Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Environment
Click here for the English version

Environment

Fysisk, kjemisk og biologisk karakterisering av Seks Biochars Produserte for opprydding av forurenset nettsteder

Published: November 28, 2014 doi: 10.3791/52183
Automatic Translation
1, 1, 2, 1
1Department of Chemistry and Chemical Engineering, Royal Military College of Canada, 2Analytical Services Unit, School of Environmental Studies, Queen's University

Summary

Biokull er et karbonrikt materiale brukes som et jordforbedringsmiddel med evnen til å bærekraftig lagrer karbon, bedre substrat kvalitet og sorbere forurensninger. Denne protokollen beskriver 17 analytiske metoder som benyttes for karakterisering av Biokull, som er nødvendig før gjennomføring i stor skala av disse endringer i miljøet.

Abstract

De fysiske og kjemiske egenskaper av Biokull variere basert på råstoff kilder og produksjonsforhold, noe som gjør det mulig å konstruere biochars med spesifikke funksjoner (for eksempel å binde karbon, forbedringer jordkvalitet, eller forurensning absorpsjon). I 2013, den internasjonale Biokull Initiative (IBI) gjort offentlig tilgjengelig deres standardisert produkt Definisjon og produkttesting retningslinjer (versjon 1.1) som setter krav til de fysiske og kjemiske egenskaper for Biokull. Seks biochars laget av tre forskjellige matningsmaterialer og ved to temperaturer ble analysert med hensyn til karakteristika relatert til deres anvendelse som et jordforbedringsmiddel. Protokollen beskriver analyser av råmaterialer og biochars og omfatter: kation-utvekslingskapasitet (CEC), spesifikk overflateareal (SSA), organisk karbon (OC) og fuktighet i prosent, pH, partikkelstørrelsesfordeling, og plassen og endelige analyse. Også beskrevet i protokollen er analysene av råstoffene og Biokulls for forurensninger, inkludert polysykliske aromatiske hydrokarboner (PAH), polyklorerte bifenyler (PCB), metaller og kvikksølv samt næringsstoffer (fosfor, nitritt og nitrat og ammonium som nitrogen). Protokollen inkluderer også de biologiske testprosedyrer, meitemark unngåelse og spiring analyser. Basert på kvalitetssikring / kvalitetskontroll (QA / QC) resultatene av blanks, duplikater, standarder og referansemateriale, ble alle metoder bestemt tilstrekkelig for bruk med Biokull og råstoff materialer. Alle biochars og matningsmaterialer var godt innenfor kriterier satt av IBI, og det var små forskjeller mellom biochars, unntatt i tilfellet av Biokull produsert fra anleggsavfallsmaterialer. Dette Biokull (referert til som Old Biokull) var fast bestemt på å ha forhøyede nivåer av arsen, krom, kobber og bly, og mislyktes meitemark unngåelse og spiring analyser. Basert på disse resultatene, ville Gammel Biokull ikke være egnet for bruk som en jord endring for karbon sequestration, underlaget kvalitetsforbedringer eller utbedring.

Introduction

Biokull er et karbonrikt biprodukt produsert under pyrolyse av organisk materiale 1. Interesse, både offentlig og faglig, i å legge Biokull til jord, stammer fra sin evne til å forbedre jordkvaliteten og plantevekst 2, 3, bærekraftig lagrer karbon 4, og sorbere skadelige forurensninger 2, 3, 5-7 mens tilbyr samtidig alternativer for avfall ledelse og energiproduksjon ved pyrolyse.

Biochars blir produsert av en rekke selskaper og organisasjoner over hele verden via ulike pyrolyse systemer. Materialer som brukes til Biokull produksjon omfatter (men er ikke begrenset til) treflis, husdyrgjødsel og byggeavfall 1. Forventes disse forskjellene å endre biochars fysiske og kjemiske egenskaper og dermed deres evne til å forbedre underlag, fremme langsiktig stabilitet og øke absorpsjon evner. I tillegg, under pyrolyseprosessen på Biokull may bli utilsiktet forurenset med metaller, PAH og PCB som følge av forurensede råstoff eller upassende pyrolyseforhold. Derfor, før Biokull kan brukes i stor skala for miljøet som en jord endring, forsiktig karakterisering av Biokull for forurensninger, spesifikk overflate, kationvekslerkapasitet, meitemark unngåelse og spiring og andre foreslått av den internasjonale Biokull Initiative (IBI) må gjennomføres. I 2013, det første standardisert produkt Definisjon og produkttesting Retningslinjer for Biokull, som setter standarder for Biokull fysiske og kjemiske egenskaper, ble publisert og gjort offentlig tilgjengelig.

Forskning har vist at Biokull produsert på en kommersiell drivhus i Odessa, ON, Canada har evnen til å forbedre plantevekst i intenst degradert jord og sorbere organiske miljøgifter (POPs) som PCB to, tre. Dette Biokull har blitt produsert fra treulike råstoff (dvs. organisk materiale kilder) via en kjele system der varmen som genereres brukes til å varme sine drivhus drift i løpet av vintermånedene.

Denne undersøkelsen gir karakteriseringsdata som angår fremstilling av Biokull i en biomasse kjele og anvendelse av Biokull som jordforbedringsmiddel. Målet med denne studien er å grundig karakterisere den fysiske, kjemiske og biologiske egenskaper seks biochars henhold til standarder satt av IBI i deres standardisert produkt Definisjon og produkttesting retningslinjer (versjon 1.1) (2013). Disse egenskapene er på nett, der det er mulig, til resultatene for hver Biokull som landbruks endringer og deres evne til å sorbere forurensninger.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

MERK: Kjemiske analyser ble utført ved Analytical Services Unit (ASU) i School of Environmental Studies ved Queens University (Kingston, ON). ASU er akkreditert av den kanadiske Association for Laboratory Accreditation (CALA) for spesifikke tester oppført i akkrediteringsomfang. Andre analyser, inkludert drivhusforsøk, ble utført ved The Royal Military College of Canada (Kingston, ON) ved Institutt for kjemi og Chemical Engineering.

1. Generelle betraktninger

  1. For å sikre kvalitetssikring og kvalitetskontroll, analysere en analytisk blank og en analytisk duplikat, en prøve duplikat og en standard referansemateriale med hvert parti av prøvene (maks batch størrelse 10) for metodene i protokollen.
  2. Etablere duplikatprøver når sub-sampling fra den opprinnelige prøven og gå gjennom den samme forberedelse som de ukjente prøvene. Sikre at like verdier er innenfor 20% av hvertandre eller gjenta analysen. Sikre at resultatene av de blanke feltene analyse er under deteksjonsgrenser for tilsvarende metode. Standard referansemateriale grenser avhengig av de enkelte fremgangsmåten, men sikre at de er generelt innenfor 15-30% av den forventede verdi.
    MERK: I mange av de metodene som er beskrevet i protokollen, er detaljer inkludert på den foreslåtte rekkefølgen av prøveanalyse inkludert calibrants, blanks, høye og lave standarder og ukjente prøver. Dette er for å sikre at ingen krysskontaminering mellom prøver og sikre en høy standard til QA / QC.
    MERK: Seks biochars ble produsert på en kommersiell drivhus og analysert med hensyn til kjemiske, fysiske og biologiske parametre. Navnene på hver Biokull reflektere deres produksjonsparametre eller råstoff kilde (tabell 1).

2. Test Kategori A: hovedegenskaper Biokull Utility

  1. Fuktighet og organisk materiale
    1. Bruk glødetap prosedyre utforet av Nelson og Sommers (1996).
      1. Inkludere et eksempel duplikat og standard referansemateriale (Ottawa Sand) for hver 10 ukjente prøver.
      2. Merke 50-ml begre med varmebestandig markør, ovn tørke dem ved 105 ° C, la dem avkjøles deretter spille vekt.
      3. Vei 2 g lufttørket prøve til ovnstørket beger. Tørr prøve ved 105 ° C i 24 timer, deretter fjerne fra ovnen og la den avkjøles.
      4. Når kjølig, veie begeret og prøven (X = vekt av tørket prøve - vekten av beger).
      5. Plasser prøven i muffelovnen og varme i 16 timer kjørt ved 420 ° C. Fjern prøven fra ovnen og la den avkjøles. Vei begeret med prøven på nytt og ta opp vekten (Y = vekt av foraskede sample - vekten av beger).
      6. Utføre følgende beregninger:
        i) Tap på Ignition = XY
        ii)% Moisture = ((Sample Vekt - X) / Sample Vekt) x 100%
        iii)% Organic Matteh = (glødetap / X) x 100%
  2. Plassen og Ultimate Analyse
    MERK: For andreplassen / ultimate analyse, ble fire prøver analysert: Lav, Høy, Standard Fuel og High 2. PAH-analyse ble utført på Lav, Høy, og Standard Fuel. Disse ble valgt som representant for biochars produsert siden 2012.
    1. Gjennomføre Proximate og Ultimate analyser på et kommersielt anlegg basert på metoder: ASTM D3172-13 8 og D3176-09, standard praksis for Proximate og Ultimate 9 Analyse av kull og koks, henholdsvis.
  3. pH
    1. Kalibrere pH-probe daglig før bruk med kalibreringsstandarder.
    2. Legg 0,25 g Biokull til 25 ml destillert, deionisert vann.
    3. Rist manuelt i 2 minutter, deretter sentrifugeres for 3000 xg i 5 min.
    4. Samle supernatanten i prøverør av glass og måle pH.
  4. Partikkelstørrelsesfordeling
    1. Analysere alle prøvene i triplicate via progressiv tørr sikting tilpasset fra ASTM D5158-98 10 ved hjelp av syv amerikanske Standard sikter og pan (4,7, 2,0, 1,0, 0,50, 0,25, 0,15 og 0,0075 mm)
      1. Spill vekten av hver tomt sil og stable sikter i rekkefølge fra panne til 4,7 mm med 4,7 mm sikt å være på toppen.
      2. Plassere 60 g Biokull i 4,7 mm sikt, legger lokket på toppen og sikre bunken sikter på shakeren.
      3. Rist i 10 min og registrere vekten av hver sil. Rapportere data i en Excel-fil som prosent igjen i hver sil.

