JoVE Journal > Environment
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Results
Discussion
Disclosures
Acknowledgements
Materials
References
עברית

Automatically Generated
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
Environment

פיזי, כימי וביולוגי אפיון Biochars שש הופק עבור התיקון של אתרים מזוהמים

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

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

הערה: הבדיקות כימיות נערכו באנליטי שירותי היחידה (ASU) בבית הספר ללימודי הסביבה באוניברסיטת קווין (Kingston, ON). ASU הוא מוכר על ידי האגודה הקנדית להסמכת מעבדות (CALA) לבדיקות ספציפיות המפורטים בהיקף ההסמכה. ניתוחים אחרים, לרבות ניסויי חממה, נערכו בקולג 'המלכותי הצבאי של קנדה …

Representative Results

ניתן למצוא סיכום של כל התוצאות כוללים השוואה לקריטריונים שנקבעו על ידי אי.בי.אי 13 בלוחות 1 (סיכום), 2 (חדשה, גבוה, נמוך, שלישית זינה וגבוהה 2-biochars) ו -3 (biochar הישן). כל biochars וחומרי הגלם המשמש בשנת 2012 ו 2013 (לוח 2) היו גם בתוך הקריטריון ש?…

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)
DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  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

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Cite This Article
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).
Download Citation
Reprints and Permissions

View Video

✖

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

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image