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Artigo de método

Física, química e biológica dos Seis biochars produzido para a remediação de áreas contaminadas

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DOI:

10.3791/52183

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28 de novembro de 2014

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

Neste artigo

Resumo

O biocarvão é um material rico em carbono utilizado como correção do solo com a capacidade de sequestrar carbono de forma sustentável, melhorar a qualidade do substrato e contaminantes sorb. Este protocolo descreve os 17 métodos analíticos utilizados para a caracterização do biochar, que é exigido antes da implementação em larga escala destas alterações no ambiente.

Resumo

As propriedades físicas e químicas do biochar variar com base em fontes de matéria prima e condições de produção, tornando-se possível projetar biochars com funções específicas (por exemplo, seqüestro de carbono, melhoria da qualidade do solo, ou de sorção de contaminantes). Em 2013, a Iniciativa Internacional Biochar (IBI) disponibilizadas ao público a sua definição de produtos padronizados e orientações Testes de Produto (versão 1.1), que estabelecem normas relativas às características físicas e químicas para biochar. Seis biochars feitos a partir de matérias-primas de três diferentes e a duas temperaturas foram analisadas quanto a características relacionadas com a sua utilização como um condicionador do solo. O protocolo descreve análises das matérias-primas e biochars e inclui: capacidade de troca de cátions (CTC), área superficial específica (SSA), carbono orgânico (CO) e porcentagem de umidade, pH, distribuição de tamanho de partículas e análise imediata e definitiva. Também descrito no protocolo são as análises das matérias-primas e biochars para os contaminantes, incluindo os hidrocarbonetos policíclicos aromáticos (HPAs), bifenilos policlorados (PCB), metais e mercúrio, bem como nutrientes (fósforo, nitrito e nitrato de amónio e de azoto). O protocolo inclui também os procedimentos de testes biológicos, evasão de minhoca e testes de germinação. Com base no controle de garantia de qualidade / qualidade (QA / QC) resultados de espaços em branco, duplicatas, padrões e materiais de referência, todos os métodos foram determinados adequado para uso com biocarvão e como matéria-prima materiais. Todas as matérias-primas foram biochars e bem dentro do critério estabelecido pelo IBI e havia pouca diferença entre biochars, excepto no caso de o biocarvão produzido a partir de materiais de resíduos de construção. Este biochar (referido como Old biochar) foi determinada a ter níveis elevados de arsênico, cromo, cobre e chumbo, e não conseguiu evitar e germinação ensaios de minhoca. Com base nesses resultados, biochar Old não seria adequado para uso como correção do solo para o carbono sequestration, melhorias de qualidade de substrato ou de remediação.

Introdução

O biocarvão é um subproduto rico em carbono produzido durante a pirólise de matéria orgânica 1. Os juros, tanto publicamente como academicamente, na adição de biochar em solos, decorre de sua capacidade de melhorar a qualidade do solo e crescimento da planta 2, 3, de forma sustentável seqüestrar carbono 4, e sorb contaminantes nocivos 2, 3, 5-7, enquanto que oferecem simultaneamente alternativas para resíduos gestão e produção de energia por pirólise.

Biochars estão sendo produzidos por várias empresas e organizações em todo o mundo através de diferentes sistemas de pirólise. Os materiais utilizados para a produção de biochar incluem (mas não estão limitados a) aparas de madeira, esterco animal e resíduos de construção 1. Estas diferenças são esperadas, para alterar as propriedades físicas e químicas dos biochars e, assim, melhorar a sua capacidade de substratos, promover a estabilidade a longo prazo e aumentam as capacidades de sorção. Além disso, durante o processo de pirólise a ma biochary ficar involuntariamente contaminados com metais, PAHs e PCBs, como resultado de matérias-primas contaminadas ou condições inadequadas de pirólise. Portanto, antes de biochar pode ser aplicada em larga escala para o meio ambiente como correção do solo, caracterização cuidadosa do biochar para os contaminantes, área superficial específica, capacidade de troca catiônica, evasão de minhoca e germinação e outros sugeridos pela Iniciativa Internacional de biocarvão (IBI) deve ser conduzida. Em 2013, a primeira definição de produtos padronizados e Produto orientações Testes de biocarvão, que estabelece normas para as características físicas e químicas de biocarvão, foi publicado e disponibilizadas ao público.

A pesquisa mostrou que biochar produzido em uma estufa comercial em Odessa, ON, Canadá tem a capacidade de melhorar significativamente o crescimento das plantas em solos intensamente degradadas e sorb a poluentes orgânicos persistentes (POPs), tais como PCB 2, 3. Essa biochar foi produzido a partir de trêsdiferentes matérias-primas (ou seja, fontes de matéria orgânica), através de um sistema de caldeira, onde o calor gerado é usado para aquecer o seu funcionamento de efeito estufa durante os meses de inverno.