3. Test Kategori B: toksikant Reporting

  1. Spiring Tester
    1. Bruk frøspiring testing metoden skissert av Solaiman et al. (2012) 11.
      1. Bruk filter papir og plantejord som positive kontroller.
      2. Sørg for at de respektive vekter av hver behandling er 3 g Biokull, 10 g plantejord, og en del av filter papir.
        MERK: Disse verdiene er basert på volum i petriskålen slik at hver tallerken er ~ 50% full (i volum).
      3. I petriskåler (8,5 cm i diameter), plasserer fem Cucurbita pepo spp. Pepo (gresskar) frø og 50 Medicago sativa (alfalfa) frø i hver behandling.
      4. Ved hjelp av en målesylinder legge 15 ml vann til alle petriskåler, og deretter dekke dem med deres respektive lokk.
      5. Plasser petriskåler for spiring under en 14:10 hr (dag: natt) fluorescerende fotoperiode og opprettholde temperaturen ved 27 ºC (± 6 ºC).
      6. Etter syv dager registrere antall frø spirer. Rapportere resultater som% spirer per petriskål. Mål roten lengden av spirer frøene ved hjelp av en linjal. Rapporter root lengder som en sum for hver petriskål (cm / petriskål).
  2. Earthworm Avhold
    1. Lagre Kompostmeitemark i en sunn jord matrise består av torvmose og pottingjord og opprettholde fuktigheten i jordsmonnet på ~ 30%.
    2. Bruke meitemark unngåelse metode beskrevet av Li et al. (2011). Velg ormer som spenner 0,3 til 0,6 g i størrelse.
      1. For dette assay ved å bruke seks unngåelseshjul (figur 1) eller en lignende struktur til de som er beskrevet i Environment Canada Akutt Avoidance Test (Environment Canada, 2004).
      2. Mix biochars separat med en spade og bøtte med potting jord med en rate på 2,8% (vekt).
      3. Fyll hver av de seks seksjoner med 120 g jord eller jord / Biokull blanding, med alle andre kammer som tjener som en uendret kontroll (figur 1), dvs. jord uten Biokull. Tilsett 10 ormer til den runde midtre kammeret.
      4. Expose ormer i 48 timer holde unngåelse hjulet dekket med aluminiumsfolie for å hindre ormen flukt. Opprettholde temperaturforhold for å unngå hjulene mellom 20-25 ° C. Overvåke jordfuktighet og vedlikeholde på ~ 30%. Etter 48 timers fjerne ormer og registrere deres plassering i unngåelse hjulet, dvs. hvis de er i i) endres eller ii) uendret avdelinger. Ikke bruk ormer for fremtidig testing.
  3. Polysykliske aromatiske hydrokarboner (PAH)
    1. Analyser PAH ved løsemiddelekstraksjon og GC-MS basert på EPA 8270 12.
  4. Polyklorerte bifenyler (PCB) Konsentrasjon
    1. Tørre prøver (10 g) over natten ved 25 ° C i 18-24 timer og deretter male dem til et fint pulver (partikkelstørrelse <0,15 mm) med 10 g natriumsulfat og 10 g Ottawa-sand.
    2. Omfatte en analytisk blank (Ottawa-sand), en kontroll (en kjent mengde standard PCB) og en analytisk duplikat prøve for hver 10 ukjente prøver.
    3. Plassere 2 g prøve til Soxhlet fingerbøl og tilsett 100 mL decachlorobiphenyl (DCBP) som en intern surrogat standard.
    4. Trekke ut prøver i en Soxhlet-apparatur i 4 timer ved 4-6 sykluser per time i 250 ml diklormetan.
    5. Ved hjelp av en gasskromatograf utstyrt med en mikro- 63 Ni elektroninnfanging detektor (GC / μECD), en sammensmeltet silika-kapillærkolonne (30 m, 0,25 mm ID x 0,25 um filmtykkelse) og passende programvare for å analysere Biokull ekstrakter for total Aroclors. Benytte helium som bærergass ved en strømningshastighet på 1,6 ml / min. Bruke nitrogen som make-up gass for elektroninnfanging detektor (ECD). Rapporter verdier som ug / g tørrvekt.
  5. Metall Analyse
    1. Lufttørkende prøver for 18 til 24 timer og male til et fint pulver (partikkelstørrelse <0,15 mm) med en morter og støter.
    2. Ved hjelp av reagenskvalitet konsentrerte syrer, varme 0,5 g av prøven i 2 ml 70% (w / w) salpetersyre og 6 ml 38% (vekt / vekt) saltsyre, inntil volumet er redusert til 1-2 ml. Deretter make-up løsningen til 25 ml i en volumetrisk kolbe med destillert, avionisert vann, filtrert gjennom et Whatman No. 40 filter paper.
    3. Analysere prøver ved hjelp av en simultan induktivt koplet plasma atom emisjonsspektrometer (ICP-AES) med følgende standarder / kontroller (se trinn 3.5.3.1). Analysere multi-element ICP standarder og sjekk% feil og korrelasjonskoeffisienter på kalibreringskurvene. Standarder er kjøpt i tilpassede blander med mange elementer i hver standard. Hvert element har en 3-punkt kalibreringskurve (for eksempel kadmium drives ved 0, 0,1, 1,0 og 5 ppm). Verifisere kurver med kalibreringssjekk standarder. Rekalibrere ca hver 18 prøver.
      1. Legg interne standarder (indium og scandium) "on line" med prøver for å verifisere instrument stabilitet. Analysere prøver med ekstra kvalitetskontroll standarder, inkludert sertifiserte referansematerialer (Bush, grener og blader, hvit kål og spinat), metode blanks (legg syrer til en tom fordøyelse rør og behandle dem som beskrevet i 3.5.2 ovenfor), analytiske duplikater, og felt duplikater.
  6. Mercury
    1. Sikre instrumentering oppfyller kriteriene som er skissert i US EPA Method 7473 og gir mulighet for direkte kvikksølv måling
    2. Veie 100 mg av bakken lufttørket Biokull (partikkelstørrelse <0,15 mm) i kvarts eller nikkel veie båter.
    3. Bruke en ICP-AES stamløsning av 1000 pg / ml Hg og 5% saltsyre i dobbelt deionisert vann (DDI) for å gjøre arbeids bestander (5 ug / ml, 1 ug / ml, 0,1 ug / ml, 0,01 pg / ml) og kalibreringsstandarder.
    4. Bruk en renset tom båt som metode blank. Analysere prøver som starter med en metode blank, Low QC (20 ng Hg - 20 pl 1 mikrogram / ml Hg), Blank, High QC (200 ng Hg - 40 mL av 1 mikrogram / ml Hg), Blank, Blank, Standard Reference Material (MESS-3), Blank, MESS-3, Blank, Sample 1, Blank, Prøve 2, Blank, Prøve 2 DUP, Blank, Prøve 3, Blank, etc.
    5. Plassere båtene i instrument kammer hvor prøven vil brytes ned termisk i en continuOUS flyt av oksygen.
      MERK: Forbrenningsproduktene vil da bli ført bort i oksygenstrømmen og deretter videre dekomponeres i en varm katalysatorsjiktet. Kvikksølvdamper vil bli fanget på en gull amalgamator rør og senere desorberes for spektrofotometrisk kvantifisering ved 254 nm.

