Física, química e biológica dos Seis biochars produzido para a remediação de áreas contaminadas
Summary
O biocarvão é um material rico em carbono utilizado como correção do solo com a capacidade de sequestrar carbono de forma sustentável, melhorar a qualidade do substrato e contaminantes sorb. Este protocolo descreve os 17 métodos analíticos utilizados para a caracterização do biochar, que é exigido antes da implementação em larga escala destas alterações no ambiente.
Abstract
As propriedades físicas e químicas do biochar variar com base em fontes de matéria prima e condições de produção, tornando-se possível projetar biochars com funções específicas (por exemplo, seqüestro de carbono, melhoria da qualidade do solo, ou de sorção de contaminantes). Em 2013, a Iniciativa Internacional Biochar (IBI) disponibilizadas ao público a sua definição de produtos padronizados e orientações Testes de Produto (versão 1.1), que estabelecem normas relativas às características físicas e químicas para biochar. Seis biochars feitos a partir de matérias-primas de três diferentes e a duas temperaturas foram analisadas quanto a características relacionadas com a sua utilização como um condicionador do solo. O protocolo descreve análises das matérias-primas e biochars e inclui: capacidade de troca de cátions (CTC), área superficial específica (SSA), carbono orgânico (CO) e porcentagem de umidade, pH, distribuição de tamanho de partículas e análise imediata e definitiva. Também descrito no protocolo são as análises das matérias-primas e biochars para os contaminantes, incluindo os hidrocarbonetos policíclicos aromáticos (HPAs), bifenilos policlorados (PCB), metais e mercúrio, bem como nutrientes (fósforo, nitrito e nitrato de amónio e de azoto). O protocolo inclui também os procedimentos de testes biológicos, evasão de minhoca e testes de germinação. Com base no controle de garantia de qualidade / qualidade (QA / QC) resultados de espaços em branco, duplicatas, padrões e materiais de referência, todos os métodos foram determinados adequado para uso com biocarvão e como matéria-prima materiais. Todas as matérias-primas foram biochars e bem dentro do critério estabelecido pelo IBI e havia pouca diferença entre biochars, excepto no caso de o biocarvão produzido a partir de materiais de resíduos de construção. Este biochar (referido como Old biochar) foi determinada a ter níveis elevados de arsênico, cromo, cobre e chumbo, e não conseguiu evitar e germinação ensaios de minhoca. Com base nesses resultados, biochar Old não seria adequado para uso como correção do solo para o carbono sequestration, melhorias de qualidade de substrato ou de remediação.
Introduction
O biocarvão é um subproduto rico em carbono produzido durante a pirólise de matéria orgânica 1. Os juros, tanto publicamente como academicamente, na adição de biochar em solos, decorre de sua capacidade de melhorar a qualidade do solo e crescimento da planta 2, 3, de forma sustentável seqüestrar carbono 4, e sorb contaminantes nocivos 2, 3, 5-7, enquanto que oferecem simultaneamente alternativas para resíduos gestão e produção de energia por pirólise.
Biochars estão sendo produzidos por várias empresas e organizações em todo o mundo através de diferentes sistemas de pirólise. Os materiais utilizados para a produção de biochar incluem (mas não estão limitados a) aparas de madeira, esterco animal e resíduos de construção 1. Estas diferenças são esperadas, para alterar as propriedades físicas e químicas dos biochars e, assim, melhorar a sua capacidade de substratos, promover a estabilidade a longo prazo e aumentam as capacidades de sorção. Além disso, durante o processo de pirólise a ma biochary ficar involuntariamente contaminados com metais, PAHs e PCBs, como resultado de matérias-primas contaminadas ou condições inadequadas de pirólise. Portanto, antes de biochar pode ser aplicada em larga escala para o meio ambiente como correção do solo, caracterização cuidadosa do biochar para os contaminantes, área superficial específica, capacidade de troca catiônica, evasão de minhoca e germinação e outros sugeridos pela Iniciativa Internacional de biocarvão (IBI) deve ser conduzida. Em 2013, a primeira definição de produtos padronizados e Produto orientações Testes de biocarvão, que estabelece normas para as características físicas e químicas de biocarvão, foi publicado e disponibilizadas ao público.
A pesquisa mostrou que biochar produzido em uma estufa comercial em Odessa, ON, Canadá tem a capacidade de melhorar significativamente o crescimento das plantas em solos intensamente degradadas e sorb a poluentes orgânicos persistentes (POPs), tais como PCB 2, 3. Essa biochar foi produzido a partir de trêsdiferentes matérias-primas (ou seja, fontes de matéria orgânica), através de um sistema de caldeira, onde o calor gerado é usado para aquecer o seu funcionamento de efeito estufa durante os meses de inverno.
Este estudo fornece dados de caracterização pertinentes para a produção de biochar em uma caldeira de biomassa, bem como o uso de biochar como correção do solo. O objetivo deste estudo é caracterizar minuciosamente as características biológicas de seis biochars de acordo com as normas estabelecidas pela IBI em sua definição padronizada do produto e orientações Testes de Produto (versão 1.1) (2013) física, química e. Essas características serão ligados, sempre que possível, para o desempenho de cada biochar como alterações agrícolas e sua capacidade de Sorb contaminantes.
Protocol
Representative Results
Discussion
Todos os métodos listados no protocolo foram validados com atenção e amplamente utilizado para solos. Como caracterização biochar ainda está em sua infância, a eficácia desses métodos para o substrato rico em carbono foi em grande parte desconhecido. Assim, embora esses próprios métodos não são novos, a sua aplicação para caracterizar rotineiramente biochar é. Em termos de controle de qualidade de garantia / qualidade, não houve problemas entre qualquer um dos métodos em relação aos espaços em branc…
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) |
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