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, kemisk og biologisk karakterisering af Six Biochars produceret til rensning af forurenede industrigrunde

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

Biochar er en carbon-rige materiale, anvendt som jord ændring med evnen til bæredygtig binde kulstof, forbedre substrat kvalitet og sorbere forureninger. Denne protokol beskriver de 17 analysemetoder til karakterisering af biochar, som er påkrævet før store gennemførelse af disse ændringer i miljøet skalaen.

Abstract

De fysiske og kemiske egenskaber af biochar variere baseret på råvare kilder og produktionsforhold, der gør det muligt at konstruere biochars med specifikke funktioner (f.eks kulstofbinding, forbedringer jordkvalitet, eller forurenende sorption). I 2013, den internationale Biochar Initiative (IBI) gøres offentligt tilgængelige deres standardiseret produkt Definition og produkttest retningslinjer (Version 1.1), som sætter standarder for fysiske og kemiske egenskaber for biochar. Seks biochars fremstillet af tre forskellige råmaterialer og ved to temperaturer blev analyseret for egenskaber i relation til deres anvendelse som en ændring jord. Protokollen beskriver analyser af råmaterialer og biochars og omfatter: kationudvekslingskapacitet (CEC), specifikt overfladeareal (SSA), organisk kulstof (OC) og vandprocent, pH, partikelstørrelsesfordeling og nærmest og endelige analyse. Også beskrevet i protokollen er analyserne af råmaterialer og biochars for forurenende stoffer, herunder polycykliske aromatiske hydrocarboner (PAH), polychlorerede biphenyler (PCB), metaller og kviksølv samt næringsstoffer (fosfor, nitrit og nitrat og ammonium som kvælstof). Protokollen indeholder også de biologiske testprocedurer, regnorm undgåelse og spireevne assays. Baseret på kvalitetssikring / kvalitetskontrol (QA / QC) resultater af råemner, dubletter, standarder og referencematerialer blev alle metoder bestemt velegnet til brug med biochar og råmaterialerne. Alle biochars og råmaterialer var godt inden for kriterium fastsat af IBI og der var lidt forskelle blandt biochars, undtagen i tilfælde af biochar fremstillet af byggeri affaldsmaterialer. Dette biochar (kaldet Old biochar) blev bestemt til at have forhøjede niveauer af arsen, krom, kobber og bly, og undlod regnorm unddragelse og spireevne assays. Baseret på disse resultater, ville Gamle biochar ikke være passende til brug som en ændring jord til kulstof sequestration, forbedringer eller oprydning substrat kvalitet.

Introduction

Biochar er en carbon-rig biprodukt produceres i pyrolyse af organisk stof 1. Renter, både offentligt og fagligt, i at tilføje biochar til jord, stammer fra dens evne til at forbedre jordkvaliteten og plantevækst 2, 3, bæredygtigt binde kulstof 4, og sorb skadelige stoffer 2, 3, 5-7 og samtidig tilbyder alternativer til affald ledelse og energiproduktion ved pyrolyse.

Biochars bliver produceret af mange virksomheder og organisationer over hele verden via forskellige pyrolyse systemer. Materialer, der anvendes til biochar produktion omfatter (men er ikke begrænset til) træflis, husdyrgødning og byggeri affald 1. Disse forskelle forventes at ændre biochars fysiske og kemiske egenskaber og dermed deres evne til at forbedre substrater, fremme en langsigtet stabilitet og øge sorption kapaciteter. Derudover under pyrolyseprocessen den biochar may bliver utilsigtet forurenet med metaller, PAH og PCB som følge af forurenede råmaterialer eller uhensigtsmæssige pyrolyse forhold. Derfor, før biochar kan anvendes i stor skala til miljøet som ændring jord, omhyggelig karakterisering af biochar for forurenende stoffer, specifikt overfladeareal, kationbytningskapacitet, regnorm undgåelse og spiring og andre foreslået af Den Internationale Biochar Initiative (IBI) skal udføres. I 2013 den første standardiseret produkt Definition og produkttest retningslinjer for Biochar, der fastsætter standarder for biochar fysiske og kemiske egenskaber, blev offentliggjort og gjort offentligt tilgængelige.

Forskning har vist, at biochar produceret på en kommerciel drivhus i Odessa, ON, Canada har evnen til markant at forbedre plantevækst i intenst forringet jord og sorb persistente organiske miljøgifte (POP), såsom PCB 2, 3. Denne biochar er fremstillet af treforskellige råmaterialer (dvs. organisk stof kilder) via en kedel system, hvor den producerede varme anvendes til at varme deres drivhus drift i vintermånederne.

Denne undersøgelse giver karakterisering data er relevante for produktionen af ​​biochar i en biomasse kedel, og brugen af ​​biochar som ændring jord. Formålet med denne undersøgelse er at grundigt karakterisere de fysiske, kemiske og biologiske egenskaber seks biochars efter standarder fastsat af IBI i deres standardiseret produkt Definition og produkttest retningslinjer (Version 1.1) (2013). Disse egenskaber vil blive knyttet, hvor det er muligt, at effektiviteten af ​​hver biochar som rå- ændringer og deres evne til at sorbere forureninger.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

BEMÆRK: Kemiske analyser blev udført på Analytical Services Unit (ASU) i School of Environmental Studies ved Dronningens University (Kingston, ON). Den ASU er akkrediteret af den canadiske Association for Laboratory Accreditation (CALA) for specifikke tests, der er anført i omfanget af akkreditering. Andre analyser, herunder drivhusgasser forsøg, blev udført på The Royal Military College of Canada (Kingston, ON) på Institut for Kemi og Kemiteknik.

1. Generelle overvejelser

  1. For at sikre kvalitetssikring og kvalitetskontrol, analysere en analytisk blank og en analytisk to eksemplarer, en prøve to eksemplarer og en standard referencemateriale med hver batch af prøver (maksimal parti størrelse 10) for de metoder i protokollen.
  2. Etablere dobbelte prøver når sub-prøvetagning fra den oprindelige prøve og gå gennem den samme forberedelse som de ukendte prøver. Sørg for, at dublerede værdier er inden for 20% af hveranden eller gentages analysen. Sørg for, at analyse resultaterne af emnerne er under detektionsgrænsen for den tilsvarende metode. Standardreferencemateriale grænser afhang af den enkelte metode, men sikre, at de generelt er inden for 15-30% af den forventede værdi.
    BEMÆRK: I mange af de metoder, der er beskrevet i protokollen, er detaljer med på den foreslåede rækkefølge analyse prøve herunder kalibranter, blanke, høje og lave standarder og ukendte prøver. Dette er for at sikre, at ingen krydskontaminering mellem prøver og sikre en høj standard til QA / QC.
    BEMÆRK: Seks biochars blev produceret hos en kommerciel drivhus og analyseret for kemiske, fysiske og biologiske parametre. Navnene på de enkelte biochar afspejler deres parametre produktions- eller råmateriale kilde (tabel 1).