4. Test Kategori C: Biokull Avansert Analyse og Soil Enhancement Properties

  1. Ammonium som Nitrogen
    MERK: Fremgangsmåten gjør bruk av Berthelot reaksjon hvor ammoniumsalter i oppløsningen reagerer med fenoksyd. Tilsetning av natriumhypokloritt fører til dannelse av en grønn-farget forbindelse. Natriumnitroprussid legges til intensivere fargen.
    1. Vei 5 g malt lufttørket prøve (partikkelstørrelse <0,15 mm) inn i en 125 ml Erlenmeyerkolbe. Tilsett 50 ml av 2 M (0,01% (V / V) KCl. Sett kolber på en roterende ryster i en time ved 200 opm. Etter risting er ferdig, filtrerer prøvene gjennom Whatman No. 42 filterpapir i 100 ml plastic ampuller.
    2. Forbered reagensoppløsninger:
      1. Alkalisk Fenol - mål 87 ml flytende fenol i en-L volumet fylt 2/3 med DDI vann. Legg 34 g NaOH, fyll opp til merket med DDI vann.
      2. Hypokloritt Solution - ved hjelp av 100-ml målesylinder mål 31,5 ml av kommersiell blekemiddel (5-10%) og fyll opp til 100 ml med DDI vann. Overfør til flaske og legge til 1,0 g NaOH pellets og tillate dem å oppløse.
      3. EDTA-løsning - oppløse 32 g di-natrium-EDTA og 0,4 g NaOH i en 1-L volumet 2/3 fylt med DDI vann. Legg 0,18 g nitroprusside og oppløse ved risting. Fyll opp til merket med DDI vann og tilsett 3 ml Triton (10%).
    3. Gjør kalibreringsstandarder (0,1, 0,2, 0,3, 0,5, 1,0, og 2,0 ug / ml N konsentrasjon) ved anvendelse av reagenskvalitet NH4CI og DDI vann. Forbered QC referansestandard fra et reagenskvalitet kilde av ammoniumklorid forskjellig fra kilden benyttes for å gjøre de standarder.Bruk dobbelt ionisert vann ettersom de blanke feltene.
    4. Begynn å kjøre autoanalysator. Designe hver kjøring for å starte med høy standard (2,0 mikrogram / ml N) x 2, Kalibrerings Standards (høy til lav), Metode Blank, høy standard, lav Standard (0,1 mikrogram / ml N) x 2, vaskevann, QC Reference utvalget x 2, Samples, Sample duplikat, og høy standard., og vaskevann.
      MERK: autoanalysator programvaren vil automatisk beregne konsentrasjoner i ekstraktet.
    5. Beregn Biokull Konsentrasjon = (Extract Konsentrasjon x 50 ml (KCl)) / 5 g Biokull Sample.
  2. KCl ekstraherbar nitritt og nitrat av autoanalysator
    MERK: Griess Ilosvay kolorimetrisk metode utnytter reaksjonen av nitrittioner med sulfanilamid under sure betingelser for å danne en diazoforbindelse. Forbindelsen reagerer videre med N-1-naphthylethylenediamine dihydroklorid for å danne en magenta azofargestoff. Nitrat i prøven omdannes til nitritt ved eksponering av et reduksjonsmiddel(I dette tilfelle en kobber-kadmium-reduserende kolonne). Dette gir et mål på nitrat + nitritt-konsentrasjon i prøven.
    1. Vei 5 g malt lufttørket prøve (partikkelstørrelse <0,15 mm) i 125-ml Erlenmeyerkolbe. Tilsett 50 ml av 2 M (0,01% (V / V)) KCl. Sett kolber på en roterende ryster i en time ved 200 rpm. Etter risting er fullført, filtrere prøvene gjennom Whatman No. 42 filter papir i 100 ml plasthetteglass.
    2. Tillat reagenser (ammoniumklorid og fargereagens) å oppvarmes til romtemperatur.
    3. Slå på colorimeter for å la lampen varmes opp. Lagret i auto analysator er reagensrørene merket Salmiakk, Color Reagens og vann; starte pumpen og la vannet renne gjennom systemet, sjekk alle pumpe-slangelinjer for riktig funksjon.
    4. Når systemet har likevekt, sted linjer i de respektive reagenser og la den gå i 5-10 min. Slå på diagramopptegner. Vent til baseline for å stabilisere, og satt til 10.
    5. Forbered 100 mikrogram / ​​ml nitrat og nitritt QC Stock Standards fra KNO 3 og NaNO2 og DDI vann, henholdsvis. For å gjøre en 10 mikrogram / ml Intermediate Standard, tilsett 5 ml 100 mikrogram / ml stamløsning til 50-ml målekolbe og fyll opp til merket med 0,01% KCl. For å gjøre Kalibreringsstandarder kombinere 0,01% KCl og 10 ug / ml mellomliggende standard fremstilt i 25 ml volumetriske kolber å lage kalibreringsstandarder (0,05, 0,2, 0,5, 1,0, 1,5, 2 ug / ml 3-NO eller NO2). Bruk KCl for metode blanks.
    6. Forbered pigger ved hjelp av 5 g av Ottawa-sand (inert materiale) og tilsett 0,05 ml av den egnede 1000 ug / ml QC standard for et sluttresultat på 10 mg I / kg prøve. Lage en kombinert NO 3 + NO 2 pigg ved å tilsette en enkelt prøve med 0,025 ml av hver 1000 mikrogram / ​​ml QC standard lager. Tilbered en prøve pigg per kjøring ved å tilsette 5,0 g av den ukjente prøven Biokull med 0,025 ml av den egnede 1,000 pg / ml QC standard lager.
    7. Begynne å kjøre analyse. Inkluderer et komplett sett med kalibreringsstandarder, to QC referanseprøver, minst to KCl blanks, og minst to Nitritt Standards, et sett med Ottawa Sand Spikes og blanks og en Sample Spike i hvert løp.
      MERK: Standarder kan kjøres på nytt som markører mellom hvert 5 ukjente prøver og for å verifisere verdiene for utarbeidelse av standardkurven.
    8. Gjenta 2,0 pg / ml-standarden ved slutten av hver kjøring. Kjør duplikatprøver på et minimum på 10%. Kjør Nitritt + Nitrat analyse først, etterfulgt av Nitritt analyse.
    9. Rekord på Nitritt Nitrat regnearktopphøyder på alle standarder, QC sjekker og prøver. Bruk nummeret av kartenhetene som måling av høyde. Å kalibrere instrumentering, bruker de relative høyder av standardene. Kontroller at R2 verdien ligger over 0,99, hvis ikke å kjøre standardene.
    10. Beregne konsentrasjonen av prøvene ved hjelp av formelen:a:
      Ekstrakt Konsentrasjon = (Peak Høyde - Intercept av Kalibreringskurve / Kalibrering Curve Slope) x fortynning
      Biokull Konsentrasjon = (Extract Konsentrasjon x 50 ml (KCl)) / 5 g Biokull Sample
    11. Trekk fra den estimerte nitritt konsentrasjon fra nitrat pluss nitritt konsentrasjon for å beregne nitrat.
  3. Utvinnbar Fosfor (2% maursyre Extraction)
    MERK: Den automatiske analysator programvare beregner automatisk konsentrasjoner. Rapporterer programvaren kalibreringsinformasjon, egnethets av kalibreringskurven, konsentrasjoner for alle prøver, calibrants, blanks og QC prøver som har blitt kjørt.
    1. Før analyse lagre prøvene i en ren glassbeholder eller steril plastpose. Hold prøvene nedkjølt og analysere innen to uker eller holde frosset i opp til ett år.
    2. Foreta alle standarder og QC standard med samme ekstraksjon væske som er brukt for prøvene. Bruk Estuarine Sediment som en standard reference materiale og i hvert bad av prøvene inkluderer to blanks som skal trekkes ut.
    3. Ved hjelp av en 1-L volumet fylt til 750 ml med DDI vann, tilsett 20 ml (98-99%) maursyre og fyll til volum med DDI vann.
    4. Tilsett 1,0 g malt lufttørket prøve (partikkelstørrelse <0,15 mm) inn i en 125 ml Erlenmeyerkolbe. Tilsett 50 ml 2% maursyreløsning. Sett kolbene på sonikator i 10 minutter, og deretter overføre på roterende rysteapparat i 1 time ved 200 rpm. Etter risting, filtrer prøver ved hjelp av Whatman No. 42 filter papir i et annet sett med 125 ml Erlenmeyerkolber.
    5. Forberede Standarder og Spikes:
      1. Forberede en 1000 mikrogram / ml QC Stock Standard fra kaliumdihydrogenortofosfat og DDI vann. Bruk QC lager standard for å gjøre Kalibreringsstandarder (5 ug / ml 1 ug / ml, 0,5 ug / mL, 0,2 ug / mL, 0,1 ug / ml). Bruke 0,100 ml av QC Standard for å gjøre QC Spike. For å gjøre en QC Standard Sjekk, legge til 0,100 ml av QC Stock Standard til en 50-ml volumetric kolbe og gjøre det opp til merket med KCl.
        MERK: Dette er en 0,2 mikrogram / ml fortynning konsentrasjon.
      2. Bruk Estuarine sediment som en QC referanseprøve. Bruke 0,01% KCl som metode blank.
    6. Analyser på autoanalysator system. Sett prøvene opp som Primer (High Standard (0,5 mikrogram / ml), Calibrants (5 mikrogram / ml, 1 mikrogram / ml, 0,5 mikrogram / ml, 0,2 mikrogram / ml, 0,1 mikrogram / ml), Blank, Null, High Standard ( 0,5 mikrogram / ml), lav Standard (0,1 mikrogram / ml), lav Standard (0,1 mikrogram / ml), Null, QC (referanseprøve / Estuarine Sediment), QC (referanseprøve / Estuarine Sediment), Metode Blank, Prøve 1, utvalg 2, Eksempel 2 Dup, Prøve 3 osv, High Standard, Null.
    7. I hver gruppe av prøver også trekke de to prøvestykker: en er en kalibrerings tomt, og det er for å bli plassert i standardstativ for autosampler, den andre er en fremgangsmåte tomt, og det er for å bli plassert i prøvebrettet.
  4. Spesifikk overflate
    MERK: analyseverktøs for Brunauer-Emmett-Teller (BET) flateareal ble gjennomført i Chemical Biological Radio Nuclear (CBRN) Beskyttelse Lab ved RMC. Metoden benytter N2 gass sorpsjon analyse ved 77 K i en relativ trykkområde fra 0,01 til 0,10 etter avgassing ved 120 ° C i minst 2 timer. En lik prøve ble analysert for hver 6. ukjente prøver. Prøvene er ikke knust til pulverisert form før analyse.
    MERK: Avgassing ganger og presset er spesifikke for instrumentprodusenten og metoden gitt er validert tidligere med høy temperatur aktivert karbon.
  5. Kationvekslerkapasitet (CEC)
    1. Følg natriumacetat metode for CEC beskrevet av Laird og Fleming (2008) for å beregne CEC.
      1. Inkluder en analytisk blank (DDI vann), standard referansemateriale (Ottawa Sand) og duplisere for hver 10 prøver.
      2. Forbered mette løsning (1 M NaOAc pH 8,2) ved å oppløse 136,08 g NaOAc. 3 H 2 Oi 750 ml destillert, deionisert vann. Juster pH-verdien til 8,2 ved tilsetning av eddiksyre eller natriumhydroksyd. Fortynne til en L med DDI vann.
      3. Forbered første renseoppløsningen (80% isopropanol (IPA)) ved å kombinere 800 ml IPA med 200 ml destillert, deionisert vann. Deretter fremstille den andre skylleoppløsning (100% IPA).
      4. Klargjør erstatte oppløsning (0,1 M NH4CI) ved oppløsning av 5,35 g NH4CI i 1 liter destillert, avionisert vann.
      5. Vei opp 0,2 g av prøven (lufttørket, malte) inn i et 30 ml sentrifugerør. Samtidig, veier 0,5 g av den samme lufttørket prøve i en på forhånd veid aluminiumtørkekaret. Plasser prøven i aluminiumpanne tørking i ovn ved 200 ° C i 2 timer, avkjøles den i en eksikator, og deretter veie på nytt for å bestemme vanninnholdet i luft-tørket prøve. Bruke denne prøven for å beregne vanninnholdet korreksjonsfaktor, F (trinn 4.4.1.10).
      6. Tilsett 15 ml av metnings løsning, vortex, så sentrifugere ved 3000xg i 5 minutter. Dekanter og nøye kast supernatanten for å sikre at ikke noe av prøven går tapt. Gjenta dette trinnet to ganger til.
      7. Tilsett 15 ml av den første renseoppløsningen. Vortex og sentrifuger ved 3000 xg i 5 min. Dekanter og nøye kast supernatanten. Gjenta dette trinnet flere ganger, hver gang å måle den elektriske ledningsevne av den overliggende oppløsning. Når ledningsevnen til supernatanten faller under ledningsevne NaOAc mettet med IPA (~ 6 uS / cm), skifte til den andre renseoppløsningen. Fortsett å skylle prøven inntil ledningsevnen av supernatanten synker under en uS / cm.
      8. La prøven lufttørke i en avtrekkshette, deretter legge til 15 ml av den erstatte løsning. Vortex og sentrifuger ved 3000 xg i 5 min. Dekanter og lagre supernatanten til en 100 ml målekolbe. Gjenta dette trinnet tre flere ganger, hver gang du lagrer supernatanten i samme målekolbe. Deretter bringe den volumetriske til 100 ml med destillert, avionisert water.
      9. Analyser av natrium-innhold via induktivt koblet plasma-atom-emisjonsspektroskopi (ICP-AES), som beskrevet tidligere.
      10. Utføre følgende beregninger:
        F = (vekt av ovnstørket, lufttørket prøve - vekt av lufttørket prøve)
        C = Na-konsentrasjon (mg / l) i 100-ml målekolbe
        W = vekt (g) av luft-tørr prøve tilsatt til sentrifugerør
        CEC = (C x 0,435) / (B x F) (cmol / kg)

