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Artículo de método

Física, química y caracterización biológica de seis biochars Producido para la Remediación de Sitios Contaminados

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DOI:

10.3791/52183

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28 de noviembre de 2014

 ,  ,  , 
1Department of Chemistry and Chemical Engineering, Royal Military College of Canada, 2Analytical Services Unit, School of Environmental Studies, Queen's University

En este artículo

Resumen

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.

Resumen

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.

Introducción

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.

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Protocolo

NOTA: Los análisis químicos se realizaron en la Unidad de Servicios Analíticos (ASU) en la Escuela de Estudios Ambientales de la Universidad de Queen (Kingston, ON). La ASU está acreditado por la Asociación Canadiense para la Acreditación de Laboratorios (CALA) para las pruebas específicas que figuran en el alcance de la acreditación. Otros análisis, incluyendo pruebas de invernadero, se llevaron a cabo en el Colegio Militar Real de Canadá (Kingston, ON) en el Departamento de Química e Ingeniería Química.

1. Consideraciones generales

  1. Para asegurar la garantía de calidad y control de calidad, analizar una analítica en blanco y un duplicado de análisis, un duplicado de la muestra y un material de referencia estándar con cada lote de muestras (tamaño de lote máximo 10) para los métodos en el protocolo.
  2. Establecer muestras duplicadas cuando submuestreo de la muestra original y pasar por la misma preparación que las muestras desconocidas. Asegúrese de que los valores duplicados se encuentran dentro del 20% de cada unootro o repetir el análisis. Asegúrese de que los resultados del análisis de los documentos en blanco debajo de los límites de detección del método correspondiente. Límites materiales de referencia estándar dependían del método individual, pero asegúrese de que son generalmente dentro de 15 a 30% del valor esperado.
    NOTA: En muchos de los métodos descritos en el protocolo, los detalles están incluidos en el orden sugerido de análisis de muestras incluyendo calibradores, espacios en blanco, estándares altos y bajos, y las muestras desconocidas. Esto es para asegurar que no haya contaminación cruzada entre muestras y garantizar un alto nivel de QA / QC.
    NOTA: Seis biochars se produjeron en un invernadero comercial y se analizaron para los parámetros biológicos químicos, físicos y. Los nombres de cada biochar reflejan sus parámetros de producción o fuente de materia prima (Tabla 1).

Categoría 2. Prueba A: Propiedades de la utilidad biochar básicos

  1. Humedad y Materia Orgánica contenido
    1. Utilice la pérdida en proceso de encendido a cabobordeada por Nelson y Sommers (1996).
      1. Incluya un duplicado de muestras y material de referencia estándar (Ottawa arena) por cada 10 muestras desconocidas.
      2. Etiquetar vasos de 50 ml con un marcador resistente al calor, horno secarlos a 105 ° C, deje que se enfríen y luego registrar el peso.
      3. Pesar 2 g de la muestra secada al aire en el vaso de precipitados secado en horno. Muestra seca a 105 ° C durante 24 horas, a continuación, retire del horno y dejar enfriar.
      4. Una vez frío, se pesa el vaso y la muestra (X = peso de la muestra seca - peso del vaso).
      5. Colocar la muestra en el horno de mufla y el calor durante 16 horas que cubre a 420 ° C. Retire la muestra del horno y dejar enfriar. Pese el vaso con la muestra de nuevo y anotar el peso (Y = peso de la muestra se incinera - peso del vaso).
      6. Realice los siguientes cálculos:
        i) Pérdida por ignición = XY
        ii)% Humedad = ((Muestra Peso - X) / Peso de la muestra) x 100%
        iii)% orgánico Matter = (Pérdida por ignición / X) x 100%
  2. Análisis inmediato y Ultimate
    NOTA: Para el análisis proximal / último, se analizaron cuatro muestras: Bajo, Alto, Fuel Standard y High análisis PAH 2. Se llevó a cabo en Bajo, Alto y Estándar de combustible. Estos fueron elegidos como representante de los biochars producidos desde 2012.
    1. Realizar próximas y últimas análisis en un centro comercial sobre la base de métodos: ASTM D3172-13 8 y D3176-09, Práctica estándar para próximas y últimas 9 Análisis de Carbón y Coque, respectivamente.
  3. pH
    1. Calibre la sonda de pH al día antes de su uso con los estándares de calibración.
    2. Añadir 0,25 g biochar a 25 ml agua destilada y desionizada.
    3. Agitar manualmente durante 2 minutos, centrifugar durante 3000 xg durante 5 min.
    4. Recoger el sobrenadante en un tubo de ensayo de vidrio y pH medida.
  4. Distribución de Tamaño de Partícula
    1. Analizar todas las muestras en triplicate via tamizado en seco progresivo adaptado de ASTM D5158-98 10 utilizando siete tamices US Standard y pan (4,7, 2,0, 1,0, 0,50, 0,25, 0,15 y 0,0075 mm)
      1. Anotar el peso de cada tamiz vacío y apilar los tamices con el fin de la sartén a 4,7 mm con el tamiz de 4,7 mm de estar en la cima.
      2. Colocar 60 g de biochar en el tamiz de 4,7 mm, coloque la tapa en la parte superior y asegure la pila de tamices en el agitador.
      3. Agitar durante 10 minutos y se registra el peso de cada tamiz. Informar de los datos en un archivo de Excel como porcentaje restante en cada tamiz.