2. Test Kategori A: Grundlæggende egenskaber Biochar Utility

  1. Fugt og indhold af organisk materiale
    1. Brug glødetabet procedure udforet af Nelson og Sommers (1996).
      1. Medtag en prøve to eksemplarer og standard referencemateriale (Ottawa Sand) for hver 10 ukendte prøver.
      2. Label 50 ml bægerglas med varmebestandig markør, ovn tørre dem ved 105 ° C, lad dem køle derefter optage vægt.
      3. 2 g lufttørret prøve afvejes i ovntørret bægerglas. Tør prøve ved 105 ° C i 24 timer, derefter fjerne fra ovnen og lad den afkøle.
      4. Når den er afkølet, vejes bægeret og prøven (X = vægt af tørrede prøve - vægt bæger).
      5. Prøven anbringes i muffelovnen og varme i 16 timer dækker ved 420 ° C. Prøven fjernes fra ovnen og lad den afkøle. Bægeret med afvejes igen, og massen noteres (Y = vægten af ​​foraskede prøve - vægt bæger).
      6. Udfør følgende beregninger:
        i) Glødetab = XY
        ii)% Moisture = ((Prøve Vægt - X) / prøvens vægt) x 100%
        iii)% Økologisk MattER = (glødetab / X) x 100%
  2. Nærværende og endelig analyse
    BEMÆRK: nærtliggende / ultimative analyse blev fire prøver analyseret: Lav, Høj, Standard Fuel og High 2. PAH-analyse blev udført på Lav, Høj og Standard Fuel. Disse blev valgt som repræsentant for de biochars produceret siden 2012.
    1. Udføre Nærværende og endelig analyser på et kommercielt anlæg baseret på metoder: ASTM D3172-13 8 og D3176-09, Standard Practice for Nærværende og endelig 9 Analyse af kul og koks, hhv.
  3. pH
    1. Kalibrer pH-sonde dagligt før brug med kalibreringsstandarder.
    2. Tilføj 0,25 g biochar til 25 ml destilleret, deioniseret vand.
    3. Ryst manuelt i 2 min, centrifugeres der 3.000 xg i 5 min.
    4. Saml supernatant i reagensglas og måle pH.
  4. Particle Size Distribution
    1. Analysere alle prøver i triplicate via progressiv tør sigtning tilpasset fra ASTM D5158-98 10 ved anvendelse af syv amerikanske Standard sigter og pan (4,7, 2,0, 1,0, 0,50, 0,25, 0,15 og 0,0075 mm)
      1. Noterer vægten af ​​hver tomme sigte og stak soldene i rækkefølge fra panden til 4,7 mm med 4,7 mm sigte at være i toppen.
      2. Placer 60 g biochar i 4,7 mm sigte, skal du placere låget på toppen og sikre stakken af ​​sigter på shakeren.
      3. Ryst i 10 min, og massen noteres på hver sigte. Indberetter dataene i en Excel-fil som procent tilbage i hver sigte.

3. Test Kategori B: toksisk stof Reporting

  1. Spiring Tests
    1. Brug frøspiring testmetode skitseret af Solaiman et al. (2012) 11.
      1. Brug filtrerpapir og pottemuld som positive kontroller.
      2. Sørg for, at de respektive vægte af hver behandling er 3 g biochar, 10 g pottemuld, og 1 stykke af filteR papir.
        BEMÆRK: Disse værdier er baseret på mængden i petriskålen, således at hver skål er ~ 50% fuld (efter volumen).
      3. Into the petriskåle (8,5 cm i diameter), placere fem Cucurbita pepo spp. Pepo (græskar) frø og 50 Medicago sativa (lucerne) frø i hver behandling.
      4. Ved hjælp af en gradueret cylinder tilsættes 15 ml vand til alle petriskåle, derefter dække dem med deres respektive låg.
      5. Placer petriskåle til spiring under et 14:10 timer (dag: nat) fluorescerende med lys og holde temperaturen ved 27 ºC (± 6 ºC).
      6. Efter syv dages registrere antallet af frø spiret. Anmeld resultater som% spirede per petriskål. Mål roden længde spiret frø ved hjælp af en lineal. Rapport root længder som en sum for hver petriskål (cm / petriskål).
  2. Earthworm Undgåelse
    1. Opbevar Eisenia fetida i en sund jord matrix består af spagnum og pottemuldjord og opretholde jordens fugtighed på ~ 30%.
    2. Brug regnorme beskrevet af Li et al undgåelse metode. (2011). Vælg orme spænder fra 0,3 til 0,6 g i størrelse.
      1. Til denne analyse, bruger seks undgåelse hjul (figur 1) eller lignende struktur principperne og kravene i Miljø Canadas Akut Avoidance Test (Environment Canada, 2004).
      2. Mix biochars separat med en spade og spand med pottemuld med en hastighed på 2,8% (efter vægt).
      3. Fyld hver af de seks rum med 120 g jord eller jord / biochar blanding, med alle andre rum, der fungerer som en uændret kontrol (figur 1), dvs. jord uden biochar. Tilføj 10 orme til den runde midterste rum.
      4. Expose ormene i 48 timer holde undgåelse hjulet dækket med aluminiumsfolie for at forhindre ormen flugt. Bevar temperaturforhold til undgåelse hjul mellem 20-25 ° C. Overvåg jordfugtighed og holdes ved ~ 30%. Efter 48 timers fjerne orme og registrere deres placering i undgåelse hjul, dvs hvis de er i i) ændres eller II) uændrede rum. Genbrug ikke orme til fremtidig testning.
  3. Polycykliske aromatiske hydrocarboner (PAH)
    1. Analyser PAH'er ved solventekstraktion og GC-MS baseret på EPA 8270 12.
  4. Polychlorerede biphenyler (PCB) Koncentration
    1. Tørre prøver (10 g) natten over ved 25 ° C i 18-24 timer og derefter male dem til et fint pulver (partikelstørrelse <0,15 mm) med 10 g natriumsulfat og 10 g Ottawa sand.
    2. Medtag en analytisk blank (Ottawa-sand), en kontrol (en kendt mængde PCB standard) og en analytisk to eksemplarer prøve for hver 10 ukendte prøver.
    3. Place 2 g prøve i Soxhlet fingerbøl og tilsæt 100 pi decachlorobiphenyl (DCBP) som en intern surrogat standard.
    4. Uddrag prøver i et Soxhlet-apparat i 4 timer ved 4-6 cyklusser i timen i 250 ml dichlormethan.
    5. Ved hjælp af en gaskromatograf udstyret med en mikro- 63 Ni elektronindfangningsdetektor detektor (GC / μECD), en kvartsglas kapillarkolonne (30 m, 0,25 mm id × 0,25 um filmtykkelse) og passende software analysere biochar ekstrakter til total Aroclors. Brug helium som bæregas med en strømningshastighed på 1,6 ml / min. Brug Nitrogen som makeup gas til elektronindfangningsdetektor detektor (ECD). Anmeld værdier som pg / g tørvægt.
  5. Metal Analyse
    1. Lufttørre prøver til 18-24 timer og male til et fint pulver (partikelstørrelse <0,15 mm) med en morter og støder.
    2. Brug af reagens kvalitet koncentrerede syrer, varme 0,5 g af prøven i 2 ml 70% (w / w) salpetersyre og 6 ml 38% (w / w) saltsyre, indtil lydstyrken er reduceret til 1-2 ml. Derefter make-up løsningen på 25 ml i en målekolbe med destilleret, demineraliseret vand, filtreret gennem et Whatman No. 40 filter paper.
    3. Analysere prøver ved hjælp af en samtidig induktivt koblet plasma atomemission spektrometer (ICP-AES) med følgende standarder / kontroller (se trin 3.5.3.1). Analyser multi-element ICP standarder og kontroller% fejl og korrelationskoefficienter af kalibreringskurverne. Købes Standarder i brugerdefinerede blandinger med mange elementer i hver standard. Hvert element har en 3 punkt kalibreringskurve (for eksempel cadmium køres ved 0, 0,1, 1,0 og 5 ppm). Kontroller kurver med kalibrering kontrol standarder. Kalibrer cirka hver 18 prøver.
      1. Tilføj interne standarder (indium og scandium) "on line" med prøver for at kontrollere instrumentet stabilitet. Analysere prøver med kontrolstandarder ekstra kvalitet, herunder certificerede referencematerialer (Bush grene og blade, hvidkål og spinat), metode blanks (indsæt syrer til en tom fordøjelse rør og behandle dem som beskrevet i 3.5.2 ovenfor), analytiske dubletter, og felt dubletter.
  6. Mercury
    1. Sørg for instrumentering opfylder kriterierne i US EPA Method 7473 og giver mulighed for måling direkte kviksølv
    2. 100 mg jord lufttørret biochar (partikelstørrelse <0,15 mm) afvejes i kvarts eller nikkel vejer både.
    3. Brug en ICP-AES stamopløsning af 1000 ug / ml Hg og 5% saltsyre i dobbelt deioniseret vand (DDI) for at gøre arbejder lagre (5 ug / ml, 1 ug / ml, 0,1 ug / ml, 0,01 ug / ml) og kalibreringsstandarder.
    4. Brug en renset tom båd som metode blank. Analysere prøver starter med en metode blank, Low QC (20 ng Hg - 20 pi 1 pg / ml Hg), Blank, High QC (200 ng Hg - 40 pi 1 pg / ml Hg), Blank, Blank, standard reference Materiale (MESS-3), Blank, MESS-3, Blank, prøve 1, Blank, Prøve 2, Blank, Prøve 2 DUP, Blank, prøve 3, Blank, etc.
    5. Placer bådene i instrumentet kammer, hvor prøven vil nedbrydes termisk i en continuskellige strøm af ilt.
      BEMÆRK: forbrændingsprodukter vil derefter blive ført bort i oxygen flow og derefter yderligere nedbrydes i en varm katalysatorleje. Kviksølvdampe vil blive fanget på en guld amalgamator rør og efterfølgende desorberes til spektrofotometrisk kvantificering ved 254 nm.