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

En oppsummering av alle resultatene inkludert en sammenligning med de kriteriene som er satt av IBI 13 kan finnes i tabell 1 (sammendrag), 2 (Ny, høy, lav, Third råstoff og Internett-2 biochars) og 3 (Gamle Biokull). Alle biochars og utgangsmaterialer som brukes i 2012 og 2013 (tabell 2) var godt innenfor kriterier satt av IBI, og det var små forskjeller mellom biochars. Gammel Biokull (tabell 3), den første Biokull sendt inn til testing, ble laget av brukte frakt paller og byggeavfall og var fast bestemt på å ha forhøyede nivåer av metallene arsen, krom, kobber og bly. Gammel Biokull hadde også de laveste nivåene av organisk karbon (63,2%) som bestemmes av tap på tenningen. Dette Biokull hadde de høyeste nivåene av utvinnbar fosfor (850 mg / kg) og CEC (34,8 cmol / kg), samt den høyeste andelen av fine partikler (<0,5 mm, 48%). Gammel Biokull var også den eneste Biokull tilmislykkes spiring test (figur 3), og det ble bestemt at Kompostmeitemark (jord virvelløse) unngått betydelig 2,8% Gammel Biokull endring, mens de foretrekker 2,8% endring av New Biokull (figur 2).

Test Kategori A: hovedegenskaper Biokull Utility

Biokull produksjon via pyrolysen er i hovedsak den karbonisering av biomasse. Karboniseringsprosessen gjør det mulig for transformasjon av strukturerte organiske molekyler av tre- og cellulose-materialer i karbon eller karbonholdige rester, som ofte er aromatisk av natur 14-18. Karbonisering oppnås ved eliminering av vann og flyktige stoffer fra biomassen råstoffet, på grunn av virkningen av varme i løpet av pyrolyseprosessen 19. Alle de biochars produsert ved den kommersielle drivhus inneholdt et relativt lavt fuktighetsprosenten (<5%) med unntak av gamleBiokull. Alle biochars er kategorisert av IBI som klasse A (> 60%) i form av deres sammensetning av organisk karbon som et resultat av fullstendig karbonisering av utgangsmaterialet materialet via pyrolyse. Således på grunn av den høye andel av organisk karbon, biochars produsert har en lav prosentandel av aske (<2,5%), noe som gjør det uorganiske eller mineralske komponent av Biokull 13. Selv om disse lave aske biochars ikke gir vesentlige mengder av næringsstoffer direkte til jord som gjør sitt high-aske Biokull (ofte laget av husdyrgjødsel og bein) kolleger; karboninnholdet i disse biochars er mye høyere, og derfor har de høyere langsiktige nærings oppbevaring evner 20-22.

Den hydrogen til karbonforhold (H: C) er en betegnelse som ofte benyttes for å måle graden av aromatisitet og modning av Biokull, som har vært knyttet til deres langtidsstabilitet i miljøet 18. For biomasseråstoff som inneholder cellulose ennd lignin, de H: C-forhold er omtrent 1,5. Imidlertid pyrolyse av disse materialene ved temperaturer over 400 ° C er forventet å produsere biochars med H: C-forhold <0,5. Det er blitt rapportert at et H: C-forhold <0,1 angir en grafittlignende struktur i Biokull 23. Alle biochars i denne rapporten har H: C forholdstall mindre enn 0,02, noe som indikerer at disse biochars er svært aromatisk i naturen og vil ha langsiktig stabilitet i miljøet.

Jord pH er et mål på jord surhet, og dessverre mange landbruksjord i Canada og på verdensbasis er sure (pH <7), noe som betyr at de ikke er ideell for avlingene. Biochars med en alkalisk pH-verdi (7>), slik som de som blir produsert i drivhus, kan tilsettes til sure jordarter for å øke jord pH til et nivå som er mer egnet for plantevekst.

