[11]。因此，本文以烟草废弃物（烟秆、烟梗和烟叶）为原料制备生物炭，研究不同热解温度对生物炭的基本特性、重金属总量及其浸出液中重金属含量的影响，明确不同烟草废弃物生物炭的元素组成及重金属环境风险，为烟草废弃物生物炭应用于农田土壤改良、固碳减排及绿色生产等过程提供风险评估和科学依据。
1 材料与方法
1.1 试验材料
试验于2020年5—8月在农业农村部烟草和香薰植物产品质量安全风险评估实验室（青岛）进行。烟秆、烟梗及烟叶等烟草废弃物材料取自贵州省毕节市林泉烟叶科技园，试验材料经清洗后放置80 ℃烘箱中烘干至恒重，然后将样品切成3～5 cm小段混合均匀后，密封保存后备用。
careerpath 1.2 生物炭的制备新加坡私立学校
烟草废弃物生物炭制备用限氧控温炭化法[12]。将带盖坩埚进行称重后，装入烟秆、烟梗和烟叶，加盖密封后称重，放入马弗炉中，按照5 ℃/min升温速度持续升温至设定的2个温度（450 ℃和600 ℃），并将温度保持2 h。待坩埚冷却至室温后，取出称重计算产率。将制备的生物炭研磨，过100目筛，放入广口瓶保存在干燥器中备用。
