פיזי, כימי וביולוגי אפיון Biochars שש הופק עבור התיקון של אתרים מזוהמים
Summary
Biochar הוא חומר פחמן-עשיר המשמש כתיקון אדמה עם היכולת לעקל בר קיימא פחמן, לשפר את איכות מצע ומזהמים sorb. פרוטוקול זה מתאר את 17 שיטות אנליטיות המשמשות לאפיון של biochar, אשר נדרש לפני יישום בקנה מידה גדול של תיקונים אלה בסביבה.
Abstract
תכונות הפיסיקליות וכימיות של biochar משתנות בהתאם למקורות חומרי גלם ותנאי ייצור, כך שניתן להנדס biochars עם פונקציות ספציפיות (לדוגמא קיבוע פחמן, שיפורי איכות קרקע, או ספיחת מזהמים). בשנת 2013, הבינלאומי biochar Initiative (IBI) עשה בפומבי זמין Definition הסטנדרטיים המוצרים והנחיות מוצרי בדיקה (גרסה 1.1) אשר קבעו סטנדרטים למאפיינים פיזיים וכימיים לbiochar. שש biochars עשוי משלושה חומרי גלם שונים ובשתי טמפרטורות נותחו למאפיינים הקשורים לשימוש בם כתיקון אדמה. הפרוטוקול מתאר ניתוחים של חומרי גלם וbiochars וכולל: יכולת החלפת קטיון (CEC), שטח ספציפי (SSA), פחמן אורגני (OC) ואחוז לחות, pH, התפלגות גודל חלקיקים, וניתוח קרוב ואולטימטיבי. כמו כן מתוארים בפרוטוקול הם הניתוחים של חומרי גלם וbiocharים למזהמים כוללים פחמימנים ארומטיים polycyclic (PAHs), biphenyls polychlorinated (PCB), מתכות וכספית, כמו גם חומרים מזינים (זרחן, ניטריט וניטראט ואמוניום כחנקן). הפרוטוקול כולל גם את נהלי בדיקות הביולוגיים, הימנעות תולעת ומבחני נביטה. בהתבסס על שליטת אבטחת איכות / איכות (QA / QC) תוצאות של כדורי סרק, כפילויות, סטנדרטים וחומר עזר, כל השיטות נקבעו מתאימות לשימוש עם חומרי biochar וחומרי גלם. כל biochars וחומרי הגלם היו גם בתוך הקריטריון שנקבע על ידי אי.בי.אי והיו הבדלים קטנים בין biochars, למעט במקרה של biochar מיוצר מחומרי פסולת הבניין. biochar זה (המכונה ישן biochar) היה נחוש בדעתו יש רמות גבוהות של ארסן, כרומיום, נחושת, ועופרת, ונכשל מבחני הימנעות ונביטת התולעת. בהתבסס על תוצאות אלו, biochar הישן לא יהיה מתאים לשימוש כתיקון אדמה לפחמן שלequestration, שיפורי איכות מצע או תיקון.
Introduction
Biochar הוא תוצר לוואי פחמן-עשיר שהופק במהלך פירוליזה של חומר אורגני 1. ריבית, שניהם בפומבי ואקדמית, בהוספת biochar לקרקעות, נובע מיכולתה לשפר את איכות קרקע וצמח צמיחה 2, 3, בר קיימא הטמנת פחמן 4, וsorb מזהמים מזיקים 2, 3, 5-7 תוך חלופות בו זמנית מציעות לפסולת ייצור ניהול ואנרגיה על ידי פירוליזה.
Biochars שיופקו על ידי מספר רב של חברות וארגונים ברחבי העולם באמצעות מערכות פירוליזה שונות. חומרים המשמשים לייצור biochar כוללים (אך לא רק) נסורת, דשן אורגני ופסולת בניית 1. הבדלים אלה צפויים לשנות תכונות פיסיקליות וכימיות של biochars ובכך היכולת שלהם כדי לשפר את מצעים, לקדם את היציבות לטווח ארוך ולהגדיל את יכולות ספיחה. בנוסף, במהלך תהליך פירוליזה ma biochary להזדהם שלא במתכוון עם מתכות, PAHs וPCBs כתוצאה מחומרי גלם מזוהם או תנאי פירוליזה בלתי הולמים. לכן, לפני biochar יכול להיות מיושם בקנה מידה גדול לסביבה כתיקון אדמה, אפיון מדוקדק של biochar למזהמים, שטח ספציפי, יכולת החלפת קטיון, הימנעות תולעת ונביטה ואחרים שהוצעו על ידי הבינלאומי biochar Initiative (IBI) חייב להתנהל. בשנת 2013, ההגדרה הראשונה הסטנדרטית מוצרים והנחיות בדיקת מוצרים biochar, אשר קובע סטנדרטים למאפיינים פיזיים וכימיים biochar, פורסמו וזמין לציבור.
מחקרים הראו biochar שמיוצר בחממה מסחרית באודסה, ON, קנדה היכולת לשפר באופן משמעותי את גידול צמחים בקרקעות בעוצמה מושפלת ומזהמים אורגניים sorb המתמשך (POP) כגון PCBs 2, 3. Biochar זה הופק משלושהחומרי גלם שונים (כלומר מקורות חומר אורגניים) באמצעות מערכת הדוד שבו החום שנוצר משמש כדי לחמם פעולת החממה שלהם בחודשי החורף.
מחקר זה מספק נתונים אפיון רלוונטיים לייצור של biochar בדודי ביומסה, ושימוש בbiochar כתיקון אדמה. מטרתו של מחקר זה היא לאפיין את פיזי, כימי ומאפיינים ביולוגיים של שש biochars על פי סטנדרטים שנקבעו על ידי אי.בי.אי בהגדרתם הסטנדרטית מוצרים והנחיות בדיקת מוצר (גרסת 1.1) (2013) ביסודיות. מאפיינים אלה יהיו צמודים, במידת האפשר, לביצועיו של כל biochar כתיקונים חקלאיים וביכולתם sorb מזהמים.
Protocol
Representative Results
Discussion
כל השיטות מפורטות בפרוטוקול אומתו בזהירות ושימוש נרחב לקרקעות. כאפיון biochar הוא עדיין בחיתוליו, יעילותן של שיטות אלה למצע פחמן-עשיר הייתה ידועה ברובם. לפיכך, למרות שהשיטות אלה עצמם אינן רומן, היישום שלהם באופן שגרתי כדי לאפיין biochar הוא. במונחים של שליטת הבטחה / איכות אי?…
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).