Et annet viktig karakteristisk jord for plantevekst er partikkelstørrelsesfordelingen (PSD). Biochars som har en høyere andel av grove partikler kan med fordel øke jord lufting og hindre Biokull bevegelse inn i undergrunnen over tid, for derved å øke lengden av tid Biokull gir fordeler for plantevekst 24. Imidlertid er mindre partikkelstørrelser favoriserte for biochars som blir produsert for utbedring formål med den hensikt å sorbere forurensninger og minimere deres biotilgjengelighet, som forurensninger er lettere kunne få tilgang pore plass for binding 3,25, 26. Også mindre partikler størrelser øker antall Biokull partikler per volumenhet jord, som er gunstig for forurensning sorpsjon 27. Som i en tidligere studie 3, er fine partikler definert som <0,25 mm og grove partikler som> 0,5 mm. De biochars heter New-, Høy- og tredje Råstoff har en høy andel av grove partikler (~ 98%), og en lav andel av fine partikler (~ 2%). Biochar fremstilt ved en noe lavere temperatur, hadde 89% grove og 11% fine partikler størrelser. Alle disse biochars kan gi betydelige forbedringer til jord tekstur og lufting spesielt i degradert eller leire typen jord. The Old Biokull hadde en PSD som skilte seg vesentlig fra de andre, med 52% grove og 48% fine partikler. En Biokull med denne PSD kan være å foretrekke for bruk på forurenset grunn, hvor forurensningen absorpsjon er hovedfokus.

Test Kategori B: toksikant Reporting

Biologisk testing av Biokull er viktig å vurdere toksisiteten (hvis noen) av disse materialene til jord virvelløse dyr og planter. Til dags dato, er det lite eksisterende litteratur på den potensielle effekten av Biokull på terrestriske organismer og deres tilhørende svar, og ofte litteraturen som ikke eksisterer presenterer motstridende resultater. Eksponering for forurensninger kan hemme meitemark evne til å utføre viktige funksjoner jord som decomposition, næringsmineralisering, og jordstruktur forbedringer 28. Ny Biokull viste ingen skadelige effekter på meitemark Kompostmeitemark som vurderes av meitemark unngåelse, men ormer betydelig unngått Gammel Biokull (figur 2). Spiring analyser er en teknikk som brukes til å vurdere toksisiteten til et bestemt materiale for planter. Potting jord fungerte som en bedre kontroll enn filterpapir som filterpapiret ofte oppfordret muggsopp. Gresskar og alfalfa frø spirer godt med 67% ± 12% og 81% ± 6% spiring, henholdsvis. Røtter også proliferated godt med gjennomsnittlig lengder etter syv dager blir 14 cm ± 0,6 cm og 55 cm ± 8 cm for gresskar og alfalfa, henholdsvis. Som med meitemark unngåelse studier Gammel Biokull viste giftighet for planter og alle andre evaluert biochars viste ingen skadelige effekter til frøspiring målt ved prosent spiring og rot lengde etter syv dager (figur 3

Selv om noen typer av Biokull har potensial til å sorbere organiske forurensninger og redusere deres toksisitet i miljøet, er nøye karakterisering av Biokull nødvendig for å sikre at det ikke inneholder skadelige forurensninger som for eksempel PAH, PCB, og metaller som følge av forurensede matningsmaterialer eller pyrolyse forhold. Ingen av biochars produsert ved drivhuset hadde PAH konsentrasjoner som overstiger IBI retningslinjer. Gammel Biokull ble bestemt å ha forhøyede nivåer av PCB og den metallene arsen, krom, kobber og bly, men ingen av de biochars produsert fra de andre to biomasse materialer inneholdt metaller over IBI retningslinjer. Old Biokull ble fremstilt fra brukte skips paller og bygningsavfall som er egnet kilde av metallforurensning. Selv Old Biokull ikke ville være egnet for anvendelse i landbruksjord eller hjemme hager, kan alle andre biochars bli brukt for disse formål.

Test Cateblodig C: Biokull Avansert Analyse og Soil Enhancement Properties

Biochars som inneholder en høy konsentrasjon av ammonium og nitrat kan anvendes på landbruksjord for å oppveie kravene for kunstgjødsel. Men hvis Biokull inneholder et overskudd av disse nitrogenforbindelser og deretter påføring i stor skala kunne øke atmosfærisk N 2 O konsentrasjon og forurense drikkevannskilder med nitrater. Ingen av de undersøkte biochars inneholdt forhøyede mengder av ammonium- eller nitrat.

Fosfor er en viktig komponent for mange fysiologiske prosesser knyttet til riktig energiutnyttelse i både planter og dyr. Biochars med moderate mengder av tilgjengelig fosfor vil fungere som viktige plantegjødsel. I Ontario, er jord som inneholder 15-30 mg / kg fosfor vurderes som lav, 31-60 mg / kg moderat, og 61-100 mg / kg høy. Gammel Biokull var høyest i tilgjengelig fosforved 850 mg / kg, og kan ikke være egnet for tilsetning til jordsmonn allerede er klassifisert som høy i fosfor. Men alle andre biochars testet, hadde en mye lavere mengde av tilgjengelig fosfor, og ville ikke bli forventet å forårsake problemer når de tilsettes ved hastigheter opp til 10% (w / w).

Komponentene i Biokull (bortsett fra fuktighet) som blir frigjort ved pyrolyse blir referert til som flyktig materiale. Disse komponentene er typisk en blanding av korte og lange kjede hydrokarboner, aromatiske hydrokarboner med mindre mengder av svovel. Flyktige bestanddeler ble bestemt via andreplassen analyse som også bestemmer fuktighet og askeinnhold på biochars (seksjon 2.2). Det flyktige innholdet påvirker stabiliteten av materialet 29, N tilgjengelighet og plantevekst 30. I teorien biochars høyt flyktige bestanddeler er mindre stabile og ha en høyere andel av labile karbon som gir energi for mikrobiell vekst og begrenser tilgjengeligheten av nitrogen nødvendige forplantevekst. En studie av Deenik et al., (2010) vurderes 35% flyktige stoffer til å være høy (indusere nitrogenmangel), og 10% flyktige stoffer til å være lav. Alt Biokull i denne rapporten inneholdt mindre enn 20% flyktige bestanddeler, og således ikke ville være forventet å begrense plantevekst. Plassen analyse bestemmelse av flyktige bestanddeler som er viktigst for biochars med lavt askekonsentrasjoner slik som de som produseres ved den kommersielle drivhus.

Spesifikt overflateareal (SSA) er et mål på porøsiteten til en Biokull. Det omfatter ikke bare det ytre Biokull overflateareal, men også det overflateareal i porerommene, og er en viktig egenskap benyttes til å forutsi evnen til en Biokull å sorbere organiske forurensninger. Forurensningen sorpsjon er blitt tilskrevet π-π interaksjoner (attraktiv, ikke-kovalent binding) mellom den aromatiske ringen (e) av forurensningene og de ​​av Biokull 31. Aktivert karbon (AC) er en kull-lignende matteerial som er behandlet i løpet av sin produksjon for å maksimere sin porøsitet og derfor har høyere RS-enn de fleste biochars. Selv om alle av biochars presenteres i denne rapporten har RS-i 300 m 2 / g utvalg (dvs. mye mindre enn for AC, ~ 800 m 2 / g), som rapportert i Denyes et al, 2012 og 2013, de biochars. , gamle og nye, har begge vist betydelig potensial for å tjene som en jord endring for utbedring av PCB.

Kationvekslerkapasitet (CEC) er et mål for antallet av kationer (positivt ladede ioner) som en jord partikkel er i stand til å holde ved en gitt pH. Evnen av jordsmonnet for å holde kationene skyldes elektrostatiske interaksjoner med negativt ladede områder på overflaten av en partikkel, slik som hydroksyl (OH -) og karboksylgruppen (COO -). Gruppene 32, 33 CEC av jordsmonnet kan knyttes til evnen til jord for å holde næringsstoffer og beholde kationer fra gjødsel som er essensielle ingredienserl for plantevekst. Også mange miljøgifter som bly, kadmium og sink har positive ladninger; derfor jord med en høy CEC kan fungere for å hindre utlekking av disse miljøgiftene i drikkevannskilder. Biochars har vært rapportert å øke CEC av jord, på grunn av den langsomme oksydasjon av Biokull overflate som øker antallet negativt ladede områdene, og derfor kan redusere kravene gjødsel og immobilisere positivt ladede forurensninger i jord 32. Vanligvis sandet har en CEC mellom 1-5 cmol / kg, leirjord jord 5-15 cmol / kg, leire typen jord> 30 cmol / kg og organisk materie 200-400 cmol / kg. Metodene for å bestemme CEC av Biokull er fortsatt i sin barndom, og derfor bør vurderes relativt sett. CEC av biochars produsert ved drivhuset er høyere enn CEC av PCB-forurenset jordsmonn (Denyes et al., 2012), men lavere enn endret kompostjord.

ass = "jove_content" fo: keep-together.within-side = "always"> Figur 1
Figur 1. Earthworm unngåelse hjulet. Hjulene er fremstilt av stål og ormene er tillatt å bevege seg gjennom kamrene via flere hull som er omtrent 5 cm i diameter.

