黎明彩票改進了地質樣品中黑碳的測定方法

  

  黑碳(BC)是生物質和化石燃料等不完全燃燒所産生的一系列含碳物質,廣泛地分布在土壤、大氣和水體環境中。黑碳釋放到環境中後,不但可以有效改善土壤沈積物的理化性質,還對汙染物的遷移轉化等具有重要的影響。另外由于具有高度的芳香性結構及較強的惰性,可以在地球系統中保存數千至數百萬年,對火災曆史起到很好的示蹤作用,被廣泛應用于古火災及古氣候的重建。然而關于環境樣品中黑碳的穩定性以及古老地質樣品中黑碳測定還存在很多問題。

  针对这些问题,近期广州地化所彭平安课题组祝孟博博士、韦思业博士、宋建中副研究員等开展了一系列研究,阐述了影响黑碳的稳定性和古老地质样品中黑碳测定的主要因素,并提出了黑碳测定的改进措施。取得的主要认识包括:

  1. 选取不同类型的原料,在不同的温度下制备得到一系列的黑碳,对其基本理化性质和结构特征进行系统研究。结果表明:热解温度和原料种类对黑碳的物理化学性质和结构均有重要影响,而热解温度的影响要比原料种类的影响大(图1)。低温(< 300℃)生成黑碳的产率较高,并且保留原料中丰富官能团如羧酸、羟基和羰基等,而在高温500℃以上,黑碳表面的活性官能团基本上被去除,主要以稳定的高度芳香化碳结构物质为主,具有较高的稳定性。另外热解温度对黑碳的微孔结构也有着重要的影响,生物炭的微孔体积和累积孔体积也均随温度的增加而增加,平均孔径则逐渐减小。

  

  图1 不同类型黑碳中稳定性碳组分的演化趋势

  2. 由于具有可避免OC物质焦化、氧化反应较易控制等优点,重铬酸钾氧化法已经被广泛用于地质样品中BC定量分离。然而古老地质样品中高成熟度干酪根的存在,对黑碳组分的定量分离造成了很大干扰,严重地妨碍了黑碳在古气候和古环境研究中的应用。为此,我们选取了不同类型不同成熟度的干酪根样品对传统的铬酸氧化法进行了对比分析和改进,研究表明干酪根的类型及成熟度对铬酸氧化法分离BC具有较大影响。当地质样品中仅包含低成熟I型干酪根(Ro<0.50%)时,传统的铬酸氧化法(0.1 M K2Cr2O7/2 M H2SO4)是可靠的,但II和III型幹酪根會幹擾黑碳的測定。另外延長氧化時間雖然可以增強三種類型幹酪根的去除,但II和III型幹酪根仍然會幹擾黑碳的測定。

  圖2鉻酸氧化法作用下黑碳和幹酪根樣品的氧化規律

  为此,我们对传统铬酸氧化法进行进一步的优化,结果表明,提高氧化剂浓度明显改善了BC的分离效果(图2)。当氧化剂浓度提高到0.5 M K2Cr2O7/2 M H2SO4时,不仅可以将低成熟度II型干酪根样品的氧化时间缩短至60 h,也可以使低成熟度III型干酪根样品中的BC得以分离。综合研究结果,我们提出氧化剂浓度为0.5 M K2Cr2O7 /2 M H2SO4和氧化時間300小時是分離古老地質樣品中的黑碳的合適條件。該研究對于古火災事件的重建和古環境及古氣候的研究具有重要的科學意義。

  该项研究得到了国家自然科学基金(41790452,41390240,41673117)和973项目联合资助。本論文的实验均在有机地球化学国家重点实验室完成。研究成果已发表在Organic Geochemistry和Chemosphere,論文信息如下:

  Mengbo Zhu, Meiju Li, Siye Wei, Jianzhong Song*, Jianfang Hu, Wanglu Jia, Ping'an Peng, Evaluation of a dichromate oxidation method for the isolation and quantification of black carbon in ancient geological samples, Organic Geochemistry, 2019, 133, 20-31.

  Siye Wei, Mengbo Zhu, Xingjun Fan, Jianzhong Song*, Ping'an Peng, Kaiming Li, Wanglu Jia, Haiyan Song, Influence of pyrolysis temperature and feedstock on carbon fractions of biochar produced from pyrolysis of rice straw, pine wood, pig manure and sewage sludge, Chemosphere, 2019, 218, 624-631.

(有機地球化學國家重點實驗室供稿)

附件: