الفيزيائية والكيميائية والبيولوجية توصيف ستة Biochars إنتاج لمعالجة المواقع الملوثة
Summary
الفحم النباتي هو مادة غنية بالكربون استخدامها بوصفها تعديل التربة مع القدرة على تنحية الكربون على نحو مستدام، وتحسين نوعية الركيزة والملوثات فاكهة الغبيراء. يصف هذا البروتوكول الأساليب التحليلية 17 تستخدم لتوصيف الفحم النباتي، وهو الأمر المطلوب قبل التنفيذ على نطاق واسع من هذه التعديلات في البيئة.
Abstract
الخواص الفيزيائية والكيميائية للالفحم النباتي تختلف استنادا إلى مصادر المواد الأولية وظروف الإنتاج، مما يجعل من الممكن لهندسة biochars مع وظائف محددة (على سبيل المثال تنحية الكربون، وتحسين نوعية التربة، أو الامتصاص الملوثات). في عام 2013، قدمت مبادرة الفحم النباتي الدولي (IBI) المتاحة للعموم بهم موحدة تعريف المنتج وإرشادات اختبار المنتج (النسخة 1.1) التي وضعت معايير لالخصائص الفيزيائية والكيميائية للالفحم النباتي. وقد تم تحليل ستة biochars مصنوعة من ثلاثة المواد الأولية المختلفة، وعلى اثنين من درجات الحرارة عن الخصائص المتعلقة استخدامها كتعديل التربة. يصف بروتوكول تحليل المواد الأولية وbiochars وتشمل: القدرة تبادل الأيونات الموجبة (CEC)، مساحة محددة (SSA) والكربون العضوي (OC) ونسبة الرطوبة، ودرجة الحموضة، وتوزيع حجم الجسيمات، وتحليل الداني والنهائي. كما هو موضح في البروتوكول هي تحليلات من المواد الأولية والفحم النباتيالصورة عن الملوثات بما في ذلك هيدروكربونات عطرية متعددة الحلقات (الحلقات)، ثنائي الفينيل متعدد الكلور (PCBs)، والمعادن والزئبق وكذلك المغذيات (الفوسفور والنتريت والنترات والأمونيوم كما النيتروجين). ويتضمن البروتوكول أيضا إجراءات الاختبار البيولوجية، وتجنب ديدان الأرض والمقايسات الإنبات. على أساس السيطرة ضمان الجودة / الجودة (QA / QC) نتائج الفراغات، والتكرارات، والمعايير والمواد المرجعية، تم تحديد كافة أساليب كافية للاستخدام مع المواد الفحم النباتي وسيطة. وكانت جميع biochars والمواد الأولية جيدا داخل المعيار الذي وضعته IBI وكان هناك اختلاف كبير بين biochars، ما عدا في حالة من الفحم النباتي التي تنتج من مواد النفايات البناء. وكان هذا الفحم النباتي (ويشار إلى قديم الفحم النباتي) مصممة لديهم مستويات مرتفعة من الزرنيخ والكروم والنحاس، والرصاص، وفشل دودة الأرض تجنب وإنبات المقايسات. وبناء على هذه النتائج، فإن الفحم النباتي قديم لا تكون مناسبة لاستخدامها بوصفها تعديل التربة لق الكربونequestration، وتحسين نوعية الركيزة أو العلاج.
Introduction
الفحم النباتي هو من قبل المنتج غنية بالكربون التي تنتج أثناء الانحلال الحراري للمواد العضوية 1. الفائدة، سواء علنا وأكاديميا، في إضافة الفحم النباتي للتربة، وينبع من قدرتها على تحسين نوعية التربة ونمو النبات 2، 3، 4 عزل الكربون على نحو مستدام، ويعب من الملوثات الضارة 2، 3، 5-7، بينما يشكل في ذات الوقت بدائل للنفايات إدارة الإنتاج والطاقة من خلال الانحلال الحراري.