Figur 2
Figur 2. Earthworm unngåelse analysen av gamle og nye type biochars. Den Biokull tittelen "Gamle" ble produsert via byggeavfall, mens Biokull titlene "Nye" ble produsert fra sagflis materialer. * Angir en signifikant forskjell mellom uendret plantejord og plantejord endret med 2,8% av enten Biokull (p <0,05).

ys "> Figur 3
Figur 3. Prosent spiring av to forskjellige plantearter. Gresskar (Cucurbita pepo spp. Pepo) og alfalfa (Medicago sativa) ble dyrket i tre eksemplarer i ulike biochars produsert på en kommersiell drivhus i syv dager. Gamle og nye viser til biochars laget av forskjellige råmaterialer, mens lav og høy refererer til forskjellige temperaturer på pyrolyse. * Indikerer signifikant forskjell fra kontrollene (potting jord og filter papir).

Sample Råstoff Pyrolyse Temperatur Organic Matter (LOI) pH CEC PSD PSD SSA
Grov Bot
° C % cmol / kg % % m 2 / g
Gammel 1 > 700 63.2 9.3 34.8 51.7 48.3 373,6
Ny 2 700 97.8 9 16 98.7 1.3 324,6
Low Temp 2 500 96,7 8.7 15.9 86.2 13.8 336,9
Høy Temp0; 2 > 700 97.9 8.4 11.1 98,1 1.9 419,5
Tredje Råstoff 3 700 96,2 9.6 13.2 97.6 2.4 244,4
High Temp-2 3 > 700 97,1 9.1 17.1 97.9 1.9 428
LOI: Tap på Ignition, CEC: kationvekslerkapasitet, PSD: Partikkelstørrelsesfordeling, SSA: Spesifikk flateareal

Tabell 1. Råstoff type, pyrolysetemperatur og fysiske egenskaper til de seks biochars.

Krav IBI Biokull Råstoff Range Enhet
Kriterier Range
Test Kategori A: Grunnleggende Biokull Utility Egenskaper - Nødvendig for Alle Biochars
Fuktighet Erklæring <0,1 til 4,3 %
Organic Carbon Klasse 1> 60% 96,2 til 97,8 (LOI) %
Klasse 2> 30% 92,44 til 97,93 (Pro / Ult)
Klasse 3> 10 <30%
H: C org 0.7 max 0,01-0,02 Ratio
Total Ash Erklæring 1,38 til 2,26 %
Totalt N Erklæring 0,28 til 1,06 %
pH Erklæring 08.04 til 09.06 pH
Partikkelstørrelsesfordeling Erklæring 86-98 % Grov
1,3 til 14 %
Bot
Test Kategori B: toksikant Rapportering Nødvendig for Alle Råstoffer
Spiring Bestått / ikke bestått Pass
Earthworm Avhold Erklæring Ingen Unngåelse
Polyaromatiske hydrokarboner (PAH) 6-20 <2.0 mg / kg
Polyklorerte bifenyler (PCB) 0,2-0,5 <0.1 mg / kg
Arsen 12-100 <1,0 <1,0 mg / kg
Kadmium 1,4 til 39 <1,0 <1,0 mg / kg
Krom 64-1,200 <2.0 <2,0-2,6 mg / kg
Cobalt 40-150 <1,0 <1,0 mg / kg
Kobber 63-1,500 03.06 til 06.05 <2,0 til 5,9 mg / kg
Lead 70-500 <2,0-2,7 <2,0 til 8,1 mg / kg
Mercury 1,000-17,000 <5,0 til 294 ng / g
Molybden 5-20 <2.0 <2.0 mg / kg
Selen 1-36 <10 <10 mg / kg
Sink 200-7,000 5,6 til 56,2 7,8 til 30,5 mg / kg
Klor Erklæring mg / kg
Natrium Erklæring 137-878 <75-770 mg / kg
Test Kategori C: Biokull Avansert Analyse og Jord Enhancement Egenskaper- Valgfritt for Alle Biochars
Mineral N (ammonium og nitrat) Erklæring <0,2 til 6,1 mg / kg
Total Fosfor Erklæring 69,5 til 276 52,5 til 74 mg / kg
Tilgjengelig Fosfor Erklæring 9-80 mg / kg
Volatile Matter Erklæring 12,47 til 19,09 %
Spesifikk overflate Erklæring 244-428 m 2 / g
Kasjon Exchange Kapasitet Erklæring 11,1 til 17,1 cmol / kg

Tabell 2. Oppsummering Kriterier og kjennetegn for Ny, høy, lav, tredje og High-2 Biochars og Råstoffer. Alle biochars oppført i denne tabell er fremstilt av tilsvarende utgangsmaterialer på samme pyrolyseanlegg.

Krav IBI Biokull Range Råstoff Range Enhet
Kriterier
Test Kategori A-Basic Biokull Utility Egenskaper - Nødvendig for Alle Biochars
Fuktighet Erklæring 20 %
Organic Carbon Klasse 1> 60% 63,2 (LOI) %
Klasse 2> 30%
Klasse 3> 10 <30%
H: C org 0.7 max Ratio
Total Ash Erklæring %
Totalt N Erklæring %
pH Erklæring 9.3 pH
Partikkelstørrelsesfordeling Erklæring 52 % Grov
48 % Fin
Test Kategori B: toksikant Rapportering Nødvendig for Alle Råstoffer
Spiring Bestått / ikke bestått Mislykkes
Earthworm Avhold Erklæring Unngås
Polyaromatiske hydrokarboner (PAH) 6-20 mg / kg
Polyklorerte bifenyler (PCB) 0,2-0,5 1.2 mg / kg
Arsen 12-100 167 <1,0 mg / kg
Kadmium 1,4 til 39 <1,0 <1,0 mg / kg
Krom 64-1,200 206 <20 mg / kg
Cobalt 40-150 5.3 <5.0 mg / kg
Kobber 63-1,500 558 <5.0 mg / kg
Lead 70-500 314 <10 mg / kg
Mercury 1,000-17,000 <5.0 ng / g
Molybden 5-20 <2.0 <2.0 mg / kg
Selen 1-36 <10 <10 mg / kg
Sink 200-7,000 498 <15 mg / kg
Klor Erklæring mg / kg
Natrium Erklæring 6460 <75 mg / kg
TestKategori C: Biokull Avansert Analyse og Jord Enhancement Egenskaper- Valgfritt for Alle Biochars
Mineral N (ammonium og nitrat) Erklæring 2.6 mg / kg
Total Fosfor Erklæring mg / kg
Tilgjengelig Fosfor Erklæring 850 mg / kg
Volatile Matter Erklæring %
Spesifikk overflate Erklæring 373,6 m 2 / g
Kationvekslerkapasitet Erklæring 34.8 cmol / kg

Tabell 3. Oppsummering Kriterier og kjennetegn for Old Biokull og råstoff. Den Biokull listeed i denne tabellen ble produsert fra byggeavfall ved samme pyrolyseanlegg som biochars oppført i Tabell 2.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Alle metodene oppført i protokollen har blitt nøye validert og mye brukt for jord. Som Biokull karakterisering er fortsatt i sin barndom, effektiviteten av disse metodene for karbonrike underlaget var i stor grad ukjent. Derfor, selv om disse metodene selv er ikke romanen, er deres søknad til rutinemessig karakter Biokull. I forhold til kvalitetssikring / kvalitetskontroll, det var ingen problemer blant noen av metodene i forhold til de blanke feltene være under deteksjonsgrenser eller inngang være riktig for standard referansemateriale. Dette indikerer at disse metodene er egnet til å bli brukt for karakterisering av Biokull og andre kull-lignende materialer. Mange forskjellige metoder er blitt anvendt for å karakterisere biochars i litteraturen, 20, 34-41 men som Biokull blir stadig mer akseptert som et jord additiv, er rutinemessige metoder påkrevd.

Kationvekslerkapasitet var den eneste method der problemet oppsto. Fremgangsmåten for beregning av CEC av en prøve er avhengig av vekten av prøven og av konsentrasjonen av natriumkarbonat i den gitte vekt. Biokull har en meget lav tetthet, og derfor ikke pelletisere på bunnen av røret etter sentrifugering, som gjør jord. Derfor, når dekantering og kasting av supernatanten i trinn 6 og 7 av fremgangsmåten (4,4), er det viktig å ikke miste noen av Biokull prøven. Pipettere løsningen fra sentrifugen var nødvendig for å unngå eventuelle tap av prøven.

Andre analytiske metoder ble lett tilpasset fra jord metoder. Ultimate og andreplassen analyse er spesifikke for Biokull og lignende produkter som kull, og dermed er ikke normalt tilgjengelig i laboratorier som rutinemessig analysere jordsmonn. En annen metode (ASTM D1762) er tilgjengelig, for bestemmelse av fuktighet, flyktige bestanddeler, og aske i trekull laget spesielt fra trevirke. Denne metode ville også ha vært egnet for tilgrensende analyser. Ved fastsettelse av glødetap for prosent organisk materiale og prosent fuktighet noen kan velge å utføre disse analysene ved temperaturer høyere enn 420 ° C, spesielt hvis de biochars aktuelle produseres via meget høye temperaturer på pyrolyse. I tilfelle denne studien 420 ° C var tilstrekkelig til fullstendig aske biochars, og selv om ikke diskutert denne temperatur var tilstrekkelig høy til aske og med aktivert karbon.