3. Prueba de la categoría B: Tóxico Reporting

  1. Las pruebas de germinación
    1. Utilice el método de prueba de germinación de las semillas esbozado por Solaiman et al. (2012) 11.
      1. Utilice papel de filtro y tierra para macetas como controles positivos.
      2. Asegúrese de que los pesos respectivos de cada tratamiento es de 3 g de biochar, 10 g de tierra para macetas, y 1 pieza de filte depapel r.
        NOTA: Estos valores se basan en el volumen en la placa de Petri para que cada plato es ~ 50% completo (en volumen).
      3. En los platos de Petri (8,5 cm de diámetro), coloque cinco Cucurbita pepo spp. Pepo (calabaza) semillas y 50 Medicago sativa (alfalfa) semillas en cada tratamiento.
      4. Usando un cilindro graduado añadir 15 ml de agua a todas las placas de Petri, luego cubrir con sus respectivas tapas.
      5. Colocar las cápsulas de Petri para la germinación en un 14:10 h (día: noche) fotoperíodo fluorescente y mantener la temperatura a 27 ºC (± 6 ºC).
      6. Después de siete días registrar el número de semillas germinadas. Los resultados como% germinaron por plato Petri. Mida la longitud de la raíz de semillas germinadas con una regla. Informe longitudes de raíz como una suma para cada placa de Petri (cm plato / Petri).
  2. Lombriz Evasión
    1. Guarde Eisenia fétida en una matriz de suelo saludable compuesto por turba y macetassuelo y mantener la humedad del suelo en ~ 30%.
    2. Utilice el método de evitación lombriz de tierra descrito por Li et al. (2011). Elija gusanos que van desde 0,3 hasta 0,6 g de tamaño.
      1. Para este ensayo, utilice seis ruedas de evitación (Figura 1) o una estructura similar a los descritos en la prueba de evitación aguda de Medio Ambiente de Canadá (Environment Canada, 2004).
      2. Mix biochars separado utilizando una pala y un balde con tierra para macetas a un ritmo de 2,8% (en peso).
      3. Llene cada uno de los seis compartimentos con 120 g de suelo o de la mezcla suelo / biochar, con cada otro compartimiento que sirve como un control sin modificaciones (Figura 1), es decir suelo sin biochar. Añadir 10 gusanos al compartimiento medio ronda.
      4. Exponer los gusanos durante 48 horas manteniendo la rueda evitación cubierto con papel de aluminio para evitar el escape gusano. Mantener las condiciones de temperatura para las ruedas de evasión entre 20-25 ° C. Vigilar la humedad del suelo y mantener a ~ 30%.
      5. Después de 48 horas eliminar los gusanos y registrar su ubicación en la rueda de evitación, es decir, si están en la i) modificado o ii) compartimentos no enmendadas. No vuelva a usar gusanos para pruebas futuras.
  3. Hidrocarburos aromáticos policíclicos (HAP)
    1. Analizar PAHs por extracción por solvente y GC-MS basado en la EPA 8270 12.
  4. Los bifenilos policlorados (PCB) Concentración
    1. Las muestras secas (10 g) durante la noche a 25 ° C durante 18-24 horas luego los muelen a un polvo fino (tamaño de partícula <0,15 mm) con 10 g de sulfato de sodio y 10 g de arena Ottawa.
    2. Incluir un blanco analítico (arena de Ottawa), un control (una cantidad conocida de estándar PCB) y una muestra analítica duplicado por cada 10 muestras desconocidas.
    3. Coloque 2 g de muestra en Soxhlet dedal y añadir 100 l decaclorobifenilo (DCBP) como patrón sustituto interno.
    4. Extraer muestras en un aparato Soxhlet durante 4 horas a 4-6 ciclos por hora en 250 ml de diclorometano.
