JoVE Journal > Environment
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Resultados
Discussion
Declarações
Acknowledgements
Materials
Referências
Tadução automática
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
Ambiente

물리, 화학에 대한 생산 식스 Biochars의 생물학적 특성 오염 된 사이트의 재조정

Published: November 28, 2014
doi:
10.3791/52183
, , ,
1Department of Chemistry and Chemical Engineering,Royal Military College of Canada, 2Analytical Services Unit, School of Environmental Studies,Queen’s University

Summary

Biochar라고는 지속 기판 품질 SORB 오염물을, 탄소를 개선하는 능력을 가진 토양 개량제로서 사용되는 탄소 리치 물질이다. 이 프로토콜은 환경에서 이러한 개정의 대규모 구현하기 전에 필요 Biochar라고의 특성, 사용 (17) 분석 방법에 대해 설명합니다.

Abstract

Biochar라고의 물리적, 화학적 특성은 그것이 가능한 특정 기능 (예를 들어 탄소 격리, 토양 품질 개선, 또는 오염 물질 흡착)와 biochars을 설계 할 수있게, 공급 원료 소스와 생산 조건에 따라 달라집니다. 2013 년, 국제 Biochar라고 이니셔티브 (IBI)는 자신의 표준화 된 제품 정의 및 Biochar라고에 대한 물리적, 화학적 특성에 대한 표준을 설정 제품 시험 가이드 라인 (버전 1.1) 공개적으로 사용할. 세 가지 원료로부터 두 온도에서 이루어 식스 biochars은 토양 개량제로서의 용도에 관한 특성을 분석 하였다. 프로토콜은 원료 및 biochars의 분석을 설명하고 포함 양이온 교환 용량 (CEC), 비 표면적 (SSA), 유기 탄소 (OC) 및 수분 함유율, 산도, 입자 크기 분포, 및 근접하게하고 궁극적 분석. 또한 원료 및 Biochar라고의 분석은 프로토콜에 설명다환 방향족 탄화수소 (PAHs에), 폴리 염화 비 페닐 (PCB를), 금속 수은뿐만 아니라 영양분 (질소, 인, 아질산 및 질산 암모늄)을 포함한 오염 물질의. 프로토콜은 생물학적 시험 절차, 지렁이 회피 및 발아 분석을 포함한다. 품질 보증 / 품질 관리 (QA / QC) 공백, 중복, 표준 및 표준 물질의 결과를 바탕으로, 모든 방법 Biochar라고 및 원료 재료와 함께 사용하기에 적합 결정 하였다. 모든 원료는 biochars 및 IBI 의해 설정된 기준 내에서 잘되었고 건설 폐기물로부터 제조 Biochar라고의 경우를 제외 biochars 간의 작은 차이가 있었다. (오래 Biochar라고 라 함)이 Biochar라고 비소, 크롬, 구리, 납과의 상승 된 수준을 갖는 것으로 판정이고, 지렁이 회피 발아 분석법 실패. 이러한 결과를 바탕으로, 오래 Biochar라고 탄소 초간 토양 개량제로서 사용하기에 적합하지 않을 것equestration, 기판 품질 개선 또는 치료.

Introduction

Biochar라고는 유기 물질 (1)의 열분해시 생성되는 탄소가 풍부한 부산물이다. 볼거리 모두 공개적 학업, 토양에 Biochar라고 추가로, 토질과 식물 성장 (2, 3)을 개선하는 능력에서 유래, 지속 폐기물을 동시에 제공하는 대안 동안 탄소 4 및 SORB 해로운 오염 물질 2, 3, 5-7를 격리시키는 열분해에 의해 관리 및 에너지 생산.