ويجري انتاج Biochars من قبل العديد من الشركات والمنظمات في جميع أنحاء العالم عن طريق نظم الانحلال الحراري مختلفة. المواد المستخدمة لإنتاج الفحم النباتي وتشمل (ولكن لا تقتصر على) رقاقات الخشب والسماد الحيواني والنفايات البناء 1. ويتوقع لهذه الاختلافات لتغيير الخواص الفيزيائية والكيميائية للbiochars "، وبالتالي قدرتها على تحسين ركائز، وتعزيز الاستقرار على المدى الطويل وزيادة قدرات الامتصاص. بالإضافة إلى ذلك، أثناء عملية الانحلال الحراري أماه الفحم النباتيذ تصبح ملوثة غير قصد مع المعادن، الحلقات وثنائي الفينيل متعدد الكلور نتيجة المواد الأولية الملوثة أو شروط الانحلال الحراري غير لائقة. لذلك، قبل يمكن تطبيق الفحم النباتي على نطاق واسع في البيئة كتعديل التربة، وتوصيف دقيق للالفحم النباتي للملوثات، مساحة محددة، والقدرة على تبادل الأيونات الموجبة، وتجنب ديدان الأرض وإنبات وغيرها التي اقترحتها مبادرة الفحم النباتي الدولي (IBI) يجب أن تتم. في عام 2013، أول موحدة تعريف المنتج وإرشادات اختبار المنتج لالفحم النباتي، والتي تضع معايير للخصائص الفيزيائية والكيميائية الفحم النباتي، ونشرت وإتاحتها للعموم.
وقد أظهرت الأبحاث أن الفحم النباتي المنتجة في دفيئة التجارية في أوديسا، ON، كندا لديها القدرة على تحسين نمو النبات بشكل كبير في التربة المتدهورة بشكل مكثف ومستمر يعب الملوثات العضوية الثابتة مثل ثنائي الفينيل متعدد الكلور 2 و 3. وقد تم إنتاج هذا الفحم النباتي من ثلاثةالمواد الأولية المختلفة (أي مصادر المواد العضوية) عن طريق نظام المرجل حيث يتم استخدام الحرارة المتولدة لتدفئة عملية المسببة للاحتباس الحراري خلال أشهر الشتاء.
وتقدم هذه الدراسة بيانات التوصيف المناسب أن إنتاج الفحم النباتي في غلاية الكتلة الحيوية، واستخدام الفحم النباتي كتعديل التربة. والهدف من هذه الدراسة هو تميز بدقة الخصائص البيولوجية للستة biochars وفقا للمعايير التي وضعتها IBI في هم الموحد تعريف المنتج وإرشادات اختبار المنتج (النسخة 1.1) (2013) الفيزيائية والكيميائية و. وسيتم ربط هذه الخصائص، حيثما أمكن، لأداء كل الفحم النباتي إلى التعديلات الزراعية وقدرتها على يعب الملوثات.
Protocol
Representative Results
Discussion
وكانت كل من الطرق المذكورة في البروتوكول التحقق بعناية وتستخدم على نطاق واسع للتربة. كما وصف الفحم النباتي لا يزال في مراحله الأولى، وكانت فعالية هذه الأساليب لالركيزة غنية بالكربون غير معروفة إلى حد كبير. وبالتالي، على الرغم من أن هذه الأساليب نفسها ليست جديدة، وتط…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
This work was funded by the Government of Canada’s Federal Economic Development Agency (FedDev) Applied Research and Commercialization Extension to Queen’s University (Dr. Allison Rutter and Dr. Darko Matovic). Sincerest thank you to Burt’s Greenhouses (Odessa, ON) for providing the biochars. Special thanks to Yuxing Cui of the CBRN Protection Group at RMC and staff of the ASU and Zeeb Lab for their ongoing support.