4. Test Kategori C: Biochar Advanced Analysis og Jord Enhancement Properties

  1. Ammonium som Nitrogen
    BEMÆRK: Metoden gør brug af Berthelot reaktion, hvor ammoniumsalte i opløsningen reagerer med phenoxid. Tilsætning af natriumhypochlorit forårsager dannelsen af ​​en grøn-farvet forbindelse. Tilsættes Natriumnitroprussid at intensivere farven.
    1. 5 g formalet lufttørret prøve (partikelstørrelse <0,15 mm) afvejes i en 125 ml Erlenmeyer-kolbe. Der tilsættes 50 ml 2 M (0,01% (V / V) KCI. Sæt kolberne på en roterende ryster i 1 time ved 200 rpm. Efter omrystning er færdig, filtreres prøverne gennem Whatman No. 42 filterpapir i 100 ml plASTIC hætteglas.
    2. Forbered reagensopløsninger:
      1. Alkaline Phenol - foranstaltning 87 ml flydende phenol i 1-L volumetrisk fyldt 2/3 med DDI vand. Tilføj 34 g NaOH, der fyldes op til mærket med DDI vand.
      2. Hypochloritopløsning - ved hjælp af 100 ml måleglas foranstaltning 31,5 ml kommerciel blegemiddel (5-10%) og fyld op til 100 ml med DDI vand. Overførsel til flaske og tilføje 1,0 g NaOH-pellets og give dem mulighed for at opløse.
      3. EDTA-opløsning - opløses 32 g di-natrium-EDTA og 0,4 g NaOH i en 1-L volumetrisk fyldt 2/3 med DDI vand. Tilføj 0,18 g nitroprussid og opløses ved at ryste. Der fyldes op til mærket med DDI vand og tilsæt 3 ml Triton (10%).
    3. Gør kalibreringsstandarder (0,1, 0,2, 0,3, 0,5, 1,0, og 2,0 ug / ml N-koncentration) ved anvendelse af reagenskvalitet NH4CI og DDI vand. Forbered QC referencestandard fra en reagenskvalitet kilde af ammoniumchlorid forskellig fra kilden bruges til at gøre standarderne.Brug dobbelt deioniseret vand som blanke.
    4. Begynd at køre autoanalyseapparat. Design hver kørsel til at starte med den høje standard (2,0 ug / ml N) x 2, Kalibreringsstandarder (høj til lav) Metode Blank, høj standard, lav standard (0,1 ug / ml N) x 2, vaskevand, QC reference Prøve x 2, prøver, prøve to eksemplarer, og høj standard., og vaskevandet.
      BEMÆRK: autoanalyseapparat software vil automatisk beregne koncentrationer i ekstraktet.
    5. Beregn Biochar Koncentration = (uddrag koncentration x 50 ml (KCL)) / 5 g Biochar Prøve.
  2. KCl Extractable nitrit og nitrat ved Autoanalyzer
    BEMÆRK: Griess Ilosvay kolorimetri udnytter omsætning af nitritioner med sulfanilamid under sure betingelser til dannelse af en diazoforbindelse. Forbindelsen yderligere reagerer med N -1-naphthylethylendiamin-dihydrochlorid til dannelse af en magenta azofarvestof. Nitrat i prøven omdannes til nitrit ved eksponering for et reduktionsmiddel(I dette tilfælde en kobber-cadmium reducere spalte). Dette giver et mål for nitrat + nitrit koncentrationen i prøven.
    1. 5 g formalet lufttørret prøve (partikelstørrelse <0,15 mm) afvejes i 125 ml Erlenmeyer-kolbe. 50 ml 2 M (0,01% (V / V)) KCI. Sæt kolberne på en roterende ryster i 1 time ved 200 rpm. Efter rystning er færdig, filtreres prøverne gennem Whatman No. 42 filterpapir i 100 ml plastflasker.
    2. Tillad reagenser (ammoniumchlorid og farvereagens) til at opvarme til stuetemperatur.
    3. Tænd colorimeter at lade lampen varme op. Gemt i auto analysator er reagensslangerne mærket ammoniumchlorid, Color reagens og vand; starte pumpen og lad vandet løbe gennem systemet, find ud af alle pumpe-slanger linjer for korrekt funktion.
    4. Når systemet er i ligevægt, sted linjer i de respektive reagenser og lad den køre i 5-10 min. Tænd for diagrammet optageren. Vent baseline til at stabilisere, og sat til den 10.
    5. Forbered 100 pg / ml nitrat og nitrit QC Stock standarder fra KNO 3 og NaNO2 og DDI vand hhv. For at gøre en 10 ug / ml Intermediate Standard, tilsættes 5 ml 100 pg / ml stamopløsning til 50 ml målekolbe, og der fyldes op til mærket med 0,01% KCl. For at gøre Kalibreringsstandarder kombinere 0,01% KCl og 10 ug / ml mellemliggende standard fremstillet i 25 ml målekolber at gøre kalibreringsstandarder (0,05, 0,2, 0,5, 1,0, 1,5, 2 ug / ml NO 3 eller NO 2). Brug KCl for metode emner.
    6. Forbered pigge anvendelse af 5 g af Ottawa-sand (inert materiale), og der tilsættes 0,05 ml af den passende 1.000 pg / ml QC standard for en følge af 10 mg N / kg prøve ende. Lav en kombineret NO 3 + NO 2 spike ved at tilsætte en enkelt prøve med 0,025 ml af hver 1000 pg / ml QC standard lager. Forbered én prøve spike per løb ved at tilsætte 5,0 g af den ukendte biochar prøve med 0,025 ml af den passende 1,000 pg / ml QC standard lager.
    7. Begynd at køre analyse. Medtag et komplet sæt af kalibreringsstandarder, to QC referenceprøver, mindst to KCl blanks, og mindst to Nitrit Standards, et sæt Ottawa Sand Spikes og blanke og en prøve Spike i hver kørsel.
      BEMÆRK: Standarder kan køres igen som markører mellem hver 5 ukendte prøver og kontrollere værdierne for udarbejdelse af standardkurven.
    8. Gentag 2,0 ug / ml standard ved slutningen af ​​hver kørsel. Kør dobbelte prøver med mindst 10%. Run Nitrit + Nitrate analyse først, efterfulgt af nitrit analyse.
    9. Optag på Nitrit Nitrat Opgaveark tophøjder på alle standarder, QC kontrol og prøver. Brug det antal chart enheder som målingen af ​​højden. For at kalibrere instrumentering, bruge de relative højder af standarderne. Sørg for, at R2 værdi ligger over 0,99, hvis ikke køre standarderne.
    10. Beregn koncentrationen af ​​prøverne ved hjælp af Formula:
      Uddrag Koncentration = (Peak Højde - Intercept af kalibreringskurve / kalibreringskurve Slope) x Fortynding
      Biochar Koncentration = (Uddrag koncentration x 50 ml (KCL)) / 5 g Biochar Sample
    11. Træk den estimerede nitrit koncentrationen fra nitrat plus nitrit koncentration til at beregne nitrat.
  3. Opløseligt fosfor (2% myresyre Extraction)
