Física, química y caracterización biológica de seis biochars Producido para la Remediación de Sitios Contaminados
Summary
Biocarbón es un material rico en carbono se utiliza como una enmienda del suelo con la capacidad de secuestrar sostenible de carbono, mejorar la calidad del sustrato y los contaminantes Sorb. Este protocolo describe los métodos analíticos 17 utilizados para la caracterización de biochar, que se requiere antes de la implementación a gran escala de estas enmiendas en el medio ambiente.
Abstract
Las propiedades físicas y químicas de biochar varían en función de las fuentes de materias primas y las condiciones de producción, por lo que es posible diseñar biochars con funciones específicas (por ejemplo, captura de carbono, mejoras en la calidad del suelo, o de adsorción de contaminantes). En 2013, la Iniciativa Internacional Biochar (IBI) hizo públicamente disponible su Estandarizado Definición del producto y líneas directrices de ensayo del producto (versión 1.1), que establece las normas para las características físicas y químicas de biochar. Se analizaron seis biochars elaborados a partir de tres diferentes materias primas y a dos temperaturas de características relacionadas con su uso como una enmienda del suelo. El protocolo describe el análisis de las materias primas y biochars e incluye: capacidad de intercambio catiónico (CIC), superficie específica (SSA), carbono orgánico (CO) y el porcentaje de humedad, pH, la distribución del tamaño de partículas y análisis inmediato y definitivo. También se describen en el protocolo son los análisis de las materias primas y el biochars para los contaminantes incluidos los hidrocarburos aromáticos policíclicos (PAHs), bifenilos policlorados (PCBs), metales y mercurio, así como nutrientes (fósforo, nitritos y nitratos y amonio como nitrógeno). El protocolo también incluye los procedimientos de análisis biológicos, la evitación de las lombrices y ensayos de germinación. Basado en el mando de control de calidad / calidad (QA / QC) los resultados de los espacios en blanco, duplicados, estándares y materiales de referencia, todos los métodos se determinaron adecuada para su uso con materiales de biochar y de materias primas. Todos biochars y materias primas se encontraban dentro de los criterios establecidos por el IBI y había pequeñas diferencias entre biochars, excepto en el caso del biochar producido a partir de materiales de desecho de la construcción. Este biochar (denominado Antiguo biochar) estaba decidido a tener niveles elevados de arsénico, cromo, cobre y plomo, y no pudo evitar y germinación ensayos de lombrices. Basándose en estos resultados, Viejo biochar no sería adecuado para su uso como una enmienda del suelo para s de carbonoequestration, mejoras o remediación de calidad sustrato.
Introduction
Biocarbón es un subproducto rico en carbono producido durante la pirólisis de la materia orgánica 1. Interés, tanto en público como académico, en la adición de biochar a los suelos, se deriva de su capacidad para mejorar la calidad del suelo y crecimiento de las plantas 2, 3, sostenible secuestrar carbono 4, y sorb contaminantes dañinos 2, 3, 5-7, mientras que ofrecen simultáneamente alternativas para los residuos gestión y producción de energía por pirólisis.
Biochars están siendo producidos por numerosas empresas y organizaciones de todo el mundo a través de diferentes sistemas de pirólisis. Los materiales utilizados para la producción de carbón vegetal incluyen (pero no se limitan a) astillas de madera, estiércol animal y residuos de construcción 1. Se espera que estas diferencias para alterar las propiedades físicas y químicas de los biochars 'y por lo tanto su capacidad de mejorar los sustratos, promover la estabilidad a largo plazo y aumentar la capacidad de adsorción. Adicionalmente, durante el proceso de pirólisis de la ma biochary se convierten involuntariamente contaminados con metales, PAHs y PCBs, como resultado de las materias primas contaminadas o condiciones de pirólisis inapropiados. Por lo tanto, antes de que el biochar se puede aplicar a gran escala para el medio ambiente como una enmienda del suelo, cuidadosa caracterización del biochar para contaminantes, superficie específica, capacidad de intercambio catiónico, la evitación de las lombrices y la germinación y otros sugeridos por la Iniciativa Internacional Biochar (IBI) debe llevarse a cabo. En 2013, el primer Estandarizado Definición del producto y del producto líneas directrices de ensayo para biochar, que establece normas para las características físicas y químicas de biochar, se publicarán y pondrán a disposición del público.
La investigación ha demostrado que el biochar producido en un invernadero comercial en Odessa, ON, Canadá tiene la capacidad de mejorar significativamente el crecimiento de plantas en suelos intensamente degradados y sorber los contaminantes orgánicos persistentes (COP), como los PCB 2, 3. Este biochar se ha producido a partir de tresdiferentes materias primas (es decir, fuentes de materia orgánica) a través de un sistema de caldera donde se utiliza el calor generado para calentar su operación de efecto invernadero durante los meses de invierno.
Este estudio proporciona datos de caracterización pertinentes a la producción de biochar en una caldera de biomasa, y el uso de biochar como una enmienda del suelo. El objetivo de este estudio es caracterizar a fondo las características biológicas de seis biochars de acuerdo con las normas establecidas por el IBI en su Estandarizado Definición del producto y líneas directrices de ensayo del producto (versión 1.1) (2013) físico, químico y. Estas características se vincularán, cuando sea posible, a la actuación de cada biochar como enmiendas agrícolas y su capacidad para absorber los contaminantes.
Protocol
Representative Results
Discussion
Todos los métodos enumerados en el protocolo han sido cuidadosamente validado y ampliamente utilizado para los suelos. Como caracterización biochar es todavía en su infancia, la eficacia de estos métodos para el sustrato rico en carbono era en gran parte desconocido. Por lo tanto, aunque estos mismos métodos no son nuevos, su aplicación para caracterizar de forma rutinaria biochar es. En términos de control / garantía de calidad, no hubo problemas entre cualquiera de los métodos con respecto a los espacios en b…
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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