利用半揮發性化合物探討黑炭的降解過程

  • 陳 婧

Student thesis: Master's Thesis

Abstract

近年來全球暖化的議題日趨引起關注,而碳循環被視為環境變遷的關鍵環節。其中,黑炭(Black Carbon)在全球碳循環中扮演極為重要的角色。環境黑炭多為生物質不完全燃燒後所留下來的產物。在燃燒的過程當中,易揮發的S P N O等部分元素快速失去,留下苯環為主的多環芳香烴碳物質。由於苯環的共軛雙鍵結構較不易被斷裂,故相對於其他碳物質而言,黑炭顯得較穩定且不易被分解。此外,黑炭表面的官能基能與周邊環境礦物進行化學鍵結,在化學共穩定的基礎上,會產生表面隔離生物或非生物降解的物理障礙,從而增加黑炭在土壤中的長期穩定度。本研究欲探討黑炭在自然環境中的分子特徵及降解宿命。 我們利用X光近邊緣光譜耦合質譜技術,分析不同溫度燒成(300℃、500℃和700℃)不同生物質來源的黑炭所帶有的半揮發性物質(Semi-volatile Compound),以探討黑炭表面較小分子的結構、環境?能及和與礦物鍵結的可能性。並且比較不同溫度及環境條件因素對表面的半揮發性的物質之影響,藉以尋找黑炭特定分子標記和降解產物。實驗樣本利用草本植物田菁與木本植物柳杉,在不同溫度下燃燒形成黑炭,野外降解實驗將黑炭樣品埋藏於森林土壤中數年(3年及6年)。另外用實驗室厭氧發酵實驗模擬黑炭長年埋藏在自然厭氧環境會歷經降解之情形,在厭氧發酵槽加入自製的水鐵礦(Ferrihydrite),檢視黑炭表面官能基與礦物的鍵結及形成礦物保護的模式。 結果顯示,在相對高溫環境下燃燒生成的黑炭(700度),易揮發元素的比例相對較低,形成的黑炭較為穩定。埋藏於土壤中6年的黑炭,檢視出黑炭受環境微生物降解的訊號。在實驗室厭氧發酵槽中,黑炭與實驗室製備的礦物產生鍵結,同時在黑炭表面形成物理保護。藉由黑炭的半揮發性物質分析,我們歸納出黑炭樣本之間的共同特性。我們從質量及分子碎片光譜分析檢視,推斷出黑炭表面半揮發性物質主要由V-type的木質素(Lignin)組成,主要由分子量166及168的香草酮及香草酸組成,並且在所有黑炭樣品當中皆可見此一光譜訊號。因此,我們將其視為黑炭物質在燃燒過程中所生成之生物標記。黑炭巨分子化學結構及性質複雜,但是分解產物及有類似木質素的特徵。生物質燃燒導致木質素氧化分解形成的官能團,可與環境周圍礦物質形成化學鍵結及物理保護。對此,我們建議更多努力應該用在進一步利用其他分析方法檢視黑炭降解產物之特性,以正確評估黑炭在環境的長期穩定封存的潛力及環境?能。
Date of Award2019
Original languageChinese
SupervisorBiqing Liang (Supervisor)

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利用半揮發性化合物探討黑炭的降解過程
婧, 陳. (Author). 2019

Student thesis: Master's Thesis