    BEMÆRK: Den automatiske analysator softwaren automatisk beregner koncentrationer. Software rapporter kalibrering information, goodness of fit af kalibreringskurven koncentrationer for alle prøver, kalibranter, blanke og QC prøver, der har været kørt.
    1. Før analyse Opbevar prøver i en ren glasbeholder eller steril plasticpose. Hold prøver kølede og analysere inden for to uger eller beholde frosset i op til et år.
    2. Gør alle standarder og QC standard med samme udvinding væske, der bruges til prøverne. Brug Estuarine sediment som standard refereIOU materiale og i hvert bad af prøver omfatter to emner, der skal udvindes.
    3. Ved hjælp af en 1-L volumetrisk fyldt til 750 ml med DDI vand, tilsæt 20 ml (98-99%) myresyre og fyld op til stregen med DDI vand.
    4. Tilsæt 1,0 g formalet lufttørret prøve (partikelstørrelse <0,15 mm) i en 125 ml Erlenmeyer-kolbe. 50 ml 2% myresyre løsning. Sæt kolberne på sonikator i 10 minutter, og derefter overføre på roterende ryster i 1 time ved 200 rpm. Efter rystning, filtrer prøver ved anvendelse af Whatman nr 42 filtrerpapir i et andet sæt af 125 ml Erlenmeyer-kolber.
    5. Forbered Standarder og Spikes:
      1. Forbered en 1.000 pg / ml QC Stock Standard fra kaliumdihydrogenorthophosphat og DDI vand. Brug QC Stock standard for at gøre kalibreringsstandarderne (5 ug / ml, 1 ug / ml, 0,5 ug / ml, 0,2 ug / ml, 0,1 ug / ml). Brug 0,100 ml af QC standard for at gøre det QC Spike. For at gøre en QC standard check, tilsættes 0,100 ml af QC Stock Standard til en 50 ml volumetric kolbe og gøre det op til mærket med KCl.
        BEMÆRK: Dette er en 0,2 ug / ml fortynding koncentration.
      2. Brug Estuarine sediment som QC reference Prøve. Brug 0,01% KCl som metode blank.
    6. Analyser på autoanalyseapparat system. Set prøver sig som Primer (High Standard (0,5 ug / ml), kalibranter (5 ug / ml, 1 ug / ml, 0,5 ug / ml, 0,2 ug / ml, 0,1 ug / ml), Blank, Null, High Standard ( 0,5 ug / ml), lav standard (0,1 ug / ml), lav standard (0,1 ug / ml), null, QC (reference Prøve / Estuarine sediment), QC (reference Prøve / Estuarine sediment), Metode Blank, prøve 1, Prøve 2, Prøve 2 Dup, prøve 3 etc., høj standard, Null.
    7. I hver batch af prøver også udtrække to emner: Den ene er en kalibrering tomt, og det skal anbringes i standard rack af autosampler, den anden er en fremgangsmåde tomt, og det skal placeres i prøvebakken.
  4. Specifikt overfladeareal
    BEMÆRK: analysis for Brunauer-Emmett-Teller (BET) overfladeareal blev udført i den kemiske biologiske Radio nukleare (CBRN) Beskyttelse Lab på RMC. Fremgangsmåden udnytter N2-gas sorption analyse på 77 K i en relativ trykområde fra 0,01 til 0,10, efter afgasning ved 120 ° C i mindst 2 timer. En ekstra prøve blev analyseret for hver 6 ukendte prøver. Prøver ikke formalet til pulverform før analyse.
    BEMÆRK: Afgasning tider og tryk er specifikke for instrumentets fabrikant og metoden er blevet valideret tidligere med høj temperatur aktivt kul.
  5. Kationudvekslingskapacitet (CEC)
    1. Følg natriumacetat fremgangsmåde til CEC beskrevet af Laird og Fleming (2008) til at beregne CEC.
      1. Medtag en analytisk blank (DDI vand), standard referencemateriale (Ottawa Sand) og duplikere for hver 10 prøver.
      2. Forbered mættende opløsning (1 M NaOAc pH 8,2) ved at opløse 136,08 g NaOAc. 3H 2 Oi 750 ml destilleret, deioniseret vand. PH justeres til 8,2 ved tilsætning af eddikesyre eller natriumhydroxid. Fortyndes til 1 l med DDI vand.
      3. Forbered første skylleopløsning (80% isopropanol (IPA)) ved at kombinere 800 ml IPA med 200 ml destilleret, deioniseret vand. Derefter forberede den anden skylning opløsning (100% IPA).
      4. Forbered udskiftning opløsning (0,1 M NH4Cl) ved at opløse 5,35 g NH4Cl i 1 L destilleret, demineraliseret vand.
      5. 0,2 g prøve (lufttørret, ikke formalet) afvejes i et 30 ml centrifugerør. Samtidig afvejes 0,5 g af den samme lufttørret prøve i et forud afvejet tørring aluminium pan. Prøven i tørring aluminiumsskål anbringes i ovnen ved 200 ° C i 2 timer, afkøles i ekssikkator og vejes igen for at bestemme indholdet af lufttørret prøve vand. Brug denne prøve at beregne vandindholdet korrektionsfaktoren, F (trin 4.4.1.10).
      6. Der tilsættes 15 ml af mættende løsning, vortex, centrifugeres ved 3.000xg i 5 min. Dekanteres og omhyggeligt supernatanten fjernes for at sikre ingen prøve er tabt. Gentag dette trin to gange mere.
      7. Der tilsættes 15 ml af den første skylleopløsningen. Vortex og centrifugeres ved 3.000 xg i 5 min. Dekanteres og omhyggeligt kassere supernatanten. Gentag dette trin flere gange, hver gang måling af den elektriske ledningsevne af supernatanten. Når ledningsevnen af ​​supernatanten falder til under ledningsevnen NaOAc mættet med IPA (~ 6 uS / cm), skifte til den anden skylleopløsningen. Fortsæt skylning prøven, indtil ledningsevnen af ​​supernatanten falder under 1 uS / cm.
      8. Lad prøven lufttørre i et stinkskab, hvorefter der tilsættes 15 ml af den erstatter opløsning. Vortex og centrifugeres ved 3.000 xg i 5 min. Dekanteres og gem supernatanten i en 100 ml målekolbe. Gentag dette trin endnu tre gange, hver tidsbesparende supernatanten i samme målekolbe. Så bringe den volumetriske til 100 ml med destilleret, demineraliseret water.
      9. Analyser natrium indhold via induktivt koblet plasma-atom-emission (ICP-AES) som tidligere beskrevet.
      10. Udfør følgende beregninger:
        F = (vægt af ovntørret, lufttørret prøve - vægt af lufttørret prøve)
        C = Na-koncentration (mg / l) i 100 ml målekolbe
        W = vægt (g) af lufttørrede prøve tilsat til centrifugeglas
        CEC = (C x 0,435) / (W x F) (CMOL / kg)