    5. El uso de un cromatógrafo de gases equipado con un micro 63 Ni detector de captura de electrones (GC / μECD), una columna capilar de sílice fundida (30 m, 0,25 mm ID x 0,25 m de espesor de película) y el software apropiado para analizar extractos de biochar Aroclors totales. El uso de helio como gas portador a una velocidad de flujo de 1,6 ml / min. Utilice nitrógeno como gas de maquillaje para el detector de captura de electrones (ECD). Valores Informe como mg / g de peso seco.
  5. Análisis de metales
    1. Las muestras de aire seco de 18 a 24 horas y moler en un polvo fino (tamaño de partícula <0,15 mm) con un mortero.
    2. El uso de ácidos concentrados de grado reactivo, calor 0,5 g de la muestra en 2 ml 70% (w / w) de ácido clorhídrico ácido nítrico y 6 ml 38% (w / w), hasta que el volumen se reduce a 1-2 ml. Entonces maquillaje la solución a 25 ml en un matraz aforado utilizando agua desionizada, destilada, se filtra a través de un filtro Whatman No. 40 paper.
    3. Analizar las muestras usando un plasma acoplado inductivamente atómica espectrómetro de emisión simultánea (ICP-AES) con los siguientes estándares / controles (consulte el paso 3.5.3.1). Analizar los estándares ICP multi-elemento y comprobar error% y coeficientes de correlación de las curvas de calibración. Normas se compran en mezclas personalizadas con muchos elementos en cada norma. Cada elemento tiene una curva de calibración de 3 puntos (por ejemplo el cadmio se realiza a 0, 0,1, 1,0 y 5 ppm). Verifique curvas con los estándares de comprobación de calibración. Vuelva a calibrar aproximadamente cada 18 muestras.
      1. Añadir las normas internas (de indio y escandio) "en línea" con las muestras para verificar la estabilidad del instrumento. Analizar las muestras con las normas de control de calidad adicional, incluyendo materiales de referencia certificados (Bush, ramas y hojas; Col blanca y espinacas), espacios en blanco del método (añadir ácidos a un tubo de digestión vacío y tratarlos como se describe en 3.5.2 arriba), duplicados de análisis, y duplicados de campo.
  6. Mercurio
    1. Asegúrese de que la instrumentación cumple con los criterios señalados en el US EPA Método 7473 y permite la medición directa de mercurio
    2. Pesar 100 mg de biochar se seca al aire a tierra (tamaño de partícula <0,15 mm) en cuarzo o níquel pesan barcos.
    3. Utilice una solución madre de ICP-AES de 1,000 g / ml Hg y ácido clorhídrico al 5% en agua desionizada doble (DDI) para hacer reservas de trabajo (5 mg / ml, 1 g / ml, 0,1 g / ml, 0,01 mg / ml) y estándares de calibración.
    4. Utilice un bote vacío limpiado como método en blanco. Analizar muestras que comienzan con un método en blanco, bajo control de calidad (20 ng Hg - 20 l de 1 mg / ml de Hg), en blanco, de alta QC (200 ng Hg - 40 l de 1 mg / ml de Hg), en blanco, en blanco, Norma de referencia Materiales (MESS-3), en blanco, MESS-3, en blanco, muestra 1, En blanco, Muestra 2, En blanco, muestra 2 dup, En ​​blanco, Muestra 3, En blanco, etc.
    5. Coloca los barcos en la cámara de instrumento donde la muestra será descomponer térmicamente en una continuous flujo de oxígeno.
      NOTA: Los productos de combustión a continuación, será llevado en el flujo de oxígeno y, a continuación descompone adicionalmente en un lecho de catalizador caliente. Los vapores de mercurio serán atrapados en un tubo de amalgamador oro y posteriormente desorbidos para la cuantificación espectrofotométrica a 254 nm.