Materials
| Name of Material/ Equipment | Company | Catalog Number | Comments/Description |
| Biochar | Burt's Greenhouses | All six biochars were produced at Burt's Greenhouses via BlueFlame Boiler system | |
| NaOAc | Fisher Scientific | E124-4 | Dissolving 136.08 g of NaOAC.3H2O in 750mL distilled, deionized water (DDI water) |
| Acetic Acid | Fisher Scientific | A38-212 | |
| Sodium Hydroxide | Fisher Scientific | SS284-1 | |
| Isopropanol | Fisher Scientific | A416P4 | 80% IPA- 800 mL IPA with 200 mL DDI water. |
| NH4Cl | Fisher Scientific | A649500 | Dissolving 5.35 g NH4Cl into 1 L DDI water. |
| Alumminum Drying Pan | Fisher Scientific | 08-732-110 | |
| Drying Oven | Fisher Scientific | 508N0024 | 200°C for 2 hours. |
| Desiccator | Fisher Scientific | 08-595A | |
| Balance | Mettler | 1113032410 | |
| Saturating Solution | Fisher Scientific | 06-664-25 | |
| Vortex | Barnstead/Thermolyne | 871000536389 | |
| Centrifuge | International Equipment Company | 24372808 | 3000 g for 5 mins. |
| Rinsing Solution | Fisher Scientific (Ricca Chemistry Company) | 06-664-24 | |
| Conductivity Meter | WESCAN | 88298 | |
| Replacing Solution | Fisher Scientific | 06-664-24 | |
| ICP-AES | Varian | EL00053841 | |
| ASAP 2000 Surface Area Analyser | Cavlon | 885 | Degassing at 120°C for a minimum of 2 hours. |
| Muffle Furnace | Fisher Scientific | 806N0024 | Heat for 16 hours covering at 420°C. |
| pH Meter | Fisher Scientific | 1230185263 | |
| Sieve | Fisher Scientific | 2288926 | 4.7 mm sieve being at the top. |
| Sieve Skaker | Meinzer II | 0414-02 | Shake for 10 min. |
| Sodium Sulphate | VWR | EM-SX0761-5 | |
| Ottawa Sand | Fisher Scientific | S23-3 | |
| Soxhlet Apparatus | Fisher Scientific (Pyrex) | 09-557A | 4 hours at 4–6 cycles per hour. |
| DCBP | Suprlco Analytical | 48318 | |
| Dichloromethane | Sigma Aldrich | 40042-40855-U | |
| 6890 Plus Gas Chromatograph Micro 63 Ni ECD | Agilent | US00034778 | |
| Helium | AlphaGaz | SPG-NIT1AL50SMART | |
| Nitrogen | AlphaGaz | SPG-HEL1AL50SMART | |
| Mortor and Pestle | Fisher Scientific (CoorsTeh) | 12-948G | |
| Nitric Acid | Fisher Scientific | 351288212 | |
| No. 40 Filter Paper | Fisher Scientific (Whatman) | 09-845A | |
| Quartz/Nickel weigh boats | Fisher Scientific | 11-474-210 | |
| DMA-80 | ATS Scientific | 5090264 | |
| 98-99% Formic Acid | Sigma Aldrich | 33015-1L | 1L volumetric filled to 750 mL with DDI water add 20 mL formic acid and fill to volume with DDI water. |
| Sonicator | Fisher Sientific | 15338284 | |
| Rotating Shaker | New Brunswick Scientific (Innova 2100) | 14-278-108 | 1 hour at 200 rpm. |
| No. 42 Filter Paper | Fisher Scientific (Whatman) | 09-855A | |
| WhirlPacks | Fisher Scientific | R55048 | |
| Potassium Dihydrogen Orthophospahte | Fisher Scientific | 181525 | |
| 2M KCl | Fisher Scientific | P282100 | |
| Plastic Vials | Fisher Scientific | 03-337-20 | |
| Ammonium Chloride | Fisher Scientific | PX05115 | Allow to warm up to room temperature |
| Colour Reagent | Fisher Scientific | 361028260 | Allow to warm up to room temperature |
| Colorimeter | Fisher Scientific | 13-642-400 | Turn on to let the lamp warm up and run for 5 minutes. |
| ASEAL Auto Analyzer 2 | SEAL | 4723A12068 | |