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

En oversigt over alle resultater, herunder en sammenligning med de kriterier, som Det IBI 13 kan findes i tabel 1 (oversigt), 2 (Ny, høj, lav, Tredje råvare og High-2 biochars) og 3 (Old biochar). Alle biochars og råmaterialer, der anvendes i 2012 og 2013 (tabel 2) var godt inden for kriterium fastsat af IBI og der var lidt forskelle blandt biochars. Gamle biochar (tabel 3), den første biochar til prøvning, blev foretaget fra brugte skibsfart paller og byggeri affald og var fast besluttet på at have forhøjede niveauer af metallerne arsen, krom, kobber og bly. Gamle biochar havde også det laveste niveau af organisk kulstof (63,2%), bestemt ved glødetab. Denne biochar havde de højeste niveauer af ekstraherbare fosfor (850 mg / kg) og CEC (34,8 CMOL / kg), samt den højeste procentdel af fine partikler (<0,5 mm, 48%). Gamle biochar var også den eneste biochar tilmislykkes spiringen test (Figur 3), og det blev bestemt, at Eisenia fetida (jord hvirvelløse) undgået signifikant 2,8% Gamle biochar-ændringen, mens de foretrak ændring af Ny biochar den 2,8% (Figur 2).

Test Kategori A: Grundlæggende egenskaber Biochar Utility

Biochar produktion via pyrolyse er hovedsagelig forkoksning af biomasse. Den forkulning proces giver mulighed for omdannelse af strukturerede organiske molekyler af træ og cellulose materialer i carbon eller carbon-holdige rester, som ofte aromatiske i naturen 14-18. Forkulning opnås gennem afskaffelse af vand og flygtige stoffer fra biomassen råmateriale, på grund af virkningen af varme under pyrolyseprocessen 19. Alle biochars produceret på den kommercielle drivhus indeholdt en relativt lav fugtighed procentdel (<5%), med undtagelse af det gamlebiochar. Alle biochars er kategoriseret af IBI som klasse A (> 60%) i form af deres sammensætning af organisk carbon som følge af fuldstændig carbonisering af fødematerialet via pyrolyse. Således skyldes den høje procentdel af organisk kulstof, alle biochars producerede en lav procentdel af aske (<2,5%), hvilket er den uorganiske eller mineralsk komponent i biochar 13. Selv om disse lave aske biochars ikke giver væsentlige mængder af næringsstoffer direkte til jorden, som gør deres høje aske biochar (ofte lavet af gødning og knogler) kolleger; indholdet af disse biochars kulstof er meget højere, og derfor har de højere lange tilbageholdelse af næringsstoffer evner 20-22.