Este estudo fornece dados de caracterização pertinentes para a produção de biochar em uma caldeira de biomassa, bem como o uso de biochar como correção do solo. O objetivo deste estudo é caracterizar minuciosamente as características biológicas de seis biochars de acordo com as normas estabelecidas pela IBI em sua definição padronizada do produto e orientações Testes de Produto (versão 1.1) (2013) física, química e. Essas características serão ligados, sempre que possível, para o desempenho de cada biochar como alterações agrícolas e sua capacidade de Sorb contaminantes.

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Protocolo

NOTA: As análises químicas foram realizadas na Unidade de Serviços Analíticos (ASU) na Escola de Estudos Ambientais da Universidade de Queen (Kingston, ON). A ASU é credenciada pela Associação Canadense de Acreditação de Laboratórios (CALA) para testes específicos listados no escopo de credenciamento. Outras análises, incluindo ensaios de estufa, foram realizados no The Royal Military College of Canada (Kingston, ON) no Departamento de Química e Engenharia Química.

1. Considerações Gerais

  1. Para assegurar a garantia de qualidade e controle de qualidade, analisar um em branco analítico e uma duplicata analítica, uma duplicata da amostra e um material de referência padrão com cada lote de amostras (tamanho máximo do lote 10) para os métodos no protocolo.
  2. Estabelecer amostras duplicadas quando de sub-amostragem a partir da amostra original e passar pela mesma preparação que as amostras desconhecidas. Certifique-se de que os valores duplicados são de 20% de cadaoutro ou repetir a análise. Certifique-se de que os resultados da análise dos espaços em branco estão abaixo dos limites de detecção do processo correspondente. Limites materiais de referência padrão dependia do método individual, mas garantir que eles são geralmente dentro de 15-30% do valor esperado.
    NOTA: Em muitos dos métodos descritos no protocolo, os detalhes estão incluídos na ordem sugerida de análise da amostra incluindo calibradores, espaços em branco, padrões altos e baixos, e as amostras desconhecidas. Isso é para garantir que não haja contaminação cruzada entre as amostras e garantir um alto padrão de QA / QC.
    NOTA: Seis biochars foram produzidas em uma estufa comercial e analisadas para os parâmetros biológicos químicos, físicos e. Os nomes de cada biochar refletir seus parâmetros de produção ou fonte de matéria-prima (Tabela 1).

2. Teste de Categoria A: Propriedades básicas Biochar utilitárias

  1. Umidade e Matéria Orgânica conteúdo
    1. Use a perda no processo de ignição forarevestida por Nelson e Sommers (1996).
      1. Incluir uma duplicata da amostra e material de referência padrão (Ottawa Areia) para cada 10 amostras desconhecidas.
      2. Rotular copos de 50 ml com o marcador resistente ao calor, forno secá-los a 105 ° C, deixe esfriar, em seguida, registrar o peso.
      3. Pesar 2 g de amostra seca ao ar no tubo de ensaio seco no forno. Amostra seca a 105 ° C durante 24 horas, em seguida, retire do forno e deixe esfriar.
      4. Quando esfriar, pesar o copo e da amostra (X = peso da amostra seca - peso do copo).
      5. Colocar a amostra na mufla e calor durante 16 horas cobrindo a 420 ° C. Retirar a amostra do forno e deixar arrefecer. Pesar o copo com amostra de novo e registrar o peso (Y = peso da amostra ashed - peso do copo).
      6. Realize os seguintes cálculos:
        i) Perda ao rubro = XY
        ii)% de umidade = ((Amostra de peso - X) / Peso da Amostra) x 100%
        iii) Matt% Organicer = (Perda na Ignição / X) x 100%
  2. Análise centesimal e Ultimate
    NOTA: Para a análise centesimal / final, foram analisadas quatro amostras: Baixo, Alto, Fuel Standard e alta 2. Análise PAH foi realizado em Baixo, Alto e Padrão de Combustível. Estes foram escolhidos como representante dos biochars produzidos desde 2012.
    1. Realizar Proximate e Ultimate análises a um estabelecimento comercial com base em métodos: D3172-13 ASTM 8 e D3176-09, Prática padrão para Proximate e Ultimate 9 Análise de carvão e coque, respectivamente.
  3. pH
    1. Calibrar a sonda pH diariamente antes do uso com padrões de calibração.
    2. Adicionar 0,25 g biochar para 25 ml água destilada e deionizada.
    3. Agitar manualmente durante 2 minutos, depois centrifugar durante 3000 xg durante 5 min.
    4. Recolher o sobrenadante para um tubo de ensaio de vidro e medida de pH.
  4. Distribuição do Tamanho de Partícula
    1. Analisar todas as amostras em triplicate via peneiramento a seco progressiva adaptado de ASTM D5158-98 10 usando sete peneiras US Standard e pan (4.7, 2.0, 1.0, 0.50, 0.25, 0.15, e 0,0075 milímetros)
      1. Grave o peso de cada peneira vazia e empilhar as peneiras na ordem do pan para 4,7 mm, com a peneira 4,7 milímetros estar no topo.
      2. Colocar 60 g de biocarvão na peneira 4,7 milímetros, colocar a tampa na parte superior e assegurar a pilha de peneiras no agitador.
      3. Agitar durante 10 min e registrar o peso de cada peneira. Reportam os dados em um arquivo do Excel como percentagem restante em cada peneira.

3. Teste Categoria B: Toxicant Relatórios

  1. Os testes de germinação
    1. Use o método de teste de germinação de sementes delineado por Solaiman et al. (2012) 11.
      1. Use papel de filtro e envasamento solo como controle positivo.
      2. Assegurar que os respectivos pesos de cada tratamento é de 3 g de biochar, 10 g de envasamento solo, e um pedaço de filter papel.
        NOTA: Estes valores são baseados no volume da placa de Petri de modo a que cada prato é ~ 50% completa (em volume).
      3. Em placas de Petri (8,5 cm de diâmetro), coloque cinco Cucurbita pepo spp. Pepo (abóbora) sementes e 50 Medicago sativa (alfafa) sementes em cada tratamento.
      4. Usando um cilindro graduado, adicionar 15 ml de água para todas as placas de Petri, em seguida, cobri-los com as respectivas tampas.
      5. Coloque as placas de Petri para a germinação sob a 14:10 hr (dia: noite) fotoperíodo fluorescente e manter a temperatura a 27 ºC (± 6 ºC).
      6. Após sete dias, registrar o número de sementes germinadas. Os resultados do relatório como% germinado por placa de Petri. Meça o comprimento radicular de sementes germinadas usando uma régua. Relatório comprimentos de raiz como uma soma para cada placa de Petri (cm / placa de Petri).
  2. Earthworm Avoidance
    1. Guarde Eisenia fetida em uma matriz do solo saudável composta de musgo de turfa e envasamentosolo e manter a umidade do solo em ~ 30%.
    2. Use método de evasão minhoca descrito por Li et al. (2011). Escolha minhocas de 0,3-0,6 g de tamanho.
      1. Para este ensaio, utilizar seis rodas de evitação (Figura 1) ou estrutura similar àquelas descritas no ambiente do Canadá aguda Evitar Teste (Environment Canada, 2004).
      2. Mix biochars separadamente usando uma pá e balde com envasamento do solo, a uma taxa de 2,8% (em peso).
      3. Preencha cada um dos seis compartimentos com 120 g de solo ou mistura de solo / biochar, com cada outro compartimento que serve como um controle sem alterações (Figura 1), ou seja solo sem biochar. Adicionar 10 vermes para o compartimento do meio round.
      4. Expor os vermes durante 48 horas mantendo a roda evasão coberto com folha de alumínio para evitar verme fuga. Manter as condições de temperatura para as rodas de evitação entre 20-25 ° C. Monitorar a umidade do solo e manter a ~ 30%.
      5. Após 48 horas remover os vermes e registrar sua localização na roda de evasão, ou seja, se eles estão no i) alteração ou ii) compartimentos sem alterações. Não reutilize vermes para testes futuros.
  3. Hidrocarbonetos aromáticos policíclicos (PAHs)
    1. Analisar PAHs por extração com solvente e GC-MS com base na EPA 8270 12.
  4. Bifenilos policlorados (PCB) Concentração
    1. Amostras secas (10 g) durante a noite a 25 ° C durante 18-24 h, em seguida, reduzindo-os a um pó fino (tamanho de partícula <0,15 mm) com 10 g de sulfato de sódio e 10 g de areia de Ottawa.
    2. Incluir uma análise em branco (Ottawa areia), um controle (uma quantidade conhecida de padrão PCB) e uma amostra analítica duplicado para cada 10 amostras desconhecidas.
    3. Coloque 2 g de amostra em Soxhlet dedal e adicione 100 decachlorobiphenyl ul (DCBP) como um padrão equivalente interno.
    4. Extrai-se as amostras em um aparelho de Soxhlet durante 4 horas a 4-6 ciclos por hora em 250 ml de diclorometano.
    5. Usando um cromatógrafo a gás equipado com um micro- 63 Ni detector de captura de elétrons (GC / μECD), uma coluna capilar de sílica fundida (30 m, 0,25 mm de diâmetro x 0,25 mm de espessura de filme) e software apropriado analisar extratos de biocarvão para o total Aroclors. Use hélio como gás transportador, a um caudal de 1,6 ml / min. Uso de nitrogênio como gás de maquiagem para o detector de captura de elétrons (ECD). Informar valores como ug / g de peso seco.
  5. Análise metal
    1. Amostras de ar seco para 18-24 hr e moer em um pó fino (tamanho de partícula <0,15 mm) com um almofariz e pilão.
    2. Usando ácidos concentrados de grau reagente, de calor de 0,5 g de amostra em 2 ml de 70% (w / w) de ácido nítrico e 6 ml de ácido clorídrico 38% (w / w), até que o volume é reduzido para 1-2 ml. Em seguida, faça-up a solução para 25 ml em um balão volumétrico usando água destilada e deionizada, filtrada através de um filtro Whatman No. 40 paper.
    3. Analisar amostras usando um espectrômetro de emissão simultânea com plasma indutivamente acoplado atômica (ICP-AES) com as seguintes normas / controles (veja o passo 3.5.3.1). Analisar padrões ICP multi-elemento e verifique erro% e coeficientes de correlação das curvas de calibração. Normas são comprados em misturas personalizadas com muitos elementos em cada padrão. Cada elemento tem uma curva de calibragem 3 ponto (por exemplo, o cádmio é executado a 0, 0,1, 1,0 e 5 ppm). Verifique curvas com padrões de verificação de calibração. Recalibrar aproximadamente a cada 18 amostras.
      1. Adicionar padrões internos (índio e escândio) 'on line' com amostras para verificar a estabilidade do instrumento. Analisar amostras com padrões de controle de qualidade adicional, incluindo materiais de referência certificados (de Bush, ramos e folhas; Branco couve e espinafre), método de blanks (adicionar ácidos a um tubo de digestão vazio e tratá-los como descrito no ponto 3.5.2 acima), duplicatas analíticos, e duplicados de campo.
  6. Mercúrio
    1. Garantir a instrumentação atenda os critérios definidos em US EPA Method 7473 e permite a medição direta de mercúrio
    2. Pesar 100 mg de biochar seca ar-solo (tamanho de partícula <0,15 mm) em quartzo ou níquel pesar barcos.
    3. Usar uma solução de estoque de ICP-AES de 1000 ug / ml de Hg e ácido clorídrico a 5% em água desionizada dupla (DDI) para fazer estoques de trabalho (5 ug / ml, 1 ng / ml, 0,1 ug / mL, 0,01 ug / ml) e padrões de calibração.
    4. Use um barco vazio limpo como um método em branco. Analisar amostras começando com um método em branco, Low QC (20 ng Hg - 20 l de 1 ng / ml Hg), em branco, alta QC (200 ng Hg - 40 ul de 1 ng / ml Hg), em branco, em branco, padrão de referência Materiais (MESS-3), em branco, MESS-3, em branco, amostra 1, em branco, Amostra 2, em branco, Amostra 2 dup, Blank, Amostra 3, em branco, etc.
    5. Coloque os barcos na câmara de instrumento em que a amostra se decompõe termicamente em uma continuous fluxo de oxigênio.
      NOTA: Os produtos de combustão irá então ser retirado de dentro do fluxo de oxigénio e, em seguida, ainda mais decompostos em um leito de catalisador quente. Vapores de mercúrio vai ser preso em um tubo de ouro e, subsequentemente, amalgamador dessorvida para a quantificação espectrofotométrica a 254 nm.

