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Article de méthode

Physique, chimique et caractérisation biologique des Six biochars produites pour l'assainissement des sites contaminés

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DOI :

10.3791/52183

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28 novembre 2014

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

Dans cet article

Résumé

Le biochar est un matériau riche en carbone utilisé comme amendement de sol avec la possibilité de séquestrer le carbone durable, améliorer la qualité du substrat et contaminants sorbiers. Ce protocole décrit les 17 méthodes d'analyse utilisées pour la caractérisation du biochar, qui est nécessaire avant la mise en œuvre à grande échelle de ces modifications dans l'environnement.

Résumé

Les propriétés physiques et chimiques du biochar varient en fonction des sources de matières premières et des conditions de production, ce qui permet à l'ingénieur biochars avec des fonctions spécifiques (par exemple la séquestration du carbone, amélioration de la qualité du sol, ou de sorption contaminant). En 2013, l'International Biochar Initiative (IBI) rendue publique leur définition de produit standardisé et produit Directives essai (Version 1.1) qui établissent des normes relatives aux caractéristiques physiques et chimiques pour le biochar. Six biochars fabriqués à partir de matières premières différentes et trois à deux températures ont été analysés pour les caractéristiques liées à leur utilisation comme amendement de sol. Le protocole décrit les analyses des matières premières et biochars et comprend: la capacité d'échange cationique (CEC), surface spécifique (SSA), le carbone organique (CO) et le pourcentage d'humidité, le pH, la distribution de taille des particules, et analyse immédiate et ultime. Également décrites dans le protocole sont les analyses des matières premières et de biochars pour les contaminants y compris les hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP), les biphényles polychlorés (BPC), les métaux et le mercure ainsi que des nutriments (phosphore, nitrites et nitrates et d'ammonium que l'azote). Le protocole comprend également les procédures d'essai biologiques, l'évitement des vers de terre et des essais de germination. Basé sur le contrôle et d'assurance de la qualité / la qualité (AQ / CQ) des résultats de flans, de duplicatas, les normes et documents de référence, toutes les méthodes ont été déterminés suffisante pour une utilisation avec des matériaux de biochar et des matières premières. Tous biochars et des matières premières étaient bien dans le critère fixé par l'IBI et il y avait peu de différences entre biochars, sauf dans le cas du biochar produit à partir de déchets de construction. Ce biochar (dénommée Old biochar) était déterminé à avoir des niveaux élevés d'arsenic, le chrome, le cuivre et le plomb, et n'a pas les vers de terre évitement et de germination des essais. Basé sur ces résultats, Old biochar ne serait pas approprié pour une utilisation comme amendement de sol pour s de carboneequestration, améliorations ou de l'assainissement de la qualité de substrat.

Introduction

Biochar est un sous-produit riche en carbone produit lors de la pyrolyse de la matière organique 1. Intérêt, à la fois publiquement et académique, en ajoutant biochar sur les sols, découle de sa capacité à améliorer la qualité du sol et la croissance des plantes 2, 3, séquestrer durablement carbone 4 et sorb contaminants nocifs 2, 3, 5-7 tout en offrant simultanément des solutions de rechange pour les déchets la gestion et la production d'énergie par pyrolyse.

Biochars sont produites par de nombreuses entreprises et organisations dans le monde entier par l'intermédiaire de systèmes de pyrolyse différents. Les matériaux utilisés pour la production de biochar comprennent (mais ne sont pas limités à) des copeaux de bois, déjections animales et des déchets de construction 1. Ces écarts sont censés se modifier les propriétés physiques et chimiques des biochars et donc leur capacité à améliorer substrats, promouvoir la stabilité à long terme et accroître les capacités de sorption. En outre, au cours du processus de pyrolyse de la MA de biochary deviennent involontairement contaminés par des métaux, HAP et les BPC à la suite de matières premières contaminées ou des conditions de pyrolyse inappropriées. Par conséquent, avant biochar peut être appliqué sur une grande échelle à l'environnement comme un amendement du sol, la caractérisation minutieuse du biochar pour les contaminants, surface spécifique, la capacité d'échange de cations, l'évitement des vers de terre et la germination et d'autres suggérées par l'International Biochar Initiative (IBI) doit être menée. En 2013, la première définition de produit standardisé et produit Lignes directrices d'essai pour biochar, qui établit des normes relatives aux caractéristiques physiques et chimiques biochar, a été publié et mis à la disposition du public.

La recherche a montré que le biochar produit à une serre commerciale à Odessa, ON, le Canada a la capacité d'améliorer de manière significative la croissance des plantes dans les sols intensément dégradées et sorbiers des polluants organiques persistants (POP) comme les BPC deux, trois. Ce biochar a été produite à partir de troisdifférentes matières premières (c. sources de matière organique) via un système de chaudière où la chaleur produite est utilisée pour chauffer leur fonctionnement à effet de serre pendant les mois d'hiver.

Cette étude fournit des données de caractérisation pertinente à la production de biochar dans une chaudière à biomasse, et l'utilisation du biochar comme amendement de sol. L'objectif de cette étude est de caractériser soigneusement les caractéristiques biologiques de six biochars selon les normes fixées par l'IBI dans leur définition normalisée de produit et directeurs d'essais (Version 1.1) (2013) physiques, chimiques et. Ces caractéristiques seront reliés, si possible, à la performance de chaque biochar comme amendements agricoles et leur capacité à adsorber les contaminants.

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Protocole

REMARQUE: Les analyses chimiques ont été effectuées à l'Unité des services analytiques (ASU) à l'École des études environnementales à l'Université Queen (Kingston, ON). L'ASU est accrédité par l'Association canadienne pour l'accréditation des laboratoires (CALA) pour les tests spécifiques énumérées dans la portée d'accréditation. D'autres analyses, y compris les essais en serre, ont été menées au Collège militaire royal du Canada (Kingston, ON) dans le Département de chimie et de génie chimique.

1. Considérations générales

  1. Pour garantir la qualité et le contrôle de la qualité, analyser un blanc analytique et un double d'analyse, un échantillon double et un matériau de référence standard avec chaque lot d'échantillons (de taille de lot maximum de 10) pour les méthodes dans le protocole.
  2. Établir des échantillons en double lorsque le sous-échantillonnage de l'échantillon original et passer par la même préparation que les échantillons inconnus. Veiller à ce que les valeurs en double sont à moins de 20% de chaqueautres ou répéter l'analyse. Veiller à ce que les résultats d'analyse des ébauches sont en dessous des limites de détection pour la méthode correspondante. Standard limites matérielles de référence dépendaient de la méthode individuelle, mais de se assurer qu'ils sont généralement dans 15-30% de la valeur attendue.
    NOTE: Dans la plupart des méthodes décrites dans le protocole, les détails sont inclus dans l'ordre suggéré de l'analyse de l'échantillon, y compris étalons, des flans, des normes élevées et basses, et des échantillons inconnus. Ce est pour éviter toute contamination croisée entre les échantillons et assurer un niveau élevé d'AQ / CQ.
    REMARQUE: Six biochars ont été produites dans une serre commerciale et analysés pour les paramètres biologiques, physiques et chimiques. Les noms de chaque biochar reflètent leurs paramètres de production ou source de matières premières (tableau 1).

2. Test de Catégorie A: Propriétés de base biochar utilitaires

  1. La teneur en eau et de matières organiques
    1. Utilisez la perte sur la procédure d'allumage surbordée par Nelson et Sommers (1996).
      1. Inclure un échantillon double et matériel de référence standard (Sable d'Ottawa) pour tous les 10 échantillons inconnus.
      2. Étiqueter béchers de 50 ml avec un marqueur résistant à la chaleur, four les sécher à 105 ° C, laissez-les refroidir, puis enregistrent poids.
      3. Peser 2 g de l'échantillon séché à l'air dans le bécher séché au four. Sécher l'échantillon à 105 ° C pendant 24 heures, puis retirez du four et laisser refroidir.
      4. Une fois refroidi, peser le bécher et l'échantillon (X = poids de l'échantillon séché - poids de bécher).
      5. Placer l'échantillon dans le four à moufle et de la chaleur pendant 16 heures couvrant à 420 ° C. Retirer l'échantillon du four et laisser refroidir. Peser le bécher avec l'échantillon de nouveau et noter le poids (Y = poids de l'échantillon réduit en cendres - poids de bécher).
      6. Effectuer les calculs suivants:
        i) Perte au feu = XY
        ii)% d'humidité = ((Poids de l'échantillon - X) / Poids de l'échantillon) x 100%
        iii) Matt% bioer = (Perte au feu / X) x 100%
  2. Analyse immédiate et Ultimate
    NOTE: Pour analyse immédiate / ultime, quatre échantillons ont été analysés: Bas, Haut, Fuel Standard et High 2. l'analyse des HAP a été réalisée sur Bas, Haut, et Standard carburant. Ils ont été choisis en tant que représentant des biochars produites depuis 2012.
    1. Mener Proximate et Ultimate analyses dans un établissement commercial basé sur les méthodes: ASTM D3172-13 et D3176-09 8, Pratique standard pour la prochaine et ultime 9 Analyse de charbon et du coke, respectivement.
  3. pH
    1. Calibrer la sonde de pH quotidienne avant l'utilisation des normes d'étalonnage.
    2. Ajouter 0,25 g biochar à 25 ml distillée, eau déminéralisée.
    3. Agiter manuellement pendant 2 min, puis centrifuger pendant 3000 g pendant 5 min.
    4. Recueillir surnageant dans le tube à essai en verre et mesure pH.
  4. Distribution granulométrique
    1. Analyser tous les échantillons dans triplicate par tamisage à sec progressive adaptée de la norme ASTM D5158-98 10 en utilisant sept tamis US standard et pan (4,7, 2,0, 1,0, 0,50, 0,25, 0,15 et 0,0075 mm)
      1. Noter le poids de chaque tamis vide et empiler les tamis afin de la poêle à 4,7 mm avec le 4,7 mm tamis se trouvant au sommet.
      2. Placez 60 g de biochar dans le tamis 4,7 mm, placez le couvercle sur le dessus et sécuriser la pile de tamis sur l'agitateur.
      3. Agiter pendant 10 min et enregistrer le poids de chaque tamis. Signaler les données dans un fichier Excel comme pour cent restants dans chaque tamis.