Arbeide med biologiske organismer som planter og ormer kan ofte være utfordrende. Velge de riktige studie organismer er av særlig betydning. Jordsmonnet invertebrate Kompostmeitemark brukes ofte som en terrestrisk organisme modell i forurensnings eksperimenter fordi denne arten er i stand til å overleve ved høye konsentrasjoner av miljøgifter, er meget godt undersøkt, og er økologisk relevant i mange områder av verden 2, 28, 42 -46. Jordløse spilleen viktig rolle i jordmassen, når de brytes ned organisk materiale, syklus næringsstoffer, og overføring vann. De plantearter 'alfalfa (M. sativa) og gresskar (C. pepo) ble valgt for spiring analyser som de er vanligvis dyrket i Canada og er blitt anvendt i vårt gratis arbeidet med utbedring kontaminant 2, 3, 47. Klimaforhold for spirende frøene må overvåkes nøye for å sikre riktig funksjon av belysning og for å unngå ekstreme temperatursvingninger.

Karakterisering av Biokull er avgjørende for selskapets vellykkede anvendelse som målte parametre vil indikere effekten av ulike biochars for forskjellige programmer (dvs. om en Biokull er hensiktsmessig for forurensning beslaglegging, jordkvalitet forbedring, forurensning utbedring etc.). Fordi metodene som er beskrevet her er allment tilgjengelig for jord analyse, de er en kostnadseffektiv måte for characterization av biochars, og bør anvendes i stor utstrekning før storskala anvendelse av Biokull i felten.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Biochar Burt's Greenhouses All six biochars were produced at Burt's Greenhouses via BlueFlame Boiler system
NaOAc Fisher Scientific E124-4 Dissolving 136.08 g of NaOAC.3H2O in 750 ml distilled, deionized water (DDI water)
Acetic Acid Fisher Scientific A38-212
Sodium Hydroxide Fisher Scientific SS284-1
Isopropanol Fisher Scientific A416P4 80% IPA: 800 ml IPA with 200 ml DDI water.
NH4Cl Fisher Scientific A649500 Dissolving 5.35 g NH4Cl into 1 L DDI water. 
Alumminum Drying Pan Fisher Scientific 08-732-110
Drying Oven Fisher Scientific 508N0024 200 °C for 2 hr.
Desiccator Fisher Scientific 08-595A
Balance Mettler 1113032410
Saturating Solution Fisher Scientific 06-664-25
Vortex Barnstead/Thermolyne 871000536389   
Centrifuge International Equipment Company 24372808 3,000 x g for 5 min.
Rinsing Solution Fisher Scientific (Ricca Chemistry Company) 06-664-24
Conductivity Meter WESCAN 88298
Replacing Solution Fisher Scientific 06-664-24
ICP-AES Varian EL00053841
ASAP 2000 Surface Area Analyser  Cavlon 885 Degassing at 120 °C for a minimum of 2 hr.
Muffle Furnace Fisher Scientific 806N0024 Heat for 16 hr covering at 420 °C.
pH Meter Fisher Scientific 1230185263
Sieve Fisher Scientific 2288926 4.7 mm sieve being at the top.
Sieve Skaker Meinzer II 0414-02 Shake for 10 min.
Sodium Sulphate VWR EM-SX0761-5
Ottawa Sand Fisher Scientific S23-3
Soxhlet Apparatus Fisher Scientific (Pyrex) 09-557A 4 hr at 4–6 cycles/hr.
DCBP Suprlco Analytical 48318   
Dichloromethane Sigma Aldrich 40042-40855-U
6890 Plus Gas Chromatograph Micro 63 Ni ECD Agilent US00034778
Helium AlphaGaz SPG-NIT1AL50SMART
Nitrogen AlphaGaz SPG-HEL1AL50SMART
Mortor and Pestle Fisher Scientific (CoorsTeh) 12-948G
Nitric Acid Fisher Scientific 351288212
No. 40 Filter Paper Fisher Scientific (Whatman) 09-845A
Quartz/Nickel weigh boats Fisher Scientific 11-474-210
DMA-80 ATS Scientific 5090264
98–99% Formic Acid Sigma Aldrich 33015-1L 1 L volumetric filled to 750 ml with DDI water add 20 ml formic acid and fill to volume with DDI water.
Sonicator Fisher Sientific 15338284
Rotating Shaker New Brunswick Scientific (Innova 2100) 14-278-108 1 hr at 200 rpm.
No. 42 Filter Paper Fisher Scientific (Whatman) 09-855A
WhirlPacks Fisher Scientific R55048
Potassium Dihydrogen Orthophospahte Fisher Scientific 181525
2 M KCl Fisher Scientific P282100
Plastic Vials Fisher Scientific 03-337-20
Ammonium Chloride Fisher Scientific PX05115 Allow to warm up to room temperature
Colour Reagent Fisher Scientific 361028260 Allow to warm up to room temperature
Colorimeter Fisher Scientific 13-642-400 Turn on to let the lamp warm up and run for 5 min.
ASEAL Auto Analyzer 2 SEAL 4723A12068
Liquified Phenol Fisher Scientific MPX05115 Alkaline Phenol: Measure 87 ml of liquefied phenol into 1-L volumetric filled 2/3 with DDI water. Add 34 g NaOH, make up to volume with DDI water.
NaOH Fisher Scientific S318-3
Commercial Bleach Retail Store Hypochlorite Solution: Using 100-ml graduated cylinder measure 31.5 ml of commercial bleach and fill to 100 ml with DDI water.
NaOH Pellets Fisher Scientific S320-1
Disodium EDTA Sigma Aldrich E5124
Sodium Hyprchlorite Fisher Scientific SS290-1
Triton (10%) Fisher Scientific BP151-100
Sodium Nitroprusside Fisher Scientific S350-100
Ammonium Salts Fisher Scientific A637-10
Phenoxide Fisher Scientific AC388611000
Eisenia Fetida The Worm Factory
Spade Retail Store
Bucket Retail Store
Potting Soil Retail Store
Avoidance Wheel Environment Canada Constructed by a modified design from Environment Canada’s Acute Avoidance Test.
Alumminum Foil Fisher Scientific 01-213-100
Petri Dishes Fisher Scientific 08-757-11 8.5 cm in diameter.
Pumpkin Seeds Ontario Seed Company (OSC) 2055
Alfalpha Seeds Ontario Seed Company (OSC) 6675
Centrifuge Tubes (30 ml) Fisher Scientific  22-038-906
Beakers (50 ml) Fisher Scientific (Pyrex) 02-540G Oven dry at 105 °C.
Beakers (30 ml) Fisher Scientific (Pyrex) 20-540C
Erlenmeyer Flasks (125 ml) Fisher Scientific (Pyrex) S76106C
Volumetric Flask (100 ml) Fisher Scientific (Pyrex) 10-211C
Estuarine Sediment National Insititute of Standards 1546A Standard Reference Material
Bleach Clorox Ultra (5–10% sodium hypochlorite)