4. Teste Categoria C: Biochar Análise Avançada e Solo Propriedades Enhancement

  1. Amônio como o nitrogênio
    NOTA: O método utiliza a reacção de Berthelot em que os sais de amónio em solução reagem com o fenóxido. A adição de hipoclorito de sódio provoca a formação de um composto de cor verde. O nitroprussiato de sódio é adicionado para intensificar a cor.
    1. Pesar 5 g de amostra seca ao ar-terra (tamanho de partícula <0,15 mm) para um balão de Erlenmeyer de 125 ml. Adicionar 50 ml de 2 M (0,01% (V / V) de KCl. Colocar os frascos num agitador rotativo durante 1 hora a 200 rpm. Depois de agitação é completa, filtra-se as amostras através de papel Whatman N ° 42 do filtro em 100 ml plfrascos ASTIC.
    2. Preparar soluções reagentes:
      1. Fenol Alkaline - medida 87 ml de fenol liquefeito em 1-L volumétrica preenchido 2/3 com água DDI. Adicionar NaOH 34 g, completar o volume com água DDI.
      2. Solução de hipoclorito - usando graduada de 100 ml medida cilindro de 31,5 ml de água sanitária comercial (5-10%) e preencher a 100 ml com água DDI. Transferir para engarrafar e adicionar 1,0 g de pastilhas de NaOH e permitir que eles se dissolvem.
      3. Solução de EDTA - dissolver 32 g de EDTA de di-sódio e 0,4 g de NaOH em 1-L volumétrica 2/3 cheio com água DDI. Adicionar 0,18 g nitroprusside e dissolver por agitação. Completar o volume com água DDI e adicionar 3 ml Triton (10%).
    3. Adicione padrões de calibração (0,1, 0,2, 0,3, 0,5, 1,0, e 2,0 ug / ml Concentração N) utilizando grau de reagente de NH 4 Cl e água DDI. Prepare padrão de referência a partir de uma fonte QC grau de reagente de cloreto de amónio diferentes a partir da fonte usada para fazer as normas.Use água deionizada dupla como os espaços em branco.
    4. Comece a executar o auto-analisador. Projete cada corrida para começar com o alto padrão (2,0 ug / ml N) x 2, Padrões de Calibração (alto a baixo), Method em branco, alto padrão, baixo padrão (0,1 ug / ml N) x 2, água de lavagem, QC Referência Amostra x 2, Samples, Sample duplicado, e alto padrão., e lavagem com água.
      NOTA: O software auto-analisador calculará automaticamente concentrações no extrato.
    5. Calcular a concentração Biochar = (extrato de concentração x 50 ml (KCl)) / 5 g Biochar Sample.
  2. KCl extraível nitrito e nitrato por Autoanalyzer
    NOTA: O método colorimétrico de Griess Ilosvay utiliza a reacção de iões nitrito com sulfanilamida em condições ácidas para formar um composto diazo. O composto reage ainda com N -1-naphthylethylenediamine dicloridrato para formar um corante magenta azo. Nitrato na amostra é convertido em nitrito através da exposição a um agente redutor(Neste caso, uma redução de cobre de cádmio-coluna). Isto dá uma medida da concentração de nitrito + nitrato na amostra.
    1. Pesar 5 g de amostra seca ar chão (tamanho de partícula <0,15 mm) em erlenmeyer de 125 ml. Adicionar 50 ml de 2 M (0,01% (V / V)) KCl. Colocar os frascos num agitador rotativo durante 1 hora a 200 rpm. Após agitação é completa, filtra-se as amostras através de papel Whatman N ° 42 de filtro em tubos de ensaio de plástico de 100 ml.
    2. Deixar os reagentes (Cloreto de amónio e reagente de cor) a aquecer até à temperatura ambiente.
    3. Ligue colorímetro para deixar a lâmpada aquecer. Armazenado dentro do analisador automático são linhas reagente marcado cloreto de amônio, reagente de cor e água; ligar a bomba e deixe a água correr através do sistema, verificar todas as linhas de bomba de tubulação para o bom funcionamento.
    4. Uma vez que o sistema foi equilibrada, linhas lugar nos respectivos reagentes e permita a entrada de 5-10 min. Ligue o gravador gráfico. Espere por base a se estabilizar, e definido para o dia 10 unidade gráfico.
    5. Prepare 100 ug / ml de nitrato e nitrito QC Banco de Normas de KNO 3 e NaNO 2 e água DDI, respectivamente. Para tornar a 10 ug / ml Intermediate Padrão, adicionar 5 ml / solução estoque 100 ug ml para balão volumétrico de 50 ml e completar o volume com 0,01% de KCl. Para fazer Padrões de Calibração combinar 0,01% de KCl e o padrão intermediário 10 ug / ml preparada em balões volumétricos de 25 ml para fazer padrões de calibração (0,05, 0,2, 0,5, 1,0, 1,5, 2 ug / ml NO 3 ou NO 2). Use KCl para método espaços em branco.