3. examen de la catégorie B: Toxique Rapports

  1. Tests de germination
    1. Utilisez la méthode de test de germination des graines décrite par Solaiman et al. (2012) 11.
      1. Utilisez du papier de filtre et de terreau comme contrôles positifs.
      2. Veiller à ce que les poids respectifs de chaque traitement est de 3 g de biochar, 10 g de terreau, et une pièce de filtepapier r.
        NOTE: Ces valeurs sont basées sur le volume dans la boîte de Pétri de telle sorte que chaque plat est ~ 50% de la pleine (en volume).
      3. Dans les boîtes de Pétri (8,5 cm de diamètre), placer cinq Cucurbita pepo spp. Pepo (citrouille) de graines et 50 luzerne (Medicago sativa) graines dans chaque traitement.
      4. En utilisant une éprouvette graduée ajouter 15 ml d'eau à tous les boîtes de Pétri, puis les couvrir avec leurs couvercles respectifs.
      5. Placez les boîtes de Pétri pour la germination sous une 14:10 h (jour: nuit) photopériode fluorescent et maintenir la température à 27 ° C (± 6 ºC).
      6. Après sept jours d'enregistrer le nombre de graines germées. Les résultats du rapport en% germé par boîte de Pétri. Mesurer la longueur des racines de graines germées en utilisant une règle. Rapport longueurs profondes comme une somme pour chaque boîte de Pétri (cm plat / Petri).
  2. Earthworm évitement
    1. Rangez Ver du fumier dans une matrice de sol sain composé de mousse de tourbe et terreausol et maintenir l'humidité du sol à environ 30%.
    2. Utiliser la méthode d'évitement vers de terre décrit par Li et al. (2011). Choisissez les vers allant de 0,3 à 0,6 g en taille.
      1. Pour ce test, utilisez six roues d'évitement (Figure 1) ou une structure similaire à celles décrites dans l'essai d'évitement aiguë d'Environnement Canada (Environnement Canada, 2004).
      2. Mix biochars séparément à l'aide d'une pelle et un seau avec du terreau à un taux de 2,8% (en poids).
      3. Remplissez chacun des six compartiments avec 120 g de sol ou du mélange sol / de biochar, avec chaque autre compartiment servant un contrôle sans modification (Figure 1) ce est à dire sol sans biochar. Ajouter 10 vers de terre pour le compartiment du milieu ronde.
      4. Exposer les vers pendant 48 heures en gardant la roue d'évitement recouverts d'une feuille d'aluminium pour éviter ver évasion. Maintenir des conditions de température pour les roues d'évitement entre 20-25 ° C. Surveiller l'humidité du sol et de maintenir à ~ 30%.
      5. Après 48 h supprimer les vers et enregistrer leur emplacement dans la roue d'évitement, ce est à dire se ils sont dans la i) modifiés ou ii) les compartiments non modifiées. Ne pas réutiliser les vers pour les essais futurs.
  3. Hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP)
    1. Analyser HAP par extraction par solvant et GC-MS sur la base de l'EPA 8270 12.
  4. Biphényles polychlorés (PCB) Concentration
    1. Les échantillons secs (10 g) pendant une nuit à 25 ° C pendant 18 à 24 h, puis les moudre en poudre fine (granulométrie <0,15 mm) avec du sulfate de sodium à 10 g et 10 g de sable Ottawa.
    2. Inclure une analyse vierge (Ottawa sable), une commande (une quantité connue de la norme PCB) et un échantillon duplicata d'analyse pour tous les 10 échantillons inconnus.
    3. Placez 2 g d'échantillon dans Soxhlet et ajouter 100 ul décachlorobiphényle (DCBP) comme norme de substitution interne.
    4. Extraire des échantillons dans un appareil de Soxhlet pendant 4 heures à 46 cycles par heure dans 250 ml de dichlorométhane.
    5. L'utilisation d'un chromatographe en phase gazeuse équipé d'un micro 63 Ni détecteur à capture d'électrons (CG / μECD), une colonne fusionnée capillaire de silice (30 m, 0,25 mm ID × 0,25 épaisseur um de film) et un logiciel approprié d'analyser des extraits de biochar pour Aroclors totales. Utiliser l'hélium comme gaz porteur à un débit de 1,6 ml / min de débit. Utilisez de l'azote comme gaz d'appoint pour le détecteur à capture d'électrons (ECD). valeurs Signaler comme pg / g de poids sec.
  5. Analyse des métaux
    1. Des échantillons d'air sec pour 18 à 24 h et broyer en une poudre fine (granulométrie <0,15 mm) avec un mortier et un pilon.
    2. Utilisation qualité réactif acides concentrés, à la chaleur 0,5 g de l'échantillon dans 2 ml de 70% (p / p) d'acide nitrique et 6 ml 38% (p / p) d'acide chlorhydrique, jusqu'à ce que le volume est réduit à 1-2 ml. Ensuite, le maquillage de la solution à 25 ml dans une fiole jaugée de distillées, en utilisant de l'eau désionisée, filtrée à travers un filtre Whatman n ° 40 paper.
    3. Analyser des échantillons en utilisant un plasma à couplage inductif spectromètre d'émission atomique simultanée (ICP-AES) avec les normes / contrôles suivants (voir l'étape 3.5.3.1). Analyser normes ICP multi-éléments et vérifiez% erreur et les coefficients de corrélation des courbes d'étalonnage. Les normes sont achetés dans des mélanges sur mesure avec de nombreux éléments dans chaque norme. Chaque élément a une courbe d'étalonnage à 3 points (par exemple le cadmium est effectuée à 0, 0,1, 1,0 et 5 ppm). Vérifiez courbes avec les normes de vérification de l'étalonnage. Recalibrer environ tous les 18 échantillons.
      1. Ajouter normes internes (de l'indium et le scandium) «en ligne» avec des échantillons pour vérifier la stabilité de l'instrument. Analyser des échantillons avec les normes de contrôle de qualité supplémentaire y compris les matériaux de référence certifiés (Bush, branches et feuilles; chou blanc et épinards), blancs de méthode (ajouter des acides à un tube de digestion vide et les traiter comme décrit dans 3.5.2 ci-dessus), de duplicatas d'analyse, et réplicats de terrain.
  6. Mercure
    1. Vérifiez l'instrumentation répond aux critères énoncés dans la méthode EPA 7473 et permet pour la mesure directe de mercure
    2. Peser 100 mg de biochar séché à l'air sol (taille des particules <0,15 mm) dans le quartz ou le nickel pèse bateaux.
    3. Utilisez une solution stock ICP-AES de 1,000 ug / ml Hg et de l'acide chlorhydrique à 5% dans l'eau à double déminéralisée (DDI) de faire des stocks de travail (5 ug / ml, 1 pg / ml, 0,1 pg / ml, 0,01 pg / ml) et étalons.
    4. Utilisez un bateau vide nettoyé comme un blanc de méthode. Analyser des échantillons à partir d'un blanc de méthode, Low QC (20 ng Hg - 20 pi de 1 pg / ml Hg), Blank, Haute QC (200 ng Hg - 40 pi de 1 pg / ml Hg), vide, vide, norme de référence Matériel (MESS-3), Blank, MESS-3, Blank, échantillon 1, Blank, l'échantillon 2, Blank, échantillon 2 dup, Blank, échantillon 3, Blank, etc.
    5. Placez les bateaux dans la chambre de l'instrument où l'échantillon sera décomposer thermiquement dans un continuous flux d'oxygène.
      REMARQUE: Les produits de combustion sera alors emporté dans le flux d'oxygène et ensuite décomposée dans un lit de catalyseur chaud. vapeurs de mercure seront piégés sur un tube de amalgamateur d'or et par la suite pour la quantification désorbés spectrophotométrique à 254 nm.

4. Testez Catégorie C: Analyse avancée biochar et les propriétés du sol Enhancement

  1. L'azote d'ammonium en tant que
    Remarque: La méthode fait appel à la réaction de Berthelot, dans lequel les sels d'ammonium dans la solution réagissent avec le phénoxyde. L'addition de l'hypochlorite de sodium provoque la formation d'un composé de couleur verte. le nitroprussiate de sodium est ajouté à intensifier la couleur.
    1. Peser 5 g de l'échantillon séché à l'air sol (granulométrie <0,15 mm) dans un ballon Erlenmeyer de 125 ml. Ajouter 50 ml de 2 M (0,01% (V / V) KCl. Mettez les flacons sur un agitateur rotatif pendant 1 heure à 200 tours par minute. Après agitation est terminée, filtrer les échantillons à travers le papier Whatman n ° 42 de filtre dans 100 ml plASTIC flacons.
    2. Préparer des solutions de réactifs:
      1. Phénol alcaline - mesure 87 ml de phénol liquéfié dans une L-volumétrique 2/3 rempli avec de l'eau DDI. Ajouter 34 g de NaOH, porter au volume avec de l'eau DDI.
      2. Solution hypochlorite - en utilisant 100 ml diplômé mesure de cylindre 31,5 ml d'eau de Javel commerciale (5-10%) et de remplir à 100 ml avec de l'eau DDI. Transfert à la bouteille et ajouter 1,0 g de pastilles de NaOH et leur permettre de se dissolvent.
      3. solution d'EDTA - dissoudre 32 g d'EDTA disodique et NaOH 0,4 g dans un 1-L volumétrique 2/3 rempli avec de l'eau DDI. Ajouter 0,18 g nitroprussiate et dissoudre en secouant. Porter au volume avec de l'eau et ajouter DDI 3 ml Triton (10%).
    3. Faire normes d'étalonnage (0,1, 0,2, 0,3, 0,5, 1,0 et 2,0 ug / ml Concentration N) à l'aide de qualité réactif de NH 4 Cl et de l'eau DDI. Préparer QC étalon de référence d'une source de qualité réactif de chlorure d'ammonium différente de la source utilisée pour effectuer les normes.Utilisez de l'eau déminéralisée à double que les blancs.
    4. Commencez l'exécution de l'auto-analyseur. Concevoir chaque passage à commencer par le niveau élevé (2,0 pg / ml N) x 2, étalons (élevé à bas), blanc de méthode, standard élevé, faible niveau (0,1 pg / ml N) x 2, eau de lavage, QC Référence échantillon x 2, échantillons, double de l'échantillon, et le haut niveau., et lavage à l'eau.
      REMARQUE: Le logiciel de autoanalyseur automatiquement calculer les concentrations dans l'extrait.
    5. Calculer la concentration biochar = (extrait concentration x 50 ml (KCl)) / 5 g biochar échantillon.
  2. KCl extractible nitrites et les nitrates par Autoanalyzer
    Remarque: la méthode colorimétrique de Griess Ilosvay utilise la réaction des ions de nitrite de sulfanilamide dans des conditions acides pour former un composé diazoïque. Le composé réagit en outre avec de la N -1-naphtyl dichlorhydrate pour former un colorant azoïque magenta. Nitrate dans l'échantillon est converti en nitrite par l'exposition à un agent réducteur(Dans ce cas un alliage cuivre-cadmium réduire colonne). Ceci donne une mesure de la concentration de nitrite de nitrate + dans l'échantillon.
    1. Peser 5 g de l'échantillon sol séché à l'air (granulométrie <0,15 mm) dans 125 ml Erlenmeyer. Ajouter 50 ml de 2 M (0,01% (V / V)) KCl. Placer les flacons sur un agitateur rotatif pendant 1 heure à 200 tours par minute. Après agitation est terminée, filtrer les échantillons à travers le papier Whatman n ° 42 de filtre dans des flacons en plastique de 100 ml.
    2. Permettre aux réactifs (chlorure d'ammonium et du réactif de couleur) pour réchauffer à la température ambiante.
    3. Allumez colorimètre de laisser la lampe se réchauffer. Stockée dans l'analyseur automatique sont des lignes réactif marqué chlorure d'ammonium, le réactif de couleur et de l'eau; démarrer la pompe et laisser couler l'eau à travers le système, vérifier toutes les lignes pompe-tube pour le bon fonctionnement.
    4. Une fois le système en équilibre, placer les lignes dans les réactifs respectifs et permettent de fonctionner pendant 5 à 10 min. Allumez l'enregistreur graphique. Attendez de base pour stabiliser et fixer au 10 e unité de tableau.
    5. Préparer 100 pg / ml et nitrate de nitrite QC Stock normes de KNO 3 et NaNO 2 et de l'eau DDI, respectivement. Pour faire un 10 pg / ml Intermédiaire Standard, ajouter 5 ml de 100 pg / ml solution mère à 50 ml fiole jaugée et compléter au volume avec 0,01% de KCl. Pour faire étalons combinent 0,01% KCl et la norme intermédiaire 10 pg / ml préparée dans des fioles jaugées de 25 ml pour rendre les normes d'étalonnage (0,05, 0,2, 0,5, 1,0, 1,5, 2 pg / ml NO 3 ou NO 2). Utilisez KCl pour la méthode blancs.
    6. Préparer pointes utilisant 5 g de sable Ottawa (matériau inerte) et ajouter 0,05 ml de la QC / ml norme 1000 pg approprié pour un résultat de 10 mg N / kg échantillon final. Faire un combiné NO 3 + NO 2 pic en ensemençant un échantillon unique avec 0,025 ml de chaque 1 000 pg / ml stock standard QC. Préparer une pointe de l'échantillon par série en ensemençant 5,0 g de l'échantillon de biochar inconnu avec 0,025 ml de la appropriée 1,000 pg / ml de stock standard QC.
    7. Commencez l'analyse en cours d'exécution. Inclure un ensemble complet de normes d'étalonnage, les deux échantillons de référence, QC au moins deux flans de KCl, et au moins deux normes nitrite, un ensemble d'Ottawa Spikes de sable et blancs et un Spike échantillon dans chaque série.
      NOTE: Les normes peuvent être recourue marqueurs entre tous les 5 échantillons inconnus et de vérifier les valeurs pour la préparation de la courbe standard.
    8. Répétez la norme / ml 2,0 pg à la fin de chaque cycle. Exécutez des échantillons en double à un taux minimum de 10%. Exécuter nitrite + analyse de nitrate premier, suivis par l'analyse de nitrite.
    9. Enregistrement sur les hauteurs de pic de nitrite Nitrate Feuille de toutes les normes, des contrôles de qualité et des échantillons. Utilisez le nombre d'unités de tableau que la mesure de la hauteur. Pour étalonner l'instrumentation, utiliser les hauteurs relatives des normes. Assurez-vous que la valeur R 2 est supérieure à 0,99, si ce ne est ré-exécuter les normes.
    10. Calculer la concentration des échantillons en utilisant la formula:
      Extrait Concentration = (Hauteur Peak - intersection de la courbe de calibrage / pente de la courbe) x Dilution
      Le biochar Concentration = (Extrait concentration x 50 ml (KCl)) / 5 g biochar échantillon
    11. Soustraire la concentration de nitrite estimée de la concentration des nitrates et nitrites pour calculer le nitrate.
  3. Phosphore extractible (2% Extraction acide formique)
    REMARQUE: Le logiciel de l'analyseur automatique calcule automatiquement concentrations. Les informations de calibrage des rapports de logiciels, qualité de l'ajustement de la courbe d'étalonnage, les concentrations pour tous les échantillons, étalons, des blancs et des échantillons de CQ qui ont été exécutés.
    1. Avant l'analyse des échantillons de magasin dans un récipient en verre propre ou un sac en plastique stérile. Conserver les échantillons réfrigérés et analyser dans les deux semaines ou garder congelé jusqu'à un an.
    2. Faire toutes les normes et standards QC avec le même fluide d'extraction qui est utilisé pour les échantillons. Utilisez sédiments de l'estuaire comme une norme reference matériau et dans chaque bain d'échantillons comprennent deux flans à extraire.
    3. L'utilisation d'un 1-L volumétrique rempli à 750 ml avec de l'eau DDI, ajouter 20 ml (98-99%) de l'acide formique et de remplir avec de l'eau au volume DDI.
    4. Ajouter 1,0 g de l'échantillon séché à l'air sol (granulométrie <0,15 mm) dans un ballon Erlenmeyer de 125 ml. Ajouter 50 ml de solution d'acide formique à 2%. Mettez les flacons sur sonicateur pendant 10 min, puis les transférer sur agitateur rotatif pendant 1 heure à 200 rpm. Après agitation, échantillons de filtres utilisant Whatman n ° 42 papier filtre dans un autre ensemble de 125 ml erlenmeyers.
    5. Élaborer les Normes et Spikes:
      1. Préparer un 1000 pg / ml QC Stock standard de dihydrogène orthophosphate de potassium et de l'eau DDI. Utilisez le QC Stock standard de faire les étalons (5 pg / ml, 1 pg / ml, 0,5 pg / ml, 0,2 pg / ml, 0,1 pg / ml). Utilisez 0,100 ml de l'QC standard pour rendre le QC Spike. Pour faire un standard QC Vérifier, ajouter 0,100 ml de l'QC Stock standard à un 50-ml volumetric flacon et de le rendre au volume avec de KCl.
        NOTE: Ce est un / ml concentration de dilution de 0,2 ug.
      2. Utilisez sédiments de l'estuaire comme un échantillon de référence QC. Utilisez 0,01% KCl comme méthode vide.
    6. Analyser sur le système de auto-analyseur. Set échantillons comme Primer (High Standard (0,5 pg / ml), étalons (5 pg / ml, 1 pg / ml, 0,5 pg / ml, 0,2 pg / ml, 0,1 pg / ml), Blank, Null, High Standard ( 0,5 ug / ml), faible niveau (0,1 pg / ml), faible niveau (0,1 pg / ml), Null, QC (échantillon de référence / sédiments de l'estuaire), QC (échantillon de référence / sédiments de l'estuaire), blanc de méthode, l'échantillon 1, Exemple 2, l'échantillon 2 Dup, échantillon 3, etc., standard élevé, Null.
    7. Dans chaque série de tests extraire également deux flans: l'un est un étalonnage du blanc et il doit être placé dans le rack standard de l'échantillonneur automatique, l'autre est un procédé en blanc et il doit être placé dans le plateau d'échantillon.
  4. Surface spécifique
    REMARQUE: Analysis pour Brunauer-Emmett-Teller (BET) de surface a été menée dans le biologique et chimique Radio nucléaire (CBRN) Protection Lab au CMR. Le procédé utilise du gaz N2 analyse de sorption à 77 K dans une plage de pression relative 0,01 à 0,10 après dégazage à 120 ° C pendant un minimum de 2 heures. Un double de l'échantillon a été analysé pour tous les 6 échantillons inconnus. Les échantillons ne sont pas broyés en poudre avant l'analyse.
    REMARQUE: temps de dégazage et pressions sont spécifiques à fabricant de l'instrument et de la méthode prévue a été validé préalablement avec les carbones activés à haute température.
  5. Capacité d'échange cationique (CEC)
    1. Suivez la méthode à l'acétate de sodium de la CEC décrit par Laird et Fleming (2008) pour calculer la CCE.
      1. Inclure un blanc analytique (eau DDI), matériel de référence standard (Sable d'Ottawa) et dupliquer pour 10 échantillons.
      2. Préparer la solution saturer (1 M NaOAc pH 8,2) en dissolvant 136,08 g de NaOAC. 3H 2 Odans 750 ml d'eau distillée, d'eau désionisée. Ajuster le pH à 8,2 par addition d'acide acétique ou de l'hydroxyde de sodium. Diluer à 1 L avec de l'eau DDI.
      3. Préparer première solution de rinçage (80% d'isopropanol (IPA)) en combinant 800 ml IPA avec 200 ml d'eau distillée, d'eau désionisée. Puis préparer la deuxième solution de rinçage (100% IPA).
      4. Préparer la solution remplacement (0,1 M NH 4 Cl) en dissolvant 5,35 g de NH 4 Cl dans une L distillée, d'eau désionisée.
      5. Peser 0,2 g d'échantillon (séché à l'air, et non pas la masse) dans un tube de centrifugeuse de 30 ml. Dans le même temps, peser 0,5 g du même échantillon séché à l'air dans un moule préalablement pesé séchage d'aluminium. Placer l'échantillon dans la cuve de séchage de l'aluminium dans le four à 200 ° C pendant 2 heures, refroidir dans un dessiccateur, puis peser à nouveau pour déterminer la teneur en eau de l'échantillon séché à l'air. Utilisez cet exemple pour calculer la teneur en eau facteur de correction, F (étape 4.4.1.10).
      6. Ajouter 15 ml de la solution de saturation, vortex, puis centrifuger à 3000xg pendant 5 min. Décanter et jeter le surnageant pour assurer aucun échantillon ne est perdu avec soin. Répétez cette étape deux fois plus.
      7. Ajouter 15 ml de la première solution de rinçage. Vortex et centrifuger à 3000 g pendant 5 min. Décanter et prenez soin de le surnageant. Répéter cette étape plusieurs fois, à chaque fois la mesure de la conductivité électrique de la solution surnageante. Lorsque la conductivité du surnageant devient inférieure à la conductivité du NaOAc saturé avec de l'IPA (~ 6 S / cm), passer sur la deuxième solution de rinçage. Continuer à rincer l'échantillon jusqu'à ce que la conductivité du surnageant descend en dessous de 1 uS / cm.
      8. Autoriser l'échantillon sécher à l'air dans une hotte, puis ajouter 15 ml de la solution de remplacement. Vortex et centrifuger à 3000 g pendant 5 min. Décanter et récupérer le surnageant dans une fiole jaugée de 100 ml. Répétez cette étape trois fois de plus, chacun conservant le surnageant dans la même fiole jaugée temps. Ensuite, mettre le volume à 100 ml d'eau distillée, wa déminéraliséeter.
      9. Analyser la teneur en sodium par couplage inductif spectrométrie d'émission atomique à plasma (ICP-AES) comme décrit précédemment.
      10. Effectuer les calculs suivants:
        F = (poids de séchés, échantillon d'air séchée au four - poids de l'échantillon séché à l'air)
        C = concentration de Na (mg / L) dans la fiole jaugée de 100 ml
        W = poids (g) de l'échantillon d'air sec ajouté à tube de centrifugeuse
        CCE = (C x 0,435) / (W x F) (cmol / kg)

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Résultats

Un résumé de tous les résultats, y compris une comparaison avec les critères fixés par le IBI 13 peut être trouvé dans les tableaux 1 (résumé), 2 (New, haut, bas, troisième charge et haute-deux biochars) et 3 (Vieux biochar). Tous biochars et matières premières utilisées en 2012 et 2013 (tableau 2) étaient bien dans le critère fixé par l'IBI et il y avait peu de différences entre biochars. Old biochar (tableau 3), le premier ...

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Discussion

Toutes les méthodes énumérées dans le protocole ont été soigneusement validées et largement utilisé pour les sols. Comme biochar caractérisation est encore à ses balbutiements, l'efficacité de ces méthodes pour le substrat riche en carbone est largement inconnue. Ainsi, bien que ces méthodes elles-mêmes ne sont pas nouvelles, leur application pour caractériser systématiquement biochar est. En termes de contrôle de la qualité / assurance de la qualité, il n'y avait pas de problèmes entre l'une des méthodes pa...

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Déclarations de divulgation

Les auteurs déclarent qu’ils n’ont pas d’intérêts financiers concurrents.

Remerciements

Ce travail a été financé par l’Agence fédérale de développement économique du Canada (FedDev) pour l’extension de la recherche appliquée et de la commercialisation à l’Université Queen’s (Allison Rutter et Darko Matovic). Nous remercions sincèrement Burt’s Greenhouses (Odessa, ON) d’avoir fourni les biochars. Nous remercions tout particulièrement Yuxing Cui du Groupe de protection CBRN du CMR et le personnel de l’ASU et du Zeeb Lab pour leur soutien continu.

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Matériaux

Liste des matériaux utilisés dans cet article
NomEntrepriseNuméro de catalogueCommentaires
BiocharBurt’s GreenhousesLes six biochars ont été produits dans les serres Burt’s via le système de chaudière BlueFlame
NaOAcFisher ScientificE124-4Dissoudre 136,08 g de NaOAC.3H2O dans 750 ml d’eau distillée désionisée (eau DDI)
Acide acétiqueFisher ScientificA38-212
Sodium HydroxydeFisher ScientificSS284-1
IsopropanolFisher ScientificA416P480 % IPA : 800 ml d’IPA avec 200 ml d’eau DDI.
NH4ClFisher ScientificA649500Dissoudre 5,35 g de NH4Cl dans 1 L d’eau DDI.
Bac de séchage AlumminumFisher Scientific08-732-110
Four de séchageFisher Scientific508N0024200 ° ; C pendant 2 h.
DessiccateurFisher Scientific08-595A
BalanceMettler1113032410
solution saturanteFisher Scientific06-664-25
VortexBarnstead/Thermolyne871000536389  ;   ;   ;
CentrifugeInternational Equipment Company243728083 000 x g pendant 5 min.
Solution de rinçageFisher Scientific (Ricca Chemistry Company)06-664-24
ConductimètreWESCAN88298
Solution de remplacementFisher Scientific06-664-24
ICP-AESVarianEL00053841
ASAP 2000 Analyseur de surface  ;Cavlon885Dégazage à 120 ° ; C pendant un minimum de 2 heures.
Four à moufleFisher Scientific806N0024Chauffer pendant 16 heures de couverture à 420 ° ;C.
PH-mètreFisher Scientific1230185263
tamisFisher Scientific2288926tamis de 4,7 mm situé en haut.
Tamis SkakerMeinzer II0414-02Agiter pendant 10 min.
Sulfate de sodiumVWREM-SX0761-5
Ottawa SandFisher ScientificS23-3
Soxhlet ApparatusFisher Scientific (Pyrex)09-557A4  ; HR à 4&ndash ; 6  ; cycles/h.
DCBPSuprlco Analytique48318  ;   ;   ;
DichlorométhaneSigma Aldrich40042-40855-U
6890 Plus Chromatographe en phase gazeuse Micro 63 Ni ECDAgilentUS00034778
HéliumAlphaGazSPG-NIT1AL50SMART
AzoteAlphaGazSPG-HEL1AL50SMART
Mortor et pilonFisher Scientific (CoorsTeh)12-948G
Acide nitriqueFisher Scientific351288212
n° 40 Papier filtreFisher Scientific (Whatman)09-845A
Bateaux de pesée quartz/nickelFisher Scientific11-474-210
DMA-80ATS Scientific5090264
98– ; Acide formique à 99 %Sigma Aldrich33015-1L1 L rempli d’eau DDI avec 750 ml d’eau DDI, ajoutez 20 ml d’acide formique et remplissez au volume avec de l’eau DDI.
SonicateurFisher Sientific15338284
Agitateur rotatifNew Brunswick Scientific (Innova 2100)14-278-1081 h à 200 tr/min.
N° 42 Papier filtreFisher Scientific (Whatman)09-855A
WhirlPacksFisher ScientificR55048
Dihydrogène de potassium OrthophospahteFisher Scientific181525
2 M KClFisher ScientificP282100
Flacons en plastiqueFisher Scientific03-337-20
Chlorure d’ammoniumFisher ScientificPX05115Laisser chauffer à température ambiante
Réactif de couleurFisher Scientific361028260Laisser chauffer à température ambiante
ColorimètreFisher Scientific13-642-400Allumer pour laisser la lampe se réchauffer et fonctionner pendant 5 min.
ASEAL Auto Analyzer 2SEAL4723A12068
Phénol liquéfiéFisher ScientificMPX05115Phénol alcalin : Mesurer 87 ml de phénol liquéfié dans 1 L de volume rempli aux 2/3 d’eau DDI. Ajouter 34 g de NaOH, compléter au trait avec de l’eau DDI.
NaOHFisher ScientificS318-3
magasindétail d’eau de Javel: À l’aide d’un cylindre gradué de 100 ml, mesurez 31,5 ml d’eau de Javel commerciale et remplissez à 100 ml avec de l’eau DDI.
Pastilles de NaOHFisher ScientificS320-1
EDTA disodiqueSigma AldrichE5124
Hyprchlorite de sodiumFisher ScientificSS290-1
Triton (10 %)Fisher ScientificBP151-100
Nitroprussiate de sodiumFisher ScientificS350-100
Sels d’ammoniumFisher ScientificA637-10
PhenoxideFisherScientific AC388611000
Eisenia FetidaThe Worm Factory
BêcheMagasin
SeauMagasin
TerreauMagasin
Roue d’évitementEnvironnement CanadaConstruit selon un modèle modifié d’Environnement Canada .
Feuille d’ancienFisher Scientific01-213-100
Boîtes de PétriFisher Scientific08-757-118,5 cm de diamètre.
Pumpkin SeedsOntario Seed Company (OSC)2055
Alfalpha SeedsOntario Seed Company (OSC)6675
Tubes à centrifuger (30 ml)Fisher Scientific  ;22-038-906
Béchers (50  ; ml)Fisher Scientific (Pyrex)02-540GSéchage au four à 105 ° ;C.
Béchers (30  ; ml)Fisher Scientific (Pyrex)20-540C
(125  ; ml)Fisher Scientific (Pyrex)S76106C
Fiole jaugée (100  ; ml)Fisher Scientific (Pyrex)10-211C
Sédiments estuariensInstitut national des normes1546AMatériau de référence standard Eau
JavelClorox Ultra (5– ; 10 % d’hypochlorite de sodium)
Solution d’hypochlorite pour de commerciale de détailde détailde détail élève Fioles Erlenmeyer de

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Caract risation du biocharamendement du solcapacit d change cationiquesurface sp cifiquedistribution granulom triqueessai de germinationtest d vitement des lombricsanalyse des contaminantsanalyse proximaleanalyse ultime
Physique, chimique et caractérisation biologique des Six biochars produites pour l'assainissement des sites contaminés
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