4. Prueba Categoría C: Análisis Avanzado biochar y las propiedades del suelo Enhancement

  1. Amonio como nitrógeno
    Nota: El método hace uso de la reacción de Berthelot en el que las sales de amonio en la solución reaccionan con fenóxido. La adición de hipoclorito de sodio provoca la formación de un compuesto de color verde. El nitroprusiato de sodio se añade a intensificar el color.
    1. Pesar 5 g de la muestra secada al aire a tierra (tamaño de partícula <0,15 mm) en un matraz Erlenmeyer de 125-ml. Añadir 50 ml de 2 M (0,01% (V / V) de KCl. Pon los matraces en un agitador giratorio durante 1 hora a 200 rpm. Después de la agitación es completa, el filtro de las muestras a través de Whatman No. 42 de papel de filtro en 100 ml plviales ASTIC.
    2. Preparar soluciones de reactivos:
      1. Fenol Alcalino - medida 87 ml de fenol licuado en 1-L volumétrica llena 2/3 con agua DDI. Añadir 34 g de NaOH, enrasar con agua DDI.
      2. Solución de Hipoclorito - utilizando 100 ml graduó medida cilindro 31,5 ml de lejía comercial (5.10%) y llenar hasta 100 ml con agua DDI. Traslado a la botella y añadir 1,0 g de lentejas de NaOH y permita que se disuelvan.
      3. Solución de EDTA - disolver 32 g de EDTA di-sodio y 0,4 g de NaOH en un frasco volumétrico de 1-L 2/3 lleno con agua DDI. Añadir 0,18 g nitroprusiato y disolver mediante agitación. Enrasar con agua DDI y añadir 3 ml de Triton (10%).
    3. Hacer estándares de calibración (0.1, 0.2, 0.3, 0.5, 1.0, y 2.0 mg / ml Concentración N) utilizando grado reactivo NH 4 Cl y agua DDI. Preparar estándar de referencia de control de calidad de una fuente de calidad de reactivo de cloruro de amonio diferente de la fuente utilizada para hacer las normas.Utilice agua doblemente desionizada como los espacios en blanco.
    4. Comience ejecutando el autoanalizador. Diseñar cada carrera para comenzar con el Alto estándar (2,0 mg / ml N) x 2, Patrones de calibración (de mayor a menor), Método de blanco, de alto nivel, bajo estándar (0,1 mg / ml N) x 2, agua de lavado, control de calidad de referencia Muestra x 2, muestras, duplicado de la muestra, y el alto nivel., y lavado con agua.
      NOTA: El software autoanalizador calculará automáticamente las concentraciones en el extracto.
    5. Calcular la concentración biochar = (Extracto de concentración x 50 ml (KCl)) / 5 g de muestra biochar.
  2. KCl extraíble nitritos y nitratos por autoanalizador
    NOTA: El método colorimétrico Griess Ilosvay utiliza la reacción de los iones de nitrito con sulfanilamida en condiciones ácidas para formar un compuesto diazo. El compuesto reacciona más con N -1-naftiletilendiamina dihidrocloruro para formar un colorante azo magenta. El nitrato en la muestra se convierte en nitrito mediante la exposición a un agente reductor(En este caso una de cobre y cadmio reducción de columna). Esto da una medida de la concentración de nitrito nitrato + en la muestra.
    1. Pesar 5 g de la muestra secada al aire a tierra (tamaño de partícula <0,15 mm) en un matraz Erlenmeyer de 125-ml. Añadir 50 ml de 2 M (0,01% (V / V)) KCl. Poner los matraces en un agitador giratorio durante 1 hora a 200 rpm. Después de la agitación es completa, filtrar las muestras a través Whatman No. 42 de papel de filtro en viales de plástico de 100 ml.
    2. Deje que los reactivos (cloruro de amonio y el color de reactivos) alcancen la temperatura ambiente.
    3. Encienda el colorímetro para que la lámpara se caliente. Almacenados en el analizador automático son líneas reactivo marcado cloruro de amonio, Color reactivo y agua; arrancar la bomba y deje correr el agua por el sistema, compruebe todas las líneas de la bomba-tubería para un correcto funcionamiento.
    4. Una vez que el sistema se haya equilibrado, colocar líneas en los respectivos reactivos y permiten una duración de 5 a 10 min. Encienda el registrador gráfico. Espere a que se estabilice la línea de base, y se puso a la 10ª unidad gráfica.
    5. Preparar 100 mg / ml de nitrato y nitrito de archivo estándares de control de calidad de KNO 3 y NaNO2 y agua DDI, respectivamente. Para hacer una 10 mg / ml Medio Estándar, añadir 5 ml de 100 mg solución madre / ml de matraz aforado de 50 ml y enrasar con 0,01% de KCl. Para hacer Patrones de calibración se combinan 0,01% KCl y el nivel intermedio 10 mg / ml preparada en matraces aforados de 25 ml para hacer estándares de calibración (0,05, 0,2, 0,5, 1,0, 1,5, 2 mg / ml NO 3 o NO 2). Utilice KCl por espacios en blanco de método.
    6. Preparar los picos utilizando 5 g de arena de Ottawa (material inerte) y añadir 0,05 ml de la norma QC / ml 1,000 g apropiado para un resultado final de 10 mg N / kg de muestra. Hacer un combinado NO3 + NO2 remate de clavar una sola muestra con 0,025 ml de cada 1,000 g / ml madre de patrón de control de calidad. Preparar un pico de muestra por corrida por clavar 5,0 g de la muestra biochar desconocido con 0,025 ml de la apropiada 1,000 g / ml madre de patrón de control de calidad.
    7. Comience corriendo análisis. Incluir un conjunto completo de estándares de calibración, dos muestras de control de calidad de referencia, al menos dos espacios en blanco de KCl, y al menos dos normas de nitrito, un conjunto de picos y espacios en blanco de la arena de Ottawa y un Punto de muestra en cada tanda.
      NOTA: Las normas pueden volver a efectuarse como marcadores entre cada 5 muestras desconocidas y verificar los valores para la preparación de la curva estándar.
    8. Repetir el estándar / ml 2,0 g al final de cada ejecución. Ejecute muestras duplicadas a una velocidad mínima de 10%. Run + Nitrito análisis de nitratos primero, seguido por el análisis de nitrito.
    9. Grabar en las alturas de los picos nitrito nitrato Hoja de trabajo de todas las normas, controles de calidad y muestras. Utilice el número de unidades de tabla como la medición de la altura. Para calibrar la instrumentación, utilizar las alturas relativas de las normas. Asegúrese de que el valor de R 2 está por encima de 0,99, si no volver a ejecutar las normas.
    10. Calcular la concentración de las muestras usando el Formuluna:
      Extracto de Concentración = (Pico Altura - origen de la curva de calibración / Curva de calibración de pendiente) x dilución
      Concentración biochar = (concentración del extracto x 50 ml (KCl)) / 5 g de muestra biochar
    11. Restar la concentración de nitrito estimada a partir de la concentración de nitrato más nitrito para calcular nitrato.
  3. El fósforo extraíble (2% ácido fórmico extracción)
    NOTA: El software analizador automático calcula automáticamente concentraciones. La información de calibración informes de software, bondad de ajuste de la curva de calibración, las concentraciones de todas las muestras, calibradores, espacios en blanco y las muestras de control de calidad que se han ejecutado.
    1. Antes de almacenar las muestras de análisis en un recipiente de vidrio limpio o una bolsa de plástico estéril. Mantener las muestras refrigeradas y analizar dentro de dos semanas o mantener congelado hasta por un año.
    2. Hacer todos los estándares y normas de control de calidad con el mismo fluido de extracción que se utiliza para las muestras. Utilice Estuarine sedimentos como refere estándarmaterial de NCE y en cada baño de muestras incluyen dos espacios en blanco para ser extraídos.
    3. El uso de un aforado de 1 L llena hasta 750 ml con agua DDI, agregar 20 ml (98-99%) de ácido fórmico y llenar el volumen con agua DDI.
    4. Añadir 1,0 g de muestra seca tierra-aire (tamaño de partícula <0,15 mm) en un matraz Erlenmeyer de 125-ml. Añadir 50 ml de solución de ácido fórmico al 2%. Poner los frascos en sonicador durante 10 min, a continuación, transferir sobre agitador rotatorio durante 1 hora a 200 rpm. Después de agitar, muestras de filtros utilizando papel de filtro Whatman No. 42 en otra serie de matraces Erlenmeyer de 125 ml.
    5. Preparar Normas y Spikes:
      1. Preparar un 1,000 g / ml QC Stock Estándar de dihidrógeno ortofosfato de potasio y agua DDI. Utilice el archivo estándar de control de calidad para que los estándares de calibración (5 mg / ml, 1 g / ml, 0,5 mg / ml, 0,2 mg / ml, 0,1 mg / ml). Utilice 0.100 ml del estándar de control de calidad para hacer el control de calidad Spike. Para hacer un patrón de CC Cheque, añadir 0,100 ml de la Bolsa de Norma QC a un volumen de 50 mlfrasco umetric y hacerlo hasta el volumen con KCl.
        NOTA: Se trata de una concentración de dilución / ml 0.2 mg.
      2. Utilice los sedimentos del estuario como referencia la muestra de control de calidad. Utilice 0,01% KCl como el método en blanco.