| Liquified Phenol | Fisher Scientific | MPX05115 | Alkaline Phenol- Measure 87 mL of liquefied phenol into 1-L volumetric filled 2/3 with DDI water. Add 34 g NaOH, make up to volume with DDI water. |
| NaOH | Fisher Scientific | S318-3 | |
| Commercial Bleach | Retail Store | Hypochlorite Solution- using 100-mL graduated cylinder measure 31.5 mL of commercial bleach and fill to 100 mL with DDI water. | |
| NaOH Pellets | Fisher Scientific | S320-1 | |
| Disodium EDTA | Sigma Aldrich | E5124 | |
| Sodium Hyprchlorite | Fisher Scientific | SS290-1 | |
| Triton (10%) | Fisher Scientific | BP151-100 | |
| Sodium Nitroprusside | Fisher Scientific | S350-100 | |
| Ammonium Salts | Fisher Scientific | A637-10 | |
| Phenoxide | Fisher Scientific | AC388611000 | |
| Eisenia Fetida | The Worm Factory | ||
| Spade | Retail Store | ||
| Bucket | Retail Store | ||
| Potting Soil | Retail Store | ||
| Avoidance Wheel | Environment Canada | Constructed by a modified design from Environment Canada’s Acute Avoidance Test. | |
| Alumminum Foil | Fisher Scientific | 01-213-100 | |
| Petri Dishes | Fisher Scientific | 08-757-11 | 8.5 cm in diameter. |
| Pumpkin Seeds | Ontario Seed Company (OSC) | 2055 | |
| Alfalpha Seeds | Ontario Seed Company (OSC) | 6675 | |
| Centrifuge Tubes (30mL) | Fisher Scientific | 22-038-906 | |
| Beakers (50mL) | Fisher Scientific (Pyrex) | 02-540G | Oven dry at 105oC. |
| Beakers (30mL) | Fisher Scientific (Pyrex) | 20-540C | |
| Erlenmeyer Flasks (125mL) | Fisher Scientific (Pyrex) | S76106C | |
| Volumetric Flask (100mL) | Fisher Scientific (Pyrex) | 10-211C | |
| Estuarine Sediment | National Insititute of Standards | 1546A | Standard Reference Material |
| Bleach | Clorox Ultra (5-10% sodium hypochlorite) |
References
- Lehmann, J. A handful of carbon. Nature. 447, 143-144 (2007).
- Denyes, M. J., Langlois, V. S., Rutter, A., Zeeb, B. A. The use of biochar to reduce soil PCB bioavailability to Cucurbita pepo and Eisenia fetida. Sci. Total Environ. 437, 76-82 (2012).
- Denyes, M. J., Rutter, A., Zeeb, B. A. In situ application of activated carbon and biochar to PCB-contaminated soil and the effects of mixing regime. Environmental Pollution. 182, 201-208 (2013).
- Glaser, B., Lehmann, J., Zech, W. Ameliorating physical and chemical properties of highly weathered soils in the tropics with charcoal–a review. Biol. Fertility Soils. 35 (4), 219-230 (2002).
- Hale, S. E., Hanley, K., Lehmann, J., Zimmerman, A., Cornelissen, G. Effects of chemical, biological, and physical aging as well as soil addition on the sorption of pyrene to activated carbon and biochar. Environ. Sci. Technol. 45 (24), 10445-10453 (2012).
- Oleszczuk, P., Hale, S. E., Lehmann, J., Cornelissen, G. Activated carbon and biochar amendments decrease pore-water concentrations of polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) in sewage sludge. Bioresour. Technol. 111, 84-91 (2012).
- Ghosh, U., Luthy, R. G., Cornelissen, G., Werner, D., Menzie, C. A. In-situ sorbent amendments: A new direction in contaminated sediment management. Environ. Sci. Technol. 45 (4), 1163-1168 (2011).
- International. ASTM D3172-13. . Standard Practice for Proximate Analysis of Coal and Coke. , (2013).
- International. D3176-09. . Standard Practice for Ultimate Analysis of Coal and Coke. , (2013).
