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Interactions between biochar and clay minerals in changing biochar carbon stability

生物炭 高岭石 化学 蒙脱石 热解 修正案 环境化学 粘土矿物 碳纤维 化学工程 矿物学 有机化学 材料科学 复合材料 复合数 法学 政治学 工程类
作者
Fanqi Jing,Yuqing Sun,Yuyan Liu,Zhonghao Wan,Jiawei Chen,Daniel C.W. Tsang
出处
期刊:Science of The Total Environment [Elsevier BV]
卷期号:809: 151124-151124 被引量:48
标识
DOI:10.1016/j.scitotenv.2021.151124
摘要

The science-informed design of stable carbonaceous materials as 'green' soil amendment will be indispensable for improving the soil fertility and carbon sequestration ability. In this study, a series of biochars were prepared from mineral-rich cellulosic corn straw (C), lignocellulosic pine wood (P), and lignin-rich walnut shell (W) at 500 or 700 °C. Their change of carbon stability after 90-day interaction with two typical soil clay minerals (i.e., kaolinite or montmorillonite) under a field-relevant condition (mass ratio of biochar to soil clay at 1:5) was evaluated as carbon loss (%) determined by the K2CrO7-H2SO4 oxidation method. The spectroscopic analyses demonstrated that the highly graphitized and microporous W-biochars exhibited a high carbon stability (35.6-40.2% C loss) that could be further enhanced in the presence of kaolinite or montmorillonite. This promotion was probably ascribed to the transformation from the aromatic CC/CC functionality to the ester CO and methyl CH configurations on the biochar surface forming stable organo-mineral complexes (i.e., COAl) with the clay minerals. In contrast, a substantial level of labile C fraction was observed in the C- and P-biochars (e.g., 94.8% C loss of P700-M) after incubation with the clay minerals, especially for montmorillonite with high CEC, swelling capacity, and week interlayer bonding. This adverse impact was possibly attributed to the aliphatic CC/CC bonding with low oxidation resistance after co-precipitation with the clay minerals. The results of this study can provide deeper insight into the evolution of physicochemical properties, porous structure, and carbon interactions during long-term biochar application for carbon sequestration and sustainable development.
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