    6. Analizar el sistema autoanalizador. Set muestras hasta como Primer (Alto estándar (0,5 mg / ml), calibradores (5 mg / ml, 1 g / ml, 0,5 mg / ml, 0,2 mg / ml, 0,1 mg / ml), en blanco, nulo, de alto nivel ( 0,5 g / ml), bajo estándar (0,1 mg / ml), bajo estándar (0,1 mg / ml), Null, QC (Referencia de la muestra / del Estuario de sedimentos), QC (Referencia de la muestra / del Estuario de sedimentos), Método en blanco, muestra 1, Muestra 2, Muestra 2 Dup, Muestra 3, etc., de alto nivel, Null.
    7. En cada lote de muestras también extraer dos espacios en blanco: uno es un blanco de calibración y es para ser colocado en el bastidor estándar del inyector automático, el otro es un método en blanco y es para ser colocado en la bandeja de muestras.
  4. Superficie específica
    NOTA: Analysis de Brunauer-Emmett-Teller (BET) superficie se llevó a cabo en la Química Biológica Radio Nuclear (CBRN) Protección Lab en RMC. El método utiliza análisis de sorción de N 2 de gas a 77 K en un intervalo de presión relativa 0,01 hasta 0,10 después de la desgasificación a 120 ° C durante un mínimo de 2 horas. Una muestra se analizó por duplicado por cada 6 muestras desconocidas. Las muestras no se muelen en forma de polvo antes del análisis.
    NOTA: Los tiempos y las presiones de desgasificación son específicos de fabricante del instrumento y el método proporcionado ha sido validado previamente con carbón activado de alta temperatura.
  5. Capacidad de intercambio catiónico (CEC)
    1. Siga el método de acetato de sodio para la CCA descrito por Laird y Fleming (2008) para el cálculo de la CCA.
      1. Incluir un blanco analítico (agua DDI), material de referencia estándar (Ottawa Sand) y duplicar por cada 10 muestras.
      2. Preparar saturar la solución (1 M NaOAc pH 8,2) disolviendo 136,08 g de NaOAc. 3H 2 Oen 750 ml agua destilada y desionizada. Ajustar el pH a 8,2 mediante la adición de ácido acético o hidróxido de sodio. Diluir hasta 1 L con agua DDI.
      3. Preparar primera solución de lavado (80% de isopropanol (IPA)) mediante la combinación de 800 ml IPA con 200 ml agua destilada y desionizada. A continuación, preparar la segunda solución de lavado (100% IPA).
      4. Preparar la solución de la sustitución de (0,1 M NH 4 Cl) disolviendo 5,35 g de NH 4 Cl en 1 L de agua destilada, desionizada.
      5. Pesar 0,2 g de muestra (secado al aire, no molido) en un tubo de centrífuga de 30 ml. Al mismo tiempo, pesar 0,5 g de la misma muestra se secó al aire en una bandeja de secado de aluminio previamente pesado. Colocar la muestra en el recipiente de secado de aluminio en el horno a 200 ° C durante 2 horas, enfriar en un desecador y pesar de nuevo para determinar el contenido de agua de la muestra secada al aire. Utilice esta muestra para calcular el factor de corrección del contenido en agua, F (etapa 4.4.1.10).
      6. Añadir 15 ml de la solución de saturación, vortex y centrifugar a 3000xg durante 5 min. Decantar y desechar el sobrenadante cuidadosamente para asegurar que no se pierde la muestra. Repita este paso dos veces más.
      7. Añadir 15 ml de la primera solución de lavado. Vortex y centrifugar a 3000 xg durante 5 min. Decantar y desechar cuidadosamente el sobrenadante. Repita este paso varias veces, cada vez la medición de la conductividad eléctrica de la solución sobrenadante. Cuando la conductividad del sobrenadante cae por debajo de la conductividad de NaOAc saturado con IPA (~ 6 mS / cm), cambiar a la segunda solución de lavado. Continuar enjuagando la muestra hasta que la conductividad del sobrenadante cae por debajo de 1 mS / cm.
      8. Permitir que la muestra se seque al aire en una campana de extracción, a continuación, añadir 15 ml de la solución de sustitución. Vortex y centrifugar a 3000 xg durante 5 min. Decantar y guardar el sobrenadante en un matraz aforado de 100 ml. Repita este paso tres veces más, cada uno de guardar el sobrenadante en el mismo matraz aforado de tiempo. A continuación, llevar la aforado a 100 ml con agua destilada, desionizada water.
      9. Analizar el contenido de sodio a través de acoplado inductivamente espectrometría de emisión atómica de plasma (ICP-AES) como se describió previamente.
      10. Realice los siguientes cálculos:
        F = (peso de, muestra de aire seca seca horno - peso de la muestra seca al aire)
        C = concentración de Na (mg / L) en el matraz aforado de 100 ml
        W = peso (g) de la muestra secada al aire añadido al tubo de centrífuga
        CCA = (C x 0.435) / (W x F) (cmol / kg)