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Lehmann, J. A handful of carbon. Nature. 447, 143-144 (2007).
  2. Denyes, M. J., Langlois, V. S., Rutter, A., Zeeb, B. A. The use of biochar to reduce soil PCB bioavailability to Cucurbita pepo and Eisenia fetida. Sci. Total Environ. 437, 76-82 (2012).
  3. Denyes, M. J., Rutter, A., Zeeb, B. A. In situ application of activated carbon and biochar to PCB-contaminated soil and the effects of mixing regime. Environmental Pollution. 182, 201-208 (2013).
  4. Glaser, B., Lehmann, J., Zech, W. Ameliorating physical and chemical properties of highly weathered soils in the tropics with charcoal–a review. Biol. Fertility Soils. 35 (4), 219-230 (2002).
  5. Hale, S. E., Hanley, K., Lehmann, J., Zimmerman, A., Cornelissen, G. Effects of chemical, biological, and physical aging as well as soil addition on the sorption of pyrene to activated carbon and biochar. Environ. Sci. Technol. 45 (24), 10445-10453 (2012).
  6. Oleszczuk, P., Hale, S. E., Lehmann, J., Cornelissen, G. Activated carbon and biochar amendments decrease pore-water concentrations of polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) in sewage sludge. Bioresour. Technol. 111, 84-91 (2012).
  7. Ghosh, U., Luthy, R. G., Cornelissen, G., Werner, D., Menzie, C. A. In-situ sorbent amendments: A new direction in contaminated sediment management. Environ. Sci. Technol. 45 (4), 1163-1168 (2011).
  8. International. ASTM D3172-13. Standard Practice for Proximate Analysis of Coal and Coke. , (2013).
  9. International. D3176-09. Standard Practice for Ultimate Analysis of Coal and Coke. , (2013).
  10. International. D5158-98. Standard Test Method for Determination of Particle Size of Powdered Activated Carbon by Air Jet Sieving. , (2005).
  11. Solaiman, Z. M., Murphy, D. V., Abbott, L. K. Biochars influence seed germination and early growth of seedlings. Plant Soil. 353 (1-2), 273-287 (2012).
  12. Method 8270D Semivolatile Organic Compounds by GC/MS. , (2007).
  13. International Biochar Inititive (IBI). Standardized Product Definition and Product Testing Guidelines for Biochar that is Used in Soil IBI-STD-1.1. , (2013).
  14. Demirbas, A. Biorefineries: Current activities and future developments. Energy Conversion and Management. 50 (11), 2782-2801 (2009).
  15. Bakker, R. Advanced biofuels from lignocellulosic biomass. The Biobased Economy: 'Biofuels, Materials and Chemicals in the Post-oil Era'. , 165 (2012).
  16. Preston, C., Schmidt, M. Black (pyrogenic) carbon: a synthesis of current knowledge and uncertainties with special consideration of boreal regions. Biogeosciences. 3 (4), 397-420 (2006).
  17. McBeath, A. V., Smernik, R. J. Variation in the degree of aromatic condensation of chars. Org. Geochem. 40 (12), 1161-1168 (2009).
  18. Schmidt, M. W., Noack, A. G. Black carbon in soils and sediments: analysis, distribution, implications, and current challenges. Global Biogeochem. Cycles. 14 (3), 777-793 (2000).
  19. Yaman, S. Pyrolysis of biomass to produce fuels and chemical feedstocks. Energy Conversion and Management. 45, 651-671 (2004).
  20. Brewer, C. E., Schmidt‐Rohr, K., Satrio, J. A., Brown, R. C. Characterization of biochar from fast pyrolysis and gasification systems. Environmental Progress & Sustainable Energy. 28 (3), 386-396 (2009).
  21. Cantrell, K. B., Hunt, P. G., Uchimiya, M., Novak, J. M., Ro, K. S. Impact of pyrolysis temperature and manure source on physicochemical characteristics of biochar. Bioresour. Technol. 107 (0), 419-428 (2012).
  22. Enders, A., Hanley, K., Whitman, T., Joseph, S., Lehmann, J. Characterization of biochars to evaluate recalcitrance and agronomic performance. Bioresour. Technol. 114 (0), 644-653 (2012).
  23. Krull, E., Baldock, J. A., Skjemstad, J. O., Smernik, R. J. Characteristics of Biochar: Organo-chemical Properties. Lehmann, J., Joseph, S. , earthscan. London. 53-65 (2009).
  24. Atkinson, C., Fitzgerald, J., Hipps, N. Potential mechanisms for achieving agricultural benefits from biochar application to temperate soils: a review. Plant Soil. 337 (1), 1-18 (2010).
  25. Sun, X., Werner, D., Ghosh, U. Modeling PCB Mass Transfer and Bioaccumulation in a Freshwater Oligochaete Before and After Amendment of Sediment with Activated Carbon. Environ. Sci. Technol. 43 (4), 1115-1121 (2009).
  26. Sun, X., Ghosh, U. PCB bioavailability control in Lumbriculus variegatus through different modes of activated carbon addition to sediments. Environ. Sci. Technol. 41 (13), 4774-4780 (2007).
  27. Hale, S. E., Werner, D. Modeling the Mass Transfer of Hydrophobic Organic Pollutants in Briefly and Continuously Mixed Sediment after Amendment with Activated Carbon. Environ. Sci. Technol. 44 (9), 3381-3387 (2010).
  28. Li, D., Hockaday, W. C., Masiello, C. A., Alvarez, P. J. J. Earthworm avoidance of biochar can be mitigated by wetting. Soil Biol. Biochem. 43 (8), 1732-1740 (2011).
  29. Zimmerman, A. R. Abiotic and microbial oxidation of laboratory-produced black carbon (biochar). Environ. Sci. Technol. 44 (4), 1295-1301 (2010).
  30. Deenik, J. L., McClellan, T., Uehara, G., Antal, M. J., Campbell, S. Charcoal volatile matter content influences plant growth and soil nitrogen transformations. Soil Sci. Soc. Am. J. 74 (4), 1259-1270 (2010).
  31. Sander, M., Pignatello, J. J. Characterization of charcoal adsorption sites for aromatic compounds: insights drawn from single-solute and bi-solute competitive experiments. Environ. Sci. Technol. 39 (6), 1606-1615 (2005).
  32. Liang, B., et al. Black carbon increases cation exchange capacity in soils. Soil Sci. Soc. Am. J. 70, 1719-1730 (2006).
  33. Chan, K., Van Zwieten, L., Meszaros, I., Downie, A., Joseph, S. Agronomic values of greenwaste biochar as a soil amendment. Soil Research. 45, 629-634 (2007).
  34. Enders, A., Hanley, K., Whitman, T., Joseph, S., Lehmann, J. Characterization of biochars to evaluate recalcitrance and agronomic performance. Bioresour. Technol. 114, 644-653 (2012).
  35. Lee, J. W., et al. Characterization of biochars produced from cornstovers for soil amendment. Environ. Sci. Technol. 44 (20), 7970-7974 (2010).
  36. Novak, J. M., et al. Characterization of designer biochar produced at different temperatures and their effects on a loamy sand. Annals of Environmental Science. 3 (1), 195-206 (2009).
  37. Mohan, D., Sarswat, A., Ok, Y. S., Pittman, C. U. Jr Organic and inorganic contaminants removal from water with biochar, a renewable, low cost and sustainable adsorbent–A critical review. Bioresour. Technol. , In Press. (2014).
  38. Peterson, S. C., Appell, M., Jackson, M. A., Boateng, A. A. Comparing Corn Stover and Switchgrass Biochar: Characterization and Sorption Properties. Journal of Agricultural Science. 5 (1), 1-8 (2013).
  39. Kloss, S., et al. Characterization of Slow Pyrolysis Biochars: Effects of Feedstocks and Pyrolysis Temperature on Biochar Properties. J. Environ. Qual. 41 (4), 990-1000 (2012).
  40. Wu, W., et al. Chemical characterization of rice straw-derived biochar for soil amendment. Biomass Bioenergy. 47, 268-276 (2012).
  41. Brewer, C. E., Unger, R., Schmidt-Rohr, K., Brown, R. C. Criteria to Select Biochars for Field Studies based on Biochar Chemical Properties. BioEnergy Res. 4 (4), 312-323 (2012).
  42. Gomez-Eyles, J. L., Sizmur, T., Collins, C. D., Hodson, M. E. Effects of biochar and the earthworm Eisenia fetida on the bioavailability of polycyclic aromatic hydrocarbons and potentially toxic elements. Environmental Pollution. 159 (2), 616 (2011).
  43. Paul, P., Ghosh, U. Influence of activated carbon amendment on the accumulation and elimination of PCBs in the earthworm Eisenia fetida. Environmental Pollution. 159 (12), 3763 (2011).
  44. Environment Canada (EC) Biological Test Method: Tests for Toxicity of Contaminated Soil to Earthworms ('andrei', 'Eisenia fetida', or 'Lumbricus terrestris) EPS1/RM/43. , (2007).
  45. Zhang, B. G., Li, G. T., Shen, T. S., Wang, J. K., Sun, Z. Changes in microbial biomass C, N, and P and enzyme activities in soil incubated with the earthworm Metaphire guillelmi or Eisenia fetida. Soil Biol. Biochem. 32 (1), 2055-2062 (2000).
  46. Belfroid, A., vanden Berg, M., Seinen, W., Hermens, J., Uptake van Gestel, K. bioavailability and elimination of hydrophobic compounds in earthworms (Eisenia andrei) in field-contaminated soil. Arch. Environ. Contam. Toxicol. 14 (4), 605-612 (1995).
  47. Denyes, M. J., Button, M., BA, Z. eeb, Rutter, A., Weber, K. P. In situ remediation of PCB-contaminated soil via phytoextraction and activated carbon/biochar amendments- soil microbial responses. Journal of Hazardous Materialssubmitted. , (2014).

Tags

Environmental Sciences Biokull karakterisering binde karbon utbedring International Biokull Initiative (IBI) jord endring
Fysisk, kjemisk og biologisk karakterisering av Seks Biochars Produserte for opprydding av forurenset nettsteder
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Denyes, M. J., Parisien, M. A.,… More

Denyes, M. J., Parisien, M. A., Rutter, A., Zeeb, B. A. Physical, Chemical and Biological Characterization of Six Biochars Produced for the Remediation of Contaminated Sites. J. Vis. Exp. (93), e52183, doi:10.3791/52183 (2014).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter