Fysikaliska, kemiska och biologiska karakterisering av Six Biochars Producerad för sanering av förorenade områden
Summary
Biokol är en kolrikt material som används som jordförbättring med förmågan att på ett hållbart sätt binda koldioxid, förbättra substratkvalitet och Sorb föroreningar. Detta protokoll beskriver de 17 analysmetoder som används för karakterisering av biokol, som krävs innan storskalig implementering av dessa ändringar i miljön.
Abstract
De fysiska och kemiska egenskaper biokol varierar beroende på råmaterial källor och produktionsförhållanden, vilket gör det möjligt att konstruera biochars med specifika funktioner (t.ex. kolbindning, förbättringar markkvalitet, eller förorenings sorption). År 2013, den internationella Biochar Initiative (IBI) göras allmänt tillgänglig deras Standardiserad Produkt Definition och produkttester riktlinjer (version 1.1), som fastställer standarder för fysiska och kemiska egenskaper för biokol. Sex biochars gjorda av tre olika råvaror och vid två temperaturer analyserades för egenskaper i samband med deras användning som jordförbättring. Protokollet beskriver analyser av utgångsmaterial och biochars och omfattar: katjonbyteskapacitet (CEC), specifik ytarea (SSA), organiskt kol (OC) och fuktprocent, pH, partikelstorleksfördelning, och i närheten av och ultimat analys. Också beskrivs i protokollet är analyserna av råvaror och biokols för främmande ämnen, inklusive polycykliska aromatiska kolväten (PAH), polyklorerade bifenyler (PCB), metaller och kvicksilver samt näringsämnen (fosfor, nitrit och nitrat och ammonium som kväve). Protokollet innehåller också de biologiska testmetoderna, daggmask undvikande och grobarhet analyser. Baserat på kvalitetssäkring / kvalitetskontroll (QA / QC) resultaten av råämnen, dubbletter, standarder och referensmaterial, alla metoder bestäms lämplig för användning med biokol och råvarumaterial. Alla biochars och råvaror var väl inom det kriterium som fastställts av IBI och det fanns små skillnader mellan biochars, utom i fallet med biokol framställts av byggavfallsmaterial. Denna biokol (kallas Gamla biochar) var fast besluten att ha förhöjda halter av arsenik, krom, koppar och bly, och misslyckats daggmask undvikande och grobarhet analyser. Baserat på dessa resultat, skulle Gammal biokol inte vara lämpligt för användning som jordförbättring för kol sequestration, substratkvalitetsförbättringar eller sanering.
Introduction
Biokol är en kolrika biprodukt produceras under pyrolys av organiskt material 1. Räntor, både offentligt och akademiskt, att lägga biokol till jordar, härrör från dess förmåga att förbättra jordkvaliteten och växters tillväxt 2, 3, hållbart binda kol 4, och sorb skadliga föroreningar 2, 3, 5-7 samtidigt som erbjuder alternativ för avfall förvaltning och energiproduktion genom pyrolys.
Biochars produceras av många företag och organisationer över hela världen via olika pyrolyssystem. Material som används för biokol produktion omfattar (men är inte begränsade till) flis, stallgödsel och byggavfall 1. Dessa skillnader förväntas förändra biochars fysiska och kemiska egenskaper och därmed deras förmåga att förbättra substrat, främja långsiktig stabilitet och öka sorption kapacitet. Dessutom, under pyrolysprocessen den bioträkol may blir oavsiktligt förorenad med metaller, PAH och PCB som ett resultat av förorenade råvaror eller olämpliga pyrolysförhållanden. Därför, innan biokol kan tillämpas i stor skala till miljön som jordförbättring, noggrann karakterisering av biokol för föroreningar, specifik yta, katjonbyteskapacitet, daggmask undvikande och groning och andra som föreslagits av International Biochar Initiative (IBI) måste utföras. År 2013, det första standardiserad produkt Definition och produkttester Riktlinjer för Biochar, som sätter normer för biokol fysikaliska och kemiska egenskaper, publicerades och göras allmänt tillgänglig.
Forskning har visat att biokol produceras vid en kommersiell växthus i Odessa, ON, har Kanada förmågan att avsevärt förbättra växternas tillväxt i intensivt förstörd mark och Sorb ihållande organiska föroreningar (POP) som PCB 2, 3. Denna biokol producerats från treolika råvaror (dvs. organiskt material källor) via ett pannsystem där värmen används för att värma sina växthus drift under vintermånaderna.
Denna studie ger karakteriseringsdata relevanta för produktion av biokol i en biobränslepanna, och användning av biokol som jordförbättring. Syftet med denna studie är att grundligt karakterisera de fysikaliska, kemiska och biologiska egenskaper sex biochars enligt normer som fastställts av IBI i deras Standardiserad produkt Definition och produkttester riktlinjer (version 1.1) (2013). Dessa egenskaper kommer att kopplas om möjligt till utförandet av varje biokol som ändringar jordbruks- och deras förmåga att sorbera föroreningar.
Protocol
Representative Results
Discussion
Alla de metoder som anges i protokollet har noggrant validerat och i stor utsträckning används för jordar. Som biokol karakterisering är fortfarande i sin linda, var hur effektiva dessa metoder för koldioxidrika substrat till stor del okända. Därför, även om dessa metoder själva inte romanen, är deras tillämpning på rutinmässigt karakterisera biokol. När det gäller kvalitetssäkring / kvalitetskontroll, det fanns inga frågor bland någon av de metoder med avseende på de ämnena vara under detektionsgr?…
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) |
Referências
- 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).