Hydrogenet og carbon-forhold (H: C) er et udtryk, der ofte anvendes til at måle graden af aromaticitet og modning af biochar, som er knyttet til deres langtidsstabilitet i miljøet 18. For biomasse råmateriale indeholdende cellulose and lignin, de H: C-forhold er ca. 1,5. Det forventes imidlertid, pyrolyse af disse materialer ved temperaturer over 400 ° C for at fremstille biochars med H: C-forhold <0,5. Det er blevet rapporteret, at en H: C-forhold <0,1 angiver en grafit-lignende struktur i biochar 23. Alle biochars i denne rapport har H: C-forhold mindre end 0,02, hvilket indikerer, at disse biochars er meget aromatisk karakter og vil have langsigtet stabilitet i miljøet.

Jordens pH er et mål for jordens surhedsgrad, og desværre mange landbrugsjorde i Canada og på verdensplan er sure (pH <7), hvilket betyder, at de ikke er ideelle til vækst afgrøde. Biochars med en alkalisk pH (7>), såsom dem, der produceres på drivhuset, kan tilsættes til sure jord for at øge jordens pH til niveauer, der er mere passende for plantevækst.

En anden vigtig jord karakteristisk for plantevækst er partikelstørrelsesfordeling (PSD). Biochars, der har en højere procentdel af grove partikler kan positivt øge jordens beluftning og forebygge biochar bevægelse i undergrunden over tid, hvilket øger den tid biochar giver fordele for plantevækst 24. Men mindre partikelstørrelser foretrukket for biochars, der bliver produceret til oprydning formål med den hensigt at sorberer forureninger og minimere deres biotilgængelighed, som forurenende stoffer er lettere adgang til pore plads til binding 3,25, 26. Også mindre partikler størrelser stigninger antallet af biochar partikler pr volumen af jord, der er gunstigt for forurenende sorption 27. Som i en tidligere undersøgelse 3, er fine partikler defineret som dem <0,25 mm og grove partikler som> 0,5 mm. De biochars navngivne Ny-, Høj- og tredje Råvare har en høj andel af grove partikler (~ 98%), og en lav andel af fine partikler (~ 2%). Den biochar fremstillet ved en lidt lavere temperatur, havde 89% grove og 11% fine partikler størrelser. Alle disse biochars kan tilbyde væsentlige forbedringer i jordens tekstur og beluftning især i ødelagte eller ler typen jord. Den gamle biochar havde en PSD, der afveg væsentligt fra de andre, der har 52% grove og 48% fine partikler. En biochar med denne PSD kan være at foretrække til brug på forurenede grunde, hvor forurenende sorption er det primære fokus.

Test Kategori B: toksisk stof Reporting

Biologisk testning af biochar er vigtigt at vurdere toksiciteten (hvis nogen) af disse materialer til jord hvirvelløse dyr og planter. Til dato er der ikke meget eksisterende litteratur om de potentielle konsekvenser af biochar på terrestriske organismer og deres tilknyttede svar, og ofte den litteratur, der findes gaver modstridende resultater. Udsættelse for forurenende stoffer kan hæmme regnorme evne til at udføre væsentlige jordbundens funktioner såsom decomposition, næringsstof mineralisering, og jordstruktur forbedringer 28. Ny biochar viste ingen skadelige virkninger på regnorm Eisenia fetida som vurderet af regnorm undgåelse dog orme betydeligt undgået Old biochar (figur 2). Spiring assays er en teknik, der anvendes til at evaluere toksiciteten af ​​et bestemt materiale til planter. Pottemuld tjente som en bedre kontrol end filterpapir som filtrerpapiret ofte tilskyndet mug dannelse. Græskar og lucerne frø spiret godt med 67% ± 12% og 81% ± 6% spiring, hhv. Roots også spredt godt med gennemsnitlige længder efter syv dages være 14 cm ± 0,6 cm og 55 cm ± 8 cm for græskar og lucerne hhv. Som med regnorm undgåelse undersøgelser Old biochar viste toksicitet for planter og alle andre biochars evaluerede viste ingen skadelige virkninger på frøspiring målt ved procent spiring og rod længde efter syv dage (Figur 3

Selv om nogle typer af biochar har potentiale til at sorbere organiske forureninger og reducere deres giftighed i miljøet, er omhyggelig karakterisering af biochar skal sikre, at det ikke indeholder skadelige stoffer såsom PAH, PCB, og metaller som følge af forurenede råmaterialer eller pyrolyse forhold. Ingen af ​​biochars produceret på drivhuset havde PAH koncentrationer over IBI retningslinjer. Gamle biochar blev bestemt til at have forhøjede niveauer af PCB og metallerne arsen, krom, kobber og bly, men ingen af ​​de biochars fremstillet af de to andre biomassematerialer indeholdt metaller over IBI retningslinjer. Gamle biochar blev fremstillet af brugte skibsfart paller og byggeri affald, der sandsynligvis forureningskilden metallet. Selvom Old biochar ikke ville være egnet til brug i landbrugsjord eller hjem haver, kunne alle andre biochars anvendes til disse formål.

Test Categori C: Biochar Advanced Analysis og Jord Enhancement Properties

Biochars indeholder en høj koncentration af ammonium og nitrat kan anvendes på landbrugsjord for at kompensere for de krav til kunstgødning. Hvis biochar indeholder et overskud af disse kvælstofforbindelser derefter program på en stor skala, kan dog øge atmosfæriske N 2 O-koncentration og forurener drikkevandet kilder med nitrater. Ingen af ​​de undersøgte biochars indeholdt forøgede mængder af ammonium eller nitrat.

Fosfor er en vigtig bestanddel af mange fysiologiske processer i forbindelse med ordentlig energiudnyttelse i både planter og dyr. Biochars med moderate mængder af tilgængelig fosfor vil fungere som vigtige plante gødning. I Ontario, er jord indeholdende 15-30 mg / kg phosphor betragtes som lav, 31-60 mg / kg moderat og 61-100 mg / kg høj. Gamle biochar var højest i tilgængelig fosforved 850 mg / kg og må ikke være egnet til at tilføje til jord allerede er klassificeret som høj i fosfor. Men alle andre testede biochars havde en meget lavere mængde fosfor og ville ikke forventes at forårsage problemer, når det tilsættes ved hastigheder på op til 10% (w / w).

Komponenterne i biochar (undtagen fugtighed), der er frigivet under pyrolyse betegnes som flygtige stoffer. Disse komponenter er typisk en blanding af korte og lange carbonhydrider, aromatiske carbonhydrider med mindre mængder af svovl. Flygtige stoffer blev bestemt via nærtliggende analyse, som også bestemmer fugt og askeindhold på biochars (punkt 2.2). Det flygtige indhold påvirker stabiliteten af materialet 29, N tilgængelighed og plantevækst 30. I teorien biochars højt flygtige stoffer er mindre stabile og har en højere andel af labil carbon, der giver energi til mikrobiel vækst og begrænser tilgængeligheden af nitrogen nødvendig forplantevækst. En undersøgelse foretaget af Deenik et al., (2010) betragtede 35% flygtige stoffer at være høj (inducere kvælstof mangel), og 10% flygtige stoffer at være lav. Alt biochar i denne rapport indeholdt mindre end 20% flygtige stoffer, og ville dermed ikke forventes at begrænse plantevækst. Nærtliggende analyse bestemmelse af flygtige stoffer er vigtigst for biochars med lave koncentrationer aske som dem, der produceres på den kommercielle drivhus.