    6. Prepare picos utilizando 5 g de areia de Ottawa (material inerte) e adicionar 0,05 ml de 1,000 ug / ml QC norma apropriada para um resultado final de 10 mg de N / kg de amostra. Faça um combinado NO 3 + NO 2 spike por spiking uma única amostra com 0.025 ml de cada / ml estoque padrão QC 1.000 mg. Prepare um spike amostra por run por spiking 5,0 g da amostra biochar desconhecido com 0,025 ml do apropriada 1,000 ug / ml estoque padrão QC.
    7. Comece a correr análise. Incluir um conjunto completo de padrões de calibração, duas amostras de CQ de referência, pelo menos, dois espaços em branco de KCl, e pelo menos dois Standards nitrito, um conjunto de Ottawa Spikes de areia e espaços em branco e um aumento da amostra em cada corrida.
      NOTA: As normas podem ser novamente como marcadores entre cada 5 amostras desconhecidas e para verificar os valores para a preparação da curva padrão.
    8. Repetir a 2,0 ug / ml de padrão no fim de cada ensaio. Executar amostras em duplicado a uma taxa mínima de 10%. Executar Nitrito + Análise Nitrato primeiro, seguido pela análise de nitrito.
    9. Record sobre as alturas de pico Nitrito Nitrate planilha de todos os padrões, cheques CQ e amostras. Use o número de unidades de gráfico como a medição da altura. Para calibrar a instrumentação, as alturas relativas dos padrões. Certifique-se que o valor de R 2 encontra-se acima de 0,99, se não voltar a executar as normas.
    10. Calcula-se a concentração das amostras utilizando o formulum:
      Extrato de Concentração = (Peak Altura - Interceptação da curva de calibração / Curva de Calibração Slope) x Diluição
      O biocarvão Concentração = (Extract Concentração x 50 ml (KCl)) / 5 g Biochar Amostra
    11. Subtrair a concentração de nitrito estimada a partir da concentração de nitrato mais nitrito a nitrato de calcular.
  3. O fósforo extraível (2% de extracção com ácido fórmico)
    NOTA: O software auto analisador calcula automaticamente concentrações. A informação de calibração relatórios de software, qualidade do ajuste da curva de calibração, as concentrações em todas as amostras, calibradores, espaços em branco e amostras de CQ que foram executados.
    1. Antes de armazenar amostras análise em um recipiente de vidro limpo ou saco de plástico estéril. Manter as amostras refrigeradas e analisar dentro de duas semanas ou manter congelado por até um ano.
    2. Fazer todos os padrões e QC norma com o mesmo fluido de extracção que é utilizado para as amostras. Use Estuarino Sedimentos como REFERÊ padrãomaterial de dno e em cada banho de amostras incluem dois espaços em branco a ser extraído.
    3. Usando um volumétrico de 1 L cheio até 750 ml com água DDI, adicionar 20 ml (98-99%) de ácido fórmico e preencher até ao volume com água DDI.
    4. Adicionar 1,0 g de amostra seca ao ar-terra (tamanho de partícula <0,15 mm) para um balão de Erlenmeyer de 125 ml. Adicionar 50 ml de solução de ácido fórmico a 2%. Colocar os frascos sonicador durante 10 min, em seguida, transferir para agitador rotativo durante 1 hora a 200 rpm. Após agitação, amostras de filtro usando papel de filtro Whatman No. 42 em um outro conjunto de frascos de Erlenmeyer de 125 ml.
    5. Prepare Normas e Spikes:
      1. Prepare a 1.000 ng / ml QC da Norma de ortofosfato monopotássico e água DDI. Use o CQ da Norma para fazer os padrões de calibração (5 ug / ml, 1 ng / ml, 0,5 ug / ml, 0,2 ug / ml, 0,1 ug / ml). Use 0,100 ml do QC padrão para fazer o QC de Spike. Para fazer uma QC padrão Verifique, adicionar 0,100 ml do QC da Norma para a 50 ml volbalão umetric e torná-lo o volume com KCl.
        NOTA: Este é um 0,2 ug / ml concentração de diluição.
      2. Use Estuarino sedimentos, QC amostra de referência. Use 0,01% de KCl como o método em branco.