- International. D5158-98. . Standard Test Method for Determination of Particle Size of Powdered Activated Carbon by Air Jet Sieving. , (2005).
- Solaiman, Z. M., Murphy, D. V., Abbott, L. K. Biochars influence seed germination and early growth of seedlings. Plant Soil. 353 (1-2), 273-287 (2012).
- . Method 8270D Semivolatile Organic Compounds by GC/MS. , (2007).
- International Biochar Inititive (IBI). . Standardized Product Definition and Product Testing Guidelines for Biochar that is Used in Soil IBI-STD-1.1. , (2013).
- Demirbas, A. Biorefineries: Current activities and future developments. Energy Conversion and Management. 50 (11), 2782-2801 (2009).
- Bakker, R. Advanced biofuels from lignocellulosic biomass. The Biobased Economy: ‘Biofuels, Materials and Chemicals in the Post-oil Era’. , 165 (2012).
- Preston, C., Schmidt, M. Black (pyrogenic) carbon: a synthesis of current knowledge and uncertainties with special consideration of boreal regions. Biogeosciences. 3 (4), 397-420 (2006).
- McBeath, A. V., Smernik, R. J. Variation in the degree of aromatic condensation of chars. Org. Geochem. 40 (12), 1161-1168 (2009).
- Schmidt, M. W., Noack, A. G. Black carbon in soils and sediments: analysis, distribution, implications, and current challenges. Global Biogeochem. Cycles. 14 (3), 777-793 (2000).
- Yaman, S. Pyrolysis of biomass to produce fuels and chemical feedstocks. Energy Conversion and Management. 45, 651-671 (2004).
- Brewer, C. E., Schmidt‐Rohr, K., Satrio, J. A., Brown, R. C. Characterization of biochar from fast pyrolysis and gasification systems. Environmental Progress & Sustainable Energy. 28 (3), 386-396 (2009).
- Cantrell, K. B., Hunt, P. G., Uchimiya, M., Novak, J. M., Ro, K. S. Impact of pyrolysis temperature and manure source on physicochemical characteristics of biochar. Bioresour. Technol. 107, 419-428 (2012).
- Enders, A., Hanley, K., Whitman, T., Joseph, S., Lehmann, J. Characterization of biochars to evaluate recalcitrance and agronomic performance. Bioresour. Technol. 114, 644-653 (2012).
- Krull, E., Baldock, J. A., Skjemstad, J. O., Smernik, R. J., Lehmann, J., Joseph, S. . Characteristics of Biochar: Organo-chemical Properties. , 53-65 (2009).
- Atkinson, C., Fitzgerald, J., Hipps, N. Potential mechanisms for achieving agricultural benefits from biochar application to temperate soils: a review. Plant Soil. 337 (1), 1-18 (2010).
- Sun, X., Werner, D., Ghosh, U. Modeling PCB Mass Transfer and Bioaccumulation in a Freshwater Oligochaete Before and After Amendment of Sediment with Activated Carbon. Environ. Sci. Technol. 43 (4), 1115-1121 (2009).
- Sun, X., Ghosh, U. PCB bioavailability control in Lumbriculus variegatus through different modes of activated carbon addition to sediments. Environ. Sci. Technol. 41 (13), 4774-4780 (2007).
- Hale, S. E., Werner, D. Modeling the Mass Transfer of Hydrophobic Organic Pollutants in Briefly and Continuously Mixed Sediment after Amendment with Activated Carbon. Environ. Sci. Technol. 44 (9), 3381-3387 (2010).
- Li, D., Hockaday, W. C., Masiello, C. A., Alvarez, P. J. J. Earthworm avoidance of biochar can be mitigated by wetting. Soil Biol. Biochem. 43 (8), 1732-1740 (2011).
- Zimmerman, A. R. Abiotic and microbial oxidation of laboratory-produced black carbon (biochar). Environ. Sci. Technol. 44 (4), 1295-1301 (2010).
- Deenik, J. L., McClellan, T., Uehara, G., Antal, M. J., Campbell, S. Charcoal volatile matter content influences plant growth and soil nitrogen transformations. Soil Sci. Soc. Am. J. 74 (4), 1259-1270 (2010).
- Sander, M., Pignatello, J. J. Characterization of charcoal adsorption sites for aromatic compounds: insights drawn from single-solute and bi-solute competitive experiments. Environ. Sci. Technol. 39 (6), 1606-1615 (2005).
- Liang, B., et al. Black carbon increases cation exchange capacity in soils. Soil Sci. Soc. Am. J. 70, 1719-1730 (2006).
- Chan, K., Van Zwieten, L., Meszaros, I., Downie, A., Joseph, S. Agronomic values of greenwaste biochar as a soil amendment. Soil Research. 45, 629-634 (2007).
- Enders, A., Hanley, K., Whitman, T., Joseph, S., Lehmann, J. Characterization of biochars to evaluate recalcitrance and agronomic performance. Bioresour. Technol. 114, 644-653 (2012).
- Lee, J. W., et al. Characterization of biochars produced from cornstovers for soil amendment. Environ. Sci. Technol. 44 (20), 7970-7974 (2010).
- Novak, J. M., et al. Characterization of designer biochar produced at different temperatures and their effects on a loamy sand. Annals of Environmental Science. 3 (1), 195-206 (2009).
- Mohan, D., Sarswat, A., Ok, Y. S., Pittman, C. U. Organic and inorganic contaminants removal from water with biochar, a renewable, low cost and sustainable adsorbent–A critical review. Bioresour. Technol. , (2014).
- Peterson, S. C., Appell, M., Jackson, M. A., Boateng, A. A. Comparing Corn Stover and Switchgrass Biochar: Characterization and Sorption Properties. Journal of Agricultural Science. 5 (1), 1-8 (2013).
- Kloss, S., et al. Characterization of Slow Pyrolysis Biochars: Effects of Feedstocks and Pyrolysis Temperature on Biochar Properties. J. Environ. Qual. 41 (4), 990-1000 (2012).
- Wu, W., et al. Chemical characterization of rice straw-derived biochar for soil amendment. Biomass Bioenergy. 47, 268-276 (2012).
- Brewer, C. E., Unger, R., Schmidt-Rohr, K., Brown, R. C. Criteria to Select Biochars for Field Studies based on Biochar Chemical Properties. BioEnergy Res. 4 (4), 312-323 (2012).
- Gomez-Eyles, J. L., Sizmur, T., Collins, C. D., Hodson, M. E. Effects of biochar and the earthworm Eisenia fetida on the bioavailability of polycyclic aromatic hydrocarbons and potentially toxic elements. Environmental Pollution. 159 (2), 616 (2011).
- Paul, P., Ghosh, U. Influence of activated carbon amendment on the accumulation and elimination of PCBs in the earthworm Eisenia fetida. Environmental Pollution. 159 (12), 3763 (2011).
- . . Environment Canada (EC) Biological Test Method: Tests for Toxicity of Contaminated Soil to Earthworms (‘andrei’, ‘Eisenia fetida’, or ‘Lumbricus terrestris) EPS1/RM/43. , (2007).
- Zhang, B. G., Li, G. T., Shen, T. S., Wang, J. K., Sun, Z. Changes in microbial biomass C, N, and P and enzyme activities in soil incubated with the earthworm Metaphire guillelmi or Eisenia fetida. Soil Biol. Biochem. 32 (1), 2055-2062 (2000).
- Belfroid, A., vanden Berg, M., Seinen, W., Hermens, J., Uptake van Gestel, K. bioavailability and elimination of hydrophobic compounds in earthworms (Eisenia andrei) in field-contaminated soil. Arch. Environ. Contam. Toxicol. 14 (4), 605-612 (1995).
- Denyes, M. J., Button, M., BA, Z. e. e. b., Rutter, A., Weber, K. P. In situ remediation of PCB-contaminated soil via phytoextraction and activated carbon/biochar amendments- soil microbial responses. Journal of Hazardous Materialssubmitted. , (2014).