Specifikt overfladeareal (SSA) er et mål for porøsiteten af ​​en biochar. Det omfatter ikke kun den ydre biochar overfladeareal, men også overfladeareal i porerummene og er en vigtig egenskab anvendes til at forudsige evnen af ​​en biochar at sorbere organiske forureninger. Forurenende sorption er blevet tilskrevet π-π interaktioner (attraktive, ikke-kovalent binding) mellem den aromatiske ring (e) af det forurenende stof, og de ​​af biochar 31. Aktiveret carbon (AC) er en kul-lignende material, der er behandlet under produktionen for at maksimere sin porøsitet og har derfor højere SSA end de fleste biochars. Selv om alle af biochars i denne rapport har SSA i 300 m2 / g interval (dvs. langt mindre end for AC; ~ 800 m2 / g), som rapporteret i Denyes et al, 2012 og 2013, de biochars. , gamle og nye, har begge vist betydeligt potentiale til at fungere som en ændring jord til rensning af PCB.

Kationbytningskapacitet (CEC) er et mål for antallet af kationer (positivt ladede ioner), som en jord partikel er i stand til at holde på en bestemt pH. Evnen af jorden for at holde kationer skyldes elektrostatiske interaktioner med negativt ladede steder på overfladen af en partikel, såsom hydroxyl (OH -) og carboxyl (COO -). Grupper 32, 33 CEC af jorden kan kædes evne til jorden for at holde næringsstoffer og fastholde kationer fra gødninger, der er essential for plantevækst. Også mange miljøbelastende stoffer som bly, cadmium og zink har positive ladninger; Derfor jord med en høj CEC kan fungere til at forhindre udvaskning af disse forurenende stoffer i drikkevand kilder. Biochars er blevet rapporteret at øge CEC af jord på grund af den langsomme oxidering af biochar overflade, som øger antallet af negativt ladede steder, og derfor kan reducere kravene gødning og immobilisere positivt ladede kontaminanter i jord 32. Typisk sandjord har en CEC mellem 1-5 CMOL / kg, lerjord 5-15 CMOL / kg, ler typen jord> 30 CMOL / kg og organisk stof 200-400 CMOL / kg. Metoderne til bestemmelse af CEC af biochar er stadig i deres vorden, og bør derfor betragtes relativt. Den CEC af biochars produceret på drivhuset er højere end den CEC af PCB-kontamineret jord (Denyes et al., 2012), men lavere end kompost ændret jorde.

ass = "jove_content" FO: keep-together.within-side = "altid"> Figur 1
Figur 1. Regnorm undgåelse hjul. Er Hjulene er fremstillet af stål og ormene får lov til at bevæge sig gennem rummene via flere huller, som er ca. 5 cm i diameter.

Figur 2
Figur 2. Regnorm undgåelse assay af gamle og nye type biochars. Den biochar titlen "Gamle" er produceret via bygge- affald, mens biochar titler "Ny" blev fremstillet af savsmuld materialer. * Angiver en signifikant forskel mellem uændret pottemuld og pottemuld ændret med 2,8% af enten biochar (p <0,05).

ys "> Figur 3
Figur 3. Procentvis spiring af to forskellige plantearter. Pumpkin (Cucurbita pepo spp. Pepo) og lucerne (Medicago sativa) blev dyrket i tre eksemplarer i forskellige biochars produceret på en kommerciel drivhus i syv dage. Gamle og Nye vedrører biochars fremstillet af forskellige råmaterialer, mens lav og høj henviser til forskellige temperaturer på pyrolyse. * Angiver signifikant forskel fra kontrollen (pottemuld og filter papir).

Prøve Råvare Pyrolysetemperaturen Organisk materiale (LOI) pH CEC PSD PSD SSA
Grov Bøde
° 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
Lav Temp 2 500 96,7 8.7 15.9 86.2 13.8 336,9
High Temp0; 2 > 700 97,9 8.4 11.1 98.1 1.9 419,5
Tredje Råvare 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: glødetab, CEC: kationudvekslingskapacitet, PSD: Particle Size Distribution, SSA: specifikt overfladeareal

Tabel 1. Råmateriale type pyrolyse temperatur og fysiske egenskaber af de seks biochars.

Krav IBI Biochar Råvare Range Enhed
Kriterier Range
Test Kategori A: Grundlæggende biochar Utility Properties - påkrævet for alle Biochars
Fugt Erklæring <0,1-4,3 %
Organisk kulstof Klasse 1> 60% 96,2-97,8 (LOI) %
Klasse 2> 30% 92,44-97,93 (Pro / Ult)
Klasse 3> 10 <30%
H: C org 0,7 max 0,01-0,02 Ratio
Aske i alt Erklæring 1,38-2,26 %
Total N Erklæring 0,28-1,06 %
pH Erklæring 8,4-9,6 pH
Particle Size Distribution Erklæring 86-98 % Grov
1,3-14 %
Bøde
Test Kategori B: toksisk stof Rapportering-påkrævet for alle råmateriale
Spiring Bestået / ikke bestået Pass
Earthworm Undgåelse Erklæring Ingen Undgåelse
Polyaromatiske hydrocarboner (PAH) 6-20 <2,0 mg / kg
Polychlorerede biphenyler (PCB) 0,2-0,5 <0,1 mg / kg
Arsen 12-100 <1,0 <1,0 mg / kg
Cadmium 1,4-39 <1,0 <1,0 mg / kg
Chromium 64-1,200 <2,0 <2,0-2,6 mg / kg
Cobalt 40-150 <1,0 <1,0 mg / kg
Kobber 63-1,500 3,6-6,5 <2,0-5,9 mg / kg
Bly 70-500 <2,0-2,7 <2,0-8,1 mg / kg
Mercury 1,000-17,000 <5,0-294 ng / g
Molybdæn 5-20 <2,0 <2,0 mg / kg
Selen 1-36 <10 <10 mg / kg
Zink 200-7,000 5,6-56,2 7,8-30,5 mg / kg
Klor Erklæring mg / kg
Natrium Erklæring 137-878 <75-770 mg / kg
Test Kategori C: Biochar Advanced Analysis og Jord Enhancement Egenskaber Valgfri for Alle Biochars
Mineral N (ammonium og nitrat) Erklæring <0,2-6,1 mg / kg
Total Fosfor Erklæring 69,5-276 52,5-74 mg / kg
Tilgængelig Fosfor Erklæring 9-80 mg / kg
Flygtige stoffer Erklæring 12,47-19,09 %
Specifikt overfladeareal Erklæring 244-428 m 2 / g
Cation ExcSvejsning Kapacitet Erklæring 11,1-17,1 CMOL / kg

Tabel 2. Oversigt Kriterier og Kendetegn for ny, høj, lav, tredje og High-2 Biochars og råmaterialer. Alle biochars i denne tabel er produceret fra lignende råmaterialer på samme pyrolyse facilitet.