    6. Analisar no sistema auto-analisador. Definir amostras acima como Primer (Alto Padrão (0,5 ug / ml), calibradores (5 mg / ml, 1 mg / ml, 0,5 mg / ml, 0,2 mg / ml, de 0,1 ng / ml), em branco, nulo, Alto Padrão ( 0,5 ug / ml), baixo padrão (0,1 g / ml), baixo padrão (0,1 g / ml), Null, QC (Amostra de Referência / Estuarino de sedimentos), QC (Amostra de Referência / Estuarino de sedimentos), Método Blank, amostra 1, Amostra 2, Amostra 2 Dup, Amostra 3 etc., alto padrão, Null.
    7. Em cada lote de amostras também extrair duas peças preliminares: uma é uma calibração em branco e é para ser colocado na estante padrão do amostrador automático, o outro é um método em branco e é para ser colocado no tabuleiro das amostras.
  4. Área Superficial Específica
    NOTA: Analysis para Brunauer Emmett Teller-(BET) área de superfície foi realizado no Chemical Biological Radio Nuclear (CBRN) Lab Proteção à RMC. O método utiliza N análise de sorção de gás 2 a 77 K numa gama de pressões relativas 0,01-,10 após desgaseificação a 120 ° C durante um mínimo de 2 horas. Uma amostra duplicado foi analisada para cada seis amostras desconhecidas. As amostras não são moídos em forma de pó antes da análise.
    NOTA: Os tempos de desgaseificação e pressões são específicos para fabricante do instrumento e do método desde que tenha sido previamente validado com carvões activados alta temperatura.
  5. Trocáveis ​​(CEC)
    1. Siga o método de acetato de sódio para CEC descrito por Laird e Fleming (2008) para calcular CEC.
      1. Incluir um em branco analítico (água DDI), material de referência padrão (Ottawa Areia) e duplicar a cada 10 amostras.
      2. Prepare saturando a solução (1 M NaOAc pH 8,2) por dissolução de 136,08 g de NaOAc. 3H 2 Oem 750 ml de água destilada e desionizada. Ajustar o pH para 8,2 por adição de ácido acético ou hidróxido de sódio. Dilui-se a 1 L com água DDI.
      3. Prepare a primeira solução de lavagem (80% de isopropanol (IPA)) por combinação de 800 ml de IPA com 200 ml de água destilada, desionizada. Em seguida, preparar a segunda solução de lavagem (100% IPA).
      4. Preparar a solução de substituição (0,1 M NH 4 Cl) por dissolução de 5,35 g de NH 4 Cl em 1 L de água destilada e desionizada.
      5. Pesar 0,2 g de amostra (seca ao ar, não moída) para um tubo de centrífuga de 30 ml. Ao mesmo tempo, pesar 0,5 g da mesma amostra de ar seco a uma pré-secagem pesava panela de alumínio. Colocar a amostra no recipiente de secagem de alumínio no forno a 200 ° C durante 2 horas, arrefecer num excicador e pesa-se novamente para determinar o teor de água da amostra seca ao ar. Utilize essa amostra para o cálculo do fator de correção do teor de água, F (passo 4.4.1.10).
      6. Adicionar 15 ml da solução satura, vórtice, depois centrifugar a 3000xg durante 5 min. Decantar e cuidadosamente descartar o sobrenadante para garantir que não haja amostra está perdido. Repita este passo mais duas vezes.
      7. Adicionar 15 ml da primeira solução de lavagem. Agitar em vórtice e centrifugação a 3000 xg durante 5 min. Decantar e descartar cuidadosamente o sobrenadante. Repetir este passo várias vezes, cada vez que a medição da condutividade eléctrica da solução sobrenadante. Quando a condutividade do sobrenadante a condutividade cai abaixo de NaOAc saturado com IPA (~ 6 mS / cm), mudar para a segunda solução de lavagem. Continue a enxaguar a amostra até que a condutividade do sobrenadante cai abaixo de 1 mS / cm.
      8. Deixar a amostra secar ao ar num exaustor de fumos, em seguida, adicionar 15 ml da solução de substituição. Agitar em vórtice e centrifugação a 3000 xg durante 5 min. Decantar e salvar o sobrenadante para um balão volumétrico de 100 ml. Repetir esta etapa mais três vezes, cada guardando o sobrenadante para o mesmo balão volumétrico de tempo. Então traga a volumétrica para 100 ml com água destilada, deionizada water.
      9. Analisar o teor de sódio por meio de espectrometria de emissão de plasma indutivamente acoplado-atómica (ICP-AES), como descrito anteriormente.
      10. Realize os seguintes cálculos:
        F = (peso seco em estufa, o ar seco da amostra - peso de ar seco da amostra)
        C = concentração de Na (mg / L) no balão volumétrico de 100 ml
        W = peso (g) de amostra, seca ao ar adicionado ao tubo de centrífuga
        CEC = (C x 0,435) / (W x F) (cmol / kg)