Biochars는 다른 열분해 시스템을 통해 전세계 수많은 기업과 조직에 의해 생산되고있다. Biochar라고 생산을 위해 사용되는 물질은 우드 칩, 동물 분뇨 및 건설 폐기물 하나를 포함 (이에 제한되지 않음). 이러한 차이 때문에, 기판을 향상 장기 안정성을 증진 및 흡착 성능을 향상시킬 수있는 능력을 biochars '물리 화학적 특성을 변화시키고 것으로 예상된다. 또한, 열분해 과정 Biochar라고 엄마Y는 실수로 오염 된 원료 또는 부적절한 열분해 조건의 결과로 금속, PAHs의 PCBs에 오염된다. 따라서 Biochar라고는 토양 개량제로 환경에 대규모로인가되기 전에, 국제 Biochar라고 이니셔티브 제안한 오염, 비 표면적, 양이온 교환 용량, 지렁이 회피 발아 및 타인 Biochar라고 조심 특성화 (IBI) 수행해야합니다. 2013 년, 최초의 표준화 된 제품 정의 및 Biochar라고 물리적, 화학적 특성에 대한 표준을 설정 Biochar라고, 대한 제품 시험 가이드 라인, 출판 공개적으로 이용할 수있게했다.

연구 오데사 상업 온실에서 생산 된 Biochar라고 보여 주었다, ON, 캐나다는 상당히 강렬하게 성능이 저하 된 토양과 흡착하다 잔류성 유기 오염 물질 등의 PCB를 2, 3 등 (잔류성 유기 오염 물질)에서 식물의 성장을 향상시킬 수있는 능력을 가지고 있습니다.이 Biochar라고 세에서 생산 된발생 된 열은 겨울 동안 온실 동작을 따뜻하게하는 데 사용되는 보일러 시스템을 통해 다른 원료 (즉, 유기물 소스).

본 연구는 특성화 매스 보일러 Biochar라고의 생산 관련 데이터, 및 토양 개량제 Biochar라고의 용도를 제공한다. 이 연구의 목적은 철저하게 물리적, 화학적 및 표준화 된 제품 정의 및 제품 시험 가이드 라인 (버전 1.1) (2013)에 IBI가 설정 한 기준에 따라 여섯 biochars의 생물학적 특성을 특성화하는 것입니다. 이러한 특성은 농업 개정으로 각 Biochar라고의 성능과 오염 물질을 흡착 될 수있는 능력에, 가능한 경우, 연결됩니다.

Protocol

참고 : 화학 여왕의 대학 (킹스턴, ON)에서 환경 학부에서 분석 서비스 장치 (ASU)에서 실시 하였다 분석한다. ASU는 인정 범위에 나열된 특정 시험 기관 인정을위한 캐나다 협회 (CALA)의 인증을 받았으며. 온실 시험을 포함한 기타 분석은, 화학, 화학 공학과 캐나다 왕립 군사 대학 (킹스턴, ON)에서 실시 하였다. 1. 일반 고려 사항 품질 보증 및 품질 관리를 보장하기 위해, …

Representative Results

IBI (13)에 의해 설정된 기준에 대한 비교를 포함하는 모든 결과의 요약은 표 1 (요약), 2 (신규, 고, 저, 세 번째 공급 원료 및 High-2 biochars), 3 (올드 Biochar라고)에서 찾을 수 있습니다. 2012 년과 2013 년 (표 2)에 사용 된 모든 biochars 및 공급 원료는 IBI가 설정 한 기준 내에서 잘했고 biochars 사이에 약간의 차이가 있었다. 오래 Biochar라고 (표 3…

Discussion

프로토콜에 나열된 모든 방법은 신중하게 검증 및 토양 널리 사용되어왔다. Biochar라고 특성이 아직 초기 단계로서, 탄소가 풍부한 기판이 방법의 효과는 크게 알려지지 않았다. 이러한 방법 자체가 새로운 것은 아니지만 따라서, 정기적으로 Biochar라고 특성을 그들의 응용 프로그램입니다. 품질 보증 / 품질 제어의 측면에서, 검출 한계 이하로되는 공백이나 표준 기준 재료에 대한 정확한 인 회수?…

Declarações

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)
DOWNLOAD MATERIALS LIST

Referências

  1. Lehmann, J. A handful of carbon. Nature. 447, 143-144 (2007).
  2. 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).
  3. 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).
  4. 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).
  5. 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).
  6. 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).
  7. 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).
  8. International. ASTM D3172-13. . Standard Practice for Proximate Analysis of Coal and Coke. , (2013).
  9. International. D3176-09. . Standard Practice for Ultimate Analysis of Coal and Coke. , (2013).
  10. International. D5158-98. . Standard Test Method for Determination of Particle Size of Powdered Activated Carbon by Air Jet Sieving. , (2005).
  11. 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).
  12. . Method 8270D Semivolatile Organic Compounds by GC/MS. , (2007).
  13. International Biochar Inititive (IBI). . Standardized Product Definition and Product Testing Guidelines for Biochar that is Used in Soil IBI-STD-1.1. , (2013).
  14. Demirbas, A. Biorefineries: Current activities and future developments. Energy Conversion and Management. 50 (11), 2782-2801 (2009).
  15. Bakker, R. Advanced biofuels from lignocellulosic biomass. The Biobased Economy: ‘Biofuels, Materials and Chemicals in the Post-oil Era’. , 165 (2012).
  16. 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).
  17. McBeath, A. V., Smernik, R. J. Variation in the degree of aromatic condensation of chars. Org. Geochem. 40 (12), 1161-1168 (2009).
  18. 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).
  19. Yaman, S. Pyrolysis of biomass to produce fuels and chemical feedstocks. Energy Conversion and Management. 45, 651-671 (2004).
  20. 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).
  21. 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).
  22. 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).
  23. Krull, E., Baldock, J. A., Skjemstad, J. O., Smernik, R. J., Lehmann, J., Joseph, S. . Characteristics of Biochar: Organo-chemical Properties. , 53-65 (2009).
  24. 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).
  25. 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).
  26. 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).
  27. 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).
  28. 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).
  29. Zimmerman, A. R. Abiotic and microbial oxidation of laboratory-produced black carbon (biochar). Environ. Sci. Technol. 44 (4), 1295-1301 (2010).
  30. 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).
  31. 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).
  32. Liang, B., et al. Black carbon increases cation exchange capacity in soils. Soil Sci. Soc. Am. J. 70, 1719-1730 (2006).
  33. 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).
  34. 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).
  35. Lee, J. W., et al. Characterization of biochars produced from cornstovers for soil amendment. Environ. Sci. Technol. 44 (20), 7970-7974 (2010).
  36. 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).
  37. 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).
  38. 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).
  39. 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).
  40. Wu, W., et al. Chemical characterization of rice straw-derived biochar for soil amendment. Biomass Bioenergy. 47, 268-276 (2012).
  41. 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).
  42. 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).
  43. 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).
  44. . . Environment Canada (EC) Biological Test Method: Tests for Toxicity of Contaminated Soil to Earthworms (‘andrei’, ‘Eisenia fetida’, or ‘Lumbricus terrestris) EPS1/RM/43. , (2007).
  45. 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).
  46. 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).
  47. 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).

Tags

BiocharFeedstockPhysical And Chemical CharacterizationCation Exchange CapacitySurface AreaOrganic CarbonPHParticle SizeProximate And Ultimate AnalysisContaminantsPAHsPCBsMetalsMercuryNutrientsBiological TestingEarthworm AvoidanceGermination AssaysQuality AssuranceInternational Biochar InitiativeSoil AmendmentCarbon SequestrationRemediation
check_url/pt/52183?article_type=t&slug=physical-chemical-biological-characterization-six-biochars-produced

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Citar este artigo
Denyes, M. J., Parisien, M. A., Rutter, A., Zeeb, B. A. Physical, Chemical and Biological Characterization of Six Biochars Produced for the Remediation of Contaminated Sites. J. Vis. Exp. (93), e52183, doi:10.3791/52183 (2014).
Baixar citação
Reimpressões e Permissões

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image