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Resultados

Un resumen de todos los resultados, incluyendo una comparación con los criterios establecidos por el IBI 13 se puede encontrar en los cuadros 1 (resumen), 2 (Nuevo, alto, bajo, Tercero de materia prima y de alta 2 biochars) y 3 (biochar Vieja). Todos biochars y materias primas utilizadas en 2012 y 2013 (Tabla 2) se encontraban dentro de los criterios establecidos por el IBI y había pequeñas diferencias entre biochars. Biochar Viejo (T...

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Discusión

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 blanco que...

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Divulgaciones

Los autores declaran que no tienen intereses financieros contrapuestos.

Agradecimientos

Este trabajo fue financiado por la Extensión de Investigación y Comercialización Aplicada de la Agencia Federal de Desarrollo Económico del Gobierno de Canadá (FedDev) a la Universidad de Queen's (Dra. Allison Rutter y Dr. Darko Matovic). Muchas gracias a Burt's Greenhouses (Odessa, ON) por proporcionar los biochars. Un agradecimiento especial a Yuxing Cui del Grupo de Protección CBRN de RMC y al personal de ASU y Zeeb Lab por su continuo apoyo.

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Materiales

Lista de materiales utilizados en este artículo
NombreEmpresaNúmero de catálogoComentarios
BiocharBurt's GreenhousesLos seis biochars se produjeron en Burt's Greenhouses a través del sistema de calderas BlueFlame
NaOAc FisherScientificE124-4Disolución de 136,08 g de NaOAC,3H2O en 750 ml de agua destilada y desionizada (agua DDI)
Ácido acéticoFisher ScientificA38-212
Sodio Hidróxido FisherScientificSS284-1
IsopropanolFisher ScientificA416P480% IPA: 800 ml IPA con 200 ml de agua DDI.
NH4ClFisher ScientificA649500 Disolución de 5,35 g de NH4Cl en 1 L de agua DDI. 
Bandeja de secado AlumminumFisher Scientific08-732-110
Horno de secadoFisher Scientific508N0024200 ° C durante 2 horas.
DesecadorFisher Scientific08-595A
BalanceMettler1113032410
Solución Saturante FisherScientific06-664-25
VortexBarnstead/Thermolyne871000536389     
CentrífugaInternational Equipment Company243728083.000 x g durante 5 min.
Solución de enjuagueFisher Scientific (Ricca Chemistry Company)06-664-24
ConductímetroWESCAN88298
Reemplazo de la soluciónFisher Scientific06-664-24
ICP-AESVarianEL00053841
ASAP 2000 Analizador de área de superficie Cavlon885Desgasificación a 120 &° C durante un mínimo de 2 horas.
Horno de muflaFisher Scientific806N0024Calentar durante 16 horas cubriendo a 420 °C.
Medidor de pHFisher Scientific1230185263
TamizFisher Scientific2288926tamiz de 4,7 mm estando en la parte superior.
Tamiz SkakerMeinzer II0414-02Agitar durante 10 min.
Sulfato de sodioVWREM-SX0761-5
Ottawa SandFisher ScientificS23-3
Soxhlet ApparatusFisher Scientific (Pyrex)09-557A4  RRHH a las 4– 6  ciclos/hora.
DCBPSuprlco Analítico48318     
DiclorometanoSigma Aldrich40042-40855-U
6890 Plus Cromatógrafo de gases Micro 63 Ni ECDAgilentUS00034778
HelioAlphaGazSPG-NIT1AL50SMART
NitrógenoAlphaGazSPG-HEL1AL50SMART
MorteroFisher Scientific (CoorsTeh)12-948G
Ácido nítricoFisher Scientific351288212
No. 40 Papel de filtroFisher Scientific (Whatman)09-845A
Barcos de pesaje de cuarzo/níquelFisher Scientific11-474-210
DMA-80ATS Scientific5090264
98– Ácido fórmico al 99%Sigma Aldrich33015-1LL volumétrico lleno hasta 750 ml con agua DDI, añadir 20 ml de ácido fórmico y llenar hasta el volumen con agua DDI.
SonicatorFisher Sientific15338284
Agitador GiratorioNew Brunswick Scientific (Innova 2100)14-278-1081 hora a 200 rpm.
Nº 42 Papel de filtroFisher Scientific (Whatman)09-855A
WhirlPacksFisher ScientificR55048
Dihidrógeno de potasio OrthophospahteFisher Scientific181525
2 M KClFisher ScientificP282100
Viales de plásticoFisher Scientific03-337-20
Cloruro de amonioFisher ScientificPX05115Permitir que se caliente a temperatura ambiente
Reactivo de colorFisher Scientific361028260Permitir calentar a temperatura ambiente
ColorímetroFisher Scientific13-642-400Encienda para dejar que la lámpara se caliente y funcione durante 5 minutos.
ASEAL Auto Analyzer 2SEAL4723A12068
Fenol LicuadoFisher Scientific MPX05115Alcalino Fenol: Mida 87 ml de fenol licuado en 1-L volumétrico lleno de 2/3 con agua DDI. Añadir 34 g de NaOH, maquillar hasta el volumen con agua DDI.
NaOHFisher ScientificS318-3
minoristaslejía: Usando un cilindro graduado de 100 ml, mida 31,5 ml de lejía comercial y llene hasta 100 ml con agua DDI.
Pellets de NaOHFisher ScientificS320-1
EDTA disódicoSigmaAldrich E5124
Hiprclorito de sodioFisher ScientificSS290-1
Triton (10%)Fisher ScientificBP151-100
Nitroprusside de sodioFisher ScientificS350-100
Sales de amonioFisher ScientificA637-10
PhenoxideFisher ScientificAC388611000
Eisenia FetidaLa fábrica de gusanos
Tiendaminorista de palas
BucketTienda
Tierra para macetasTienda
de evitación Rueda Medioambiente CanadáConstruido por un diseño modificado de Environment Canada' s Prueba de Evitación Aguda.
Lámina AlumminumFisher Scientific01-213-100
Placas de PetriFisher Scientific08-757-118,5 cm de diámetro.
Semillas de calabazaOntario Seed Company (OSC)2055
Alfalpha SeedsOntario Seed Company (OSC)6675
Tubos de centrífuga (30 ml)Fisher Scientific 22-038-906
Vasos de precipitados (50  ml)Fisher Scientific (Pyrex)02-540GSecado al horno a 105 °C.
Vaso de precipitados (30  ml)Fisher Scientific (Pyrex)20-540C
Matraces Erlenmeyer (125  ml)Fisher Scientific (Pyrex)S76106C
Matraz volumétrico (100  ml)Fisher Scientific (Pyrex)10-211C
Sedimento estuarinoInstituto Nacional de Estándares1546AMaterial de Referencia Estándar
BleachClorox Ultra (5– Hipoclorito
1 Solución de hipoclorito para tiendas de comercialminoristaminorista de sodio al 10%)

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Física, química y caracterización biológica de seis biochars Producido para la Remediación de Sitios Contaminados
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