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Resultados

Um resumo de todos os resultados, incluindo uma comparação com os critérios estabelecidos pelo IBI 13 podem ser encontrados nas Tabelas 1 (resumo), 2 (New, alta, baixa, Third matéria-prima e de alta biochars 2) e 3 (biochar Velha). Todas as matérias-primas utilizadas biochars e em 2012 e 2013 (Tabela 2) foram bem dentro do critério estabelecido pela IBI e havia pequenas diferenças entre biochars. Biochar Velho (Tabela 3), o p...

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Discussão

Todos os métodos listados no protocolo foram validados com atenção e amplamente utilizado para solos. Como caracterização biochar ainda está em sua infância, a eficácia desses métodos para o substrato rico em carbono foi em grande parte desconhecido. Assim, embora esses próprios métodos não são novos, a sua aplicação para caracterizar rotineiramente biochar é. Em termos de controle de qualidade de garantia / qualidade, não houve problemas entre qualquer um dos métodos em relação aos espaços em branco, sendo abaixo dos l...

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Divulgações

Os autores declaram que não têm interesses financeiros concorrentes.

Agradecimentos

Este trabalho foi financiado pela Extensão de Pesquisa Aplicada e Comercialização da Agência Federal de Desenvolvimento Econômico do Canadá (FedDev) para a Queen's University (Dra. Allison Rutter e Dr. Darko Matovic). Sincero agradecimento à Burt's Greenhouses (Odessa, ON) por fornecer os biochars. Agradecimentos especiais a Yuxing Cui, do Grupo de Proteção CBRN da RMC, e à equipe da ASU e do Zeeb Lab por seu apoio contínuo.

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Materiais

Lista de materiais utilizados neste artigo
NomeEmpresaNúmero de catálogoComentários
EstufasBiocharTodos os seis biochars foram produzidos nas Estufas de Burt através do sistema de caldeira BlueFlame
NaOAcFisher ScientificE124-4Dissolução de 136,08 g de NaOAC.3H2O em 750 ml de água destilada e deionizada (água DDI)
Ácido acéticoFisher ScientificA38-212
Sódio HidróxidoFisher ScientificSS284-1
IsopropanolFisher ScientificA416P480% IPA: 800 ml IPA com 200 ml de água DDI.
NH4ClFisher ScientificA649500Dissolução 5,35 g NH4Cl em 1 L de água DDI. 
Panela de Secagem AlumminumFisher Scientific08-732-110
Forno de SecagemFisher Scientific508N0024200 ° C por 2 horas.
DessecadorFisher Scientific08-595A
BalanceMettler1113032410
Solução SaturanteFisher Scientific06-664-25
VortexBarnstead/Thermolyne871000536389     
CentrifugeInternational Equipment Company243728083.000 x g por 5 min.
Solução de EnxágueFisher Scientific (Ricca Chemistry Company)06-664-24
Medidor de CondutividadeWESCAN88298
Solução de SubstituiçãoFisher Scientific06-664-24
ICP-AESVarianEL00053841
ASAP 2000 Analisador de Área de Superfície Cavlon885Desgaseificação a 120 &graus; C por um mínimo de 2 horas.
Mufla FisherScientific806N0024Aqueça por 16 horas cobrindo a 420 °C.
Medidor de pHFisher Scientific1230185263
PeneiraFisher Scientific2288926peneira de 4,7 mm na parte superior.
Peneira SkakerMeinzer II0414-02Agite por 10 min.
Sulfato de SódioVWREM-SX0761-5
Areia de OttawaFisher ScientificS23-3
SoxhletFisher Scientific (Pyrex)09-557A4  hr em 4– 6  ciclos/h.
DCBPSuprlco Analítico48318     
DiclorometanoSigma Aldrich40042-40855-U
6890 Plus Cromatógrafo Gasoso Micro 63 Ni ECDAgilentUS00034778
HélioAlphaGazSPG-NIT1AL50SMART
NitrogênioAlphaGazSPG-HEL1AL50SMART
Mortor e PilãoFisher Scientific (CoorsTeh)12-948G
Ácido NítricoFisher Scientific351288212
No. 40 Papel de FiltroFisher Scientific (Whatman)09-845A
Barcos de pesagem de quartzo/níquelFisher Scientific11-474-210
DMA-80ATS Scientific5090264
98– 99% de ácido fórmicoSigma Aldrich33015-1L1 L volumétrico preenchido até 750 ml com água DDI, adicione 20 ml de ácido fórmico e encha até o volume com água DDI.
SonicatorFisher Sientific15338284
Agitador RotativoNew Brunswick Scientific (Innova 2100)14-278-1081 hora a 200 rpm.
No. 42 Papel de FiltroFisher Scientific (Whatman)09-855A
WhirlPacksFisher ScientificR55048
Potássio Dihidrogênio Ortofosfato FisherScientific181525
2 M KClFisher ScientificFrascos de Plástico P282100
Fisher Scientific Fisher Scientific03-337-20
Cloreto de AmônioFisher ScientificPX05115Permitir aquecer até à temperatura ambiente
Reagente de corFisher Scientific361028260Permitir aquecer até à temperatura ambiente
ColorímetroFisher Scientific13-642-400Ligue para deixar a lâmpada aquecer e funcionar durante 5 min.
ASEAL Auto Analyzer 2SEAL4723A12068
Fenol LiquefeitoFisher ScientificMPX05115Alkaline Phenol: Meça 87 ml de fenol liquefeito em 2/3 volumétrico de 1-L com água DDI. Adicionar 34 g de NaOH e completar o volume com água DDI.
NaOHFisher ScientificS318-3
Commercial BleachRetail StoreHypochlorite Solution: Usando um cilindro graduado de 100 ml, meça 31,5 ml de alvejante comercial e encha até 100 ml com água DDI.
Pellets de NaOHFisher ScientificS320-1
EDTA DissódicoSigma AldrichE5124
Hipclorito de SódioFisher ScientificSS290-1
Triton (10%)Fisher ScientificBP151-100
Nitroprussiato de SódioFisher ScientificS350-100
Sais de AmônioFisher ScientificA637-10
FenóxidoFisher ScientificAC388611000
Eisenia FetidaThe Worm Factory
SpadeLoja
BaldeLoja
Envasamento SoloLoja
Varejo Roda de Prevenção MeioAmbiente CanadáConstruído por um projeto modificado da Environment Canada' s Teste de Evitação Aguda.
Folha de alumínioFisher Scientific01-213-100
Placas de PetriFisher Scientific08-757-118,5 cm de diâmetro.
Sementes de AbóboraOntario Seed Company (OSC)2055
Alfalpha SeedsOntario Seed Company (OSC)6675
Tubos de Centrífuga (30 ml)Fisher Scientific 22-038-906
Copos (50  ml)Fisher Scientific (Pyrex)02-540GSecar no forno a 105 °C.
Copos (30  ml)Frascos Erlenmeyer Fisher Scientific (Pyrex)20-540C
(125  ml)Fisher Scientific (Pyrex)S76106C
Garrafa Volumétrica (100  ml)Fisher Scientific (Pyrex)10-211C
Sedimento EstuarinoInstituto Nacional de Normas1546AMaterial de Referência Padrão
AlvejanteClorox Ultra (5– 10% de hipoclorito de sódio)
de Burt Aparelho de Varejode Varejode

Referências

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