Krav IBI Biochar Range Råvare Range Enhed
Kriterier
Test Kategori A Basic biochar Utility Properties - påkrævet for alle Biochars
Fugt Erklæring 20 %
Organisk kulstof Klasse 1> 60% 63.2 (LOI) %
Klasse 2> 30%
Klasse 3> 10 <30%
H: C org 0,7 max Ratio
Aske i alt Erklæring %
Total N Erklæring %
pH Erklæring 9.3 pH
Particle Size Distribution Erklæring 52 % Grov
48 % Fin
Test Kategori B: toksisk stof Rapportering-påkrævet for alle råmateriale
Spiring Bestået / ikke bestået Fail
Earthworm Undgåelse Erklæring Undgået
Polyaromatiske hydrocarboner (PAH) 6-20 mg / kg
Polychlorerede biphenyler (PCB) 0,2-0,5 1.2 mg / kg
Arsen 12-100 167 <1,0 mg / kg
Cadmium 1,4-39 <1,0 <1,0 mg / kg
Chromium 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
Bly 70-500 314 <10 mg / kg
Mercury 1,000-17,000 <5,0 ng / g
Molybdæn 5-20 <2,0 <2,0 mg / kg
Selen 1-36 <10 <10 mg / kg
Zink 200-7,000 498 <15 mg / kg
Klor Erklæring mg / kg
Natrium Erklæring 6460 <75 mg / kg
PrøveKategori C: Biochar Advanced Analysis og Jord Enhancement Egenskaber Valgfri for Alle Biochars
Mineral N (ammonium og nitrat) Erklæring 2.6 mg / kg
Total Fosfor Erklæring mg / kg
Tilgængelig Fosfor Erklæring 850 mg / kg
Flygtige stoffer Erklæring %
Specifikt overfladeareal Erklæring 373,6 m 2 / g
Kationbytningskapacitet Erklæring 34.8 CMOL / kg

Tabel 3. Oversigt Kriterier og Karakteristik for Old Biochar og råmateriale. Den biochar listeed i denne tabel blev produceret fra byggeri affald på samme pyrolyse facilitet som biochars anført i tabel 2.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Alle de metoder, der er anført i protokollen er blevet omhyggeligt valideret og flittigt brugt til jord. Som biochar karakterisering er stadig i sin vorden, effektiviteten af ​​disse metoder til kulstof-rige substrat var stort set ukendt. Så selv disse metoder selv er ikke ny, deres anvendelse på rutinemæssigt karakterisere biochar er. Målt kvalitetssikring / kvalitetskontrol af, var der ingen problemer blandt nogen af ​​de metoder, i forhold til emnerne bliver under detektionsgrænsen eller inddrivelser er korrekt for standard referencemateriale. Dette indikerer, at disse metoder er egnede til at blive anvendt til karakterisering af biochar og andre kul-lignende materialer. Mange forskellige metoder er blevet anvendt til at karakterisere biochars i litteraturen 20, 34-41 Men som biochar bliver mere og mere accepteret som et tilsætningsstof jord, der kræves rutinemæssige fremgangsmåder.

Kationbytningskapacitet var den eneste method, hvor vanskeligheder opstod. Metoden til beregning af CEC af en prøve er afhængig af vægten af ​​prøven og koncentrationen af ​​natrium i den givne vægt. Biochar har en meget lav densitet og derfor ikke pelletering i bunden af ​​røret efter centrifugering, som jord gør. Derfor, når dekantering og kassere supernatanten i trin 6 og 7 i metode (4.4), er det vigtigt ikke at miste nogen af ​​biochar prøven. Pipettering af opløsningen fra centrifugen var nødvendig for at undgå enhver prøve tab.

Andre analysemetoder blev let tilpasset fra jord metoder. Ultimate og nærtliggende analyse er specifik for biochar og lignende produkter såsom kul, og derfor er normalt ikke tilgængelig i laboratorier, der rutinemæssigt analyserer jord. En anden metode (ASTM D1762) er tilgængelig, til bestemmelse af vand, flygtigt stof, og aske i trækul lavet specielt af træ. Denne metode ville også have også været egnet til nærliggende analyser. Ved bestemmelse glødetab for procent organisk stof og procent fugt nogle kan vælge at udføre disse analyser ved temperaturer på over 420 ° C, især hvis biochars pågældende produceret via meget høje temperaturer af pyrolyse. I tilfældet denne særlige undersøgelse 420 ° C var tilstrækkelig til fuldstændigt at aske alle biochars, og selvom ikke drøftet denne temperatur var tilstrækkelig høj til aske selv aktiveret carbon.

Arbejde med biologiske organismer såsom planter og orme kan ofte være udfordrende. Valg af passende undersøgelse organismer er af særlig betydning. Jordbunden hvirvelløse Eisenia fetida bruges ofte som en jordbaseret organisme model i forsøg forurening, fordi denne art er i stand til at overleve ved høje koncentrationer af organiske forureninger, er meget veldokumenteret, og er økologisk relevant i mange områder af verden 2, 28, 42 -46. Jord hvirvelløse dyr spilleren vigtig rolle i jorden matrix, da de nedbrydes organisk stof, cyklus næringsstoffer, og overførsel vand. De plantearter 'lucerne (M. sativa) og græskar (C. pepo) blev valgt til spireevne assays som de almindeligvis dyrkes i Canada og er blevet anvendt i vores gratis arbejde forurenende oprydning 2, 3, 47. Greenhouse betingelser for spirende frø skal nøje overvåges for at sikre et velfungerende belysning og for at undgå ekstreme temperatursvingninger.

Karakteriseringen af biochar er afgørende for en vellykket ansøgning som målte parametre angiver hvor effektive de forskellige biochars til forskellige applikationer (dvs. om en biochar er passende for forurenende beslaglæggelse, jordkvalitet forbedring, forurenende oprydning etc.). Fordi metoderne her er bredt tilgængelige for jordbundsanalyser, de er et omkostningseffektivt middel til characterization af biochars, og bør i vid udstrækning anvendes inden storstilet anvendelse af biochar i marken.

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

Miljøvidenskab biochar beskrivelse kulstofbinding oprydning International Biochar Initiative (IBI) ændring jord
Fysisk, kemisk og biologisk karakterisering af Six Biochars produceret til rensning af forurenede industrigrunde
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