Summary
Biochar is een koolstofrijke materiaal als grondverbeteraar met de mogelijkheid om duurzaam waarin koolstof, verbeteren substraat kwaliteit en Sorb verontreinigingen. Dit protocol beschrijft de 17 analysemethoden worden gebruikt voor de karakterisering van biochar, die voorafgaand aan de grootschalige implementatie van deze wijzigingen in de omgeving is vereist.
Abstract
De fysische en chemische eigenschappen van biochar variëren op basis van ruwe substraten en productie-omstandigheden, waardoor het mogelijk is om biochars met specifieke functies (bijvoorbeeld koolstofvastlegging, verbetering van de bodemkwaliteit, of verontreiniging sorptie) engineeren. In 2013, het Internationale Biochar Initiatief (IBI) maakte publiekelijk beschikbaar zijn gestandaardiseerd product Definitie en producttests Richtlijnen (versie 1.1), die normen voor fysische en chemische eigenschappen van biochar te stellen. Zes biochars gemaakt van drie verschillende grondstoffen en bij twee temperaturen werden geanalyseerd op kenmerken die verband houden met het gebruik ervan als grondverbeteraar. Het protocol beschrijft analyse van de voedingen en biochars en omvat: kation uitwisselingscapaciteit (CEC), specifiek oppervlak (SSA), organische koolstof (OC) en vochtpercentage, pH, deeltjesgrootteverdeling en Directe en uiteindelijke analyse. Ook beschreven in het protocol zijn de analyses van de grondstoffen en biochars voor verontreinigingen zoals polycyclische aromatische koolwaterstoffen (PAK), polychloorbifenylen (PCB), metalen en kwik en nutriënten (fosfor, nitriet en nitraat en ammonium stikstof). Het protocol bevat ook de biologische testprocedures, regenworm vermijding en kieming assays. Op basis van de kwaliteitsborging / kwaliteitscontrole (QA / QC) resultaten van blanks, duplicaten, normen en referentiematerialen, werden alle methoden bepaald geschikt voor gebruik met biochar en grondstof materialen. Alle biochars en grondstoffen waren ruim binnen de door de IBI criterium en waren er weinig verschillen tussen biochars, behalve in het geval van de biochar geproduceerd uit bouwafval materialen. Dit biochar (aangeduid als Oud biochar) was vastbesloten om verhoogde niveaus van arseen, chroom, koper en lood hebben, en niet in geslaagd de regenworm vermijding en kieming assays. Gebaseerd op deze resultaten, zouden Old biochar niet geschikt voor gebruik als grondverbeteraar voor koo zijnequestration, substraat kwaliteitsverbeteringen of sanering.
Introduction
Biochar is een koolstofrijke bijproduct geproduceerd tijdens de pyrolyse van organisch materiaal 1. Belangstelling, zowel in het openbaar en academisch, in het toevoegen van biochar aan de bodem, komt voort uit zijn vermogen om de bodemkwaliteit en de groei van planten 2, 3 te verbeteren, duurzaam waarin koolstof 4, en lijsterbes schadelijke stoffen 2, 3, 5-7 en tegelijkertijd het aanbieden van alternatieven voor afval het beheer en de productie van energie door pyrolyse.
Biochars worden geproduceerd door een groot aantal bedrijven en organisaties wereldwijd via verschillende pyrolyse-systemen. Materiaal voor biochar productie omvatten (maar zijn niet beperkt tot) houtsnippers, dierlijke mest en bouwafval 1. Deze verschillen worden verwacht dat zij hun vermogen om substraten te verbeteren, stabiliteit op lange termijn te bevorderen en te verhogen sorptie mogelijkheden veranderen de biochars 'fysische en chemische eigenschappen en zo. Daarnaast is tijdens de pyrolyse-proces de biochar may raken onbedoeld verontreinigd met metalen, PAK's en PCB's als gevolg van vervuilde grondstoffen of ongepast pyrolyseomstandigheden. Daarom, voordat biochar kan worden toegepast op grote schaal aan het milieu als grondverbeteraar, zorgvuldige karakterisering van de biochar voor verontreinigingen, specifiek oppervlak, kationuitwisselingscapaciteit, regenworm vermijding en kieming en anderen voorgesteld door de Internationale Biochar Initiatief (IBI) moeten worden uitgevoerd. In 2013, het eerste gestandaardiseerd product Definitie en producttests Richtlijnen voor Biochar, welke normen voor biochar fysische en chemische eigenschappen bepaalt, werd gepubliceerd en publiekelijk beschikbaar gesteld.
Onderzoek heeft aangetoond dat biochar geproduceerd met een commerciële kas in Odessa, ON, Canada heeft de mogelijkheid om in intens aangetaste bodems en Sorb persistente organische verontreinigende stoffen (POP's) zoals PCB 2, 3 aanzienlijke verbetering plantengroei. Dit biochar geproduceerd uit drieverschillende grondstoffen (dwz bronnen organische stof) via een boiler systeem waarbij de opgewekte warmte wordt gebruikt om de uitstoot van het gebruik warm tijdens de wintermaanden.
Deze studie geeft kenmerkgegevens relevant zijn voor de productie van biochar in een biomassa ketel en het gebruik van biochar als grondverbeteraar. Het doel van deze studie is om de fysische, chemische en biologische eigenschappen van zes biochars volgens de normen die door de IBI in hun gestandaardiseerd product Definitie en producttests Richtlijnen (versie 1.1) (2013) grondig te karakteriseren. Deze eigenschappen zullen worden gekoppeld, waar mogelijk, om de prestaties van elke biochar als agrarische wijzigingen en hun vermogen om verontreinigingen adsorberen.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
OPMERKING: Chemische analyses werden uitgevoerd bij de Analytical Services Unit (ASU) in de School of Environmental Studies aan de Queen's University (Kingston, ON). De ASU is geaccrediteerd door de Canadese Vereniging voor Laboratory Accreditation (CALA) in het kader van de accreditatie vermeld specifieke tests. Andere analyses, waaronder kas studies werden uitgevoerd aan de Koninklijke Militaire Universiteit van Canada (Kingston, ON) bij de afdeling Scheikunde en Scheikundige Technologie.
1. Algemene overwegingen
- Kwaliteitszorg en kwaliteitscontrole te verzekeren, analyseert een analytische leeg en een analytische duplicaat, een monster duplicaat en een standaard referentiemateriaal met iedere batch monsters (maximaal batch maat 10) voor de methoden die in het protocol.
- Vestigen duplo bij submonsterneming uit de oorspronkelijke steekproef en gaan via dezelfde opstelling als de onbekende monsters. Ervoor te zorgen dat dubbele waarden zijn binnen 20% van elkeandere of de analyse herhaald. Ervoor zorgen dat de analyse resultaten van de blanks zijn beneden de detectielimieten voor de overeenkomstige methode. Standaard referentiemateriaal grenzen hing af van de individuele methode, maar ervoor te zorgen dat zij over het algemeen binnen 15-30% van de verwachte waarde.
LET OP: In veel van de in het protocol beschreven methoden, worden gegevens opgenomen over de voorgestelde volgorde van de monsteranalyse waaronder kalibranten, spaties, hoge en lage normen en onbekende monsters. Dit is geen kruisbesmetting tussen de monsters te garanderen en te zorgen voor een hoge standaard aan QA / QC.
OPMERKING: Zes biochars geproduceerd op een commerciële kas en chemische, fysische en biologische parameters geanalyseerd. De namen van elk biochar geven hun productie parameters of als grondstof bron (tabel 1).
2. Test Categorie A: Basis Biochar Utility Properties
- Vocht en organisch materiaal Content
- Gebruik het gloeiverlies procedureomzoomd door Nelson en Sommers (1996).
- Onder andere een steekproef duplicaat en standaard referentiemateriaal (Ottawa Zand) voor elke 10 onbekende monsters.
- Label 50-ml bekers met hittebestendige marker, ze oven drogen bij 105 ° C, laat ze vervolgens afkoelen op te nemen gewicht.
- Weeg 2 g lucht gedroogd monster in de oven gedroogde bekerglas. Droge monster bij 105 ° C gedurende 24 uur, verwijder vervolgens uit de oven en laat afkoelen.
- Eenmaal koele, wegen de beker en het monster (X = gewicht van het gedroogde monster - gewicht van de beker).
- Plaats het monster in de moffeloven en warmte voor 16 uur die bij 420 ° C. Verwijder het monster uit de oven en laat afkoelen. Weeg de beker met het monster opnieuw en registreer het gewicht (Y = gewicht van het monster wordt verast - gewicht van de beker).
- Voer de volgende berekeningen:
i) Gewichtsverlies bij verbranden = XY
ii)% Vocht = ((Sample Gewicht - X) / Monster Gewicht) x 100%
iii)% Organic MattER = (Gewichtsverlies bij verbranden / X) x 100%
- Gebruik het gloeiverlies procedureomzoomd door Nelson en Sommers (1996).
- Directe en uiteindelijke analyse
OPMERKING: Voor de nabije / uiteindelijke analyse, vier monsters werden geanalyseerd: Laag, Hoog, Standaard Brandstof en High 2. PAK-analyse werd uitgevoerd op Laag, Hoog, en Standard Fuel uitgevoerd. Deze werden gekozen als representatief voor de geproduceerde sinds 2012 biochars.- Gedrag Directe en Ultimate analyseert op een commerciële faciliteit gebaseerd op methoden: ASTM D3172-13 8 en D3176-09, Standard Praktijk voor Directe en Ultimate 9 Analyse van steenkool en cokes, respectievelijk.
- pH
- Kalibreer de pH-sonde dagelijks voor gebruik met kalibratie standaarden.
- Voeg 0,25 g biochar tot 25 ml gedestilleerd, gedemineraliseerd water.
- Schud hand gedurende 2 min, centrifugeer 3000 xg gedurende 5 minuten.
- Verzamel supernatant in glas reageerbuis en meten pH.
- Deeltjesgrootteverdeling
- Analyseren van alle monsters in triplicate via