【摘要】 由于生物炭含有顺磁性物质，如有机自由基和/或含有未配对电子的过渡金属离子，因此可以通过电子顺磁共振（EPR）光谱进行分析。

生物质热解过程可以生产生物炭、生物油和合成气。生物炭可以被认为是通过热解生产生物燃料（生物柴油和沼气）的副产品。它通常用作有机土壤调节剂，但也可以用作生物燃料，并用于修复被农药、金属离子和类金属污染的水（如图一）。生物炭最近与石墨混合，用于制备用于食品分析和环境污染评价的电分析过程中的电极。采用生物炭作为电极改性剂，结合差分脉冲吸附-撕裂伏安（DPAdSV）技术进行污染物的预富集和测定。这是足够的，直到混合物中大约25%的生物炭。

 

图1 木炭粉（CF）进行的操作方案。[1]

 

通过对热解过程、热解条件和所用生物质类型的控制，可以生产出具有不同特性的产品。Trubetskaya等人[2]采用三种不同的工艺类型从小麦秸秆中生产生物炭，使用的工艺类型为丝网反应器、夹带流反应器和管式反应器（如图二）。在自由基浓度方面，金属丝网反应器生产的生物炭比管式反应器生产的生物炭高60%。这是由电子自旋共振光谱得出的结论。

 

图2 金属丝网反应堆示意图俯视图。[2]

 

在生物炭中可以观察到外围氧功能、更大的比表面积和多孔结构等特征。当用作有机土壤调节剂时，生物炭中氧功能结构的存在可以帮助保持退化土壤的肥力并减少对侵蚀的易感性。这是由于无机土壤结构的聚集，如粘土和三价铁（Fe（III）），三价铝（Al（III））和四价硅（Si（IV））的氧化物/氢氧化物，它们是硬皮尔逊酸，与氧官能团硬碱，包括芳香羧基（h -COOH）和酚（h -OH）基团的生物炭结构强烈相互作用。生物炭中的这些氧化功能还可以提高土壤的水力导电性和保水能力。

 

由于生物炭含有顺磁性物质，如有机自由基和/或含有未配对电子的过渡金属离子，因此可以通过电子顺磁共振（EPR）光谱进行分析。该技术可以间接评价生物炭结构中存在的低水平官能团，以及氧化态、配体基团和过渡金属离子配合物的对称性。

 

EPR的原理类似于核磁共振（NMR），但它研究的是电子自旋的激发，而不是质子和中子（核子）的自旋。与核磁共振相比，由于电子质量较低，EPR中使用了更高频率和较弱的磁场。在0.3 T的磁场中，EPR电子自旋共振发生在约10 GHz，而1 H NMR频率为12.8 MHz。使用高硬度和中等硬度的Pearson酸VO2+和Cu2+离子作为顺磁EPR探针，研究环境大分子和超分子配体中的配位基团。VO2+离子具有与生物炭结构中的酚基和羧基结合的能力，而Cu2+除了与这些基团相互作用外，还与胺、亚胺和酰胺等含氮基团相互作用良好。EPR分析还可用于指出一些宏观和超分子配体中金属键的位置。

 

此外，Cu2+离子已被用于研究复杂的无机材料，通过EPR参数确定几何形状的局部畸变，例如当添加到光学透镜材料中时。同样，VO2+离子也被用作光谱探针，用于评估NiO和V2O5在眼镜镜片成分中的混合效应。Tassya T. S. Matos等人[3]利用EPR光谱研究番石榴汁工业废弃物中提取的生物炭与阳离子交换容量（CEC）的关系。生物炭是通过在实验室烤箱中分批热解和在中试工厂中连续流热解生产的。EPR技术能够检测有机自由基，并确定Cu2+和VO2+顺磁探针与生物炭的相互作用。

 

[1]. Angelo, L. C.;  Mangrich, A. S.;  Mantovani, K. M.; dos Santos, S. S., Loading of VO2+ and Cu2+ to partially oxidized charcoal fines rejected from Brazilian metallurgical industry. J. Soils Sediments 2014, 14 （2）, 353-359.

[2]. Trubetskaya, A.;  Jensen, P. A.;  Jensen, A. D.;  Glarborg, P.;  Larsen, F. H.; Andersen, M. L., Characterization of free radicals by electron spin resonance spectroscopy in biochars from pyrolysis at high heating rates and at high temperatures. Biomass Bioenergy 2016, 94, 117-129.

[3]. Matos, T. T. S.;  Mangrich, A. S.;  Cardoso, E. M. C.;  Schultz, J.;  Fornari, M. R.;  Wisniewski, A.; Carregosa, I. S. C., Electron paramagnetic resonance （EPR） spectroscopy as a tool for the characterization of biochar from guava waste. J. Soils Sediments 2019, 19 （1）, 286-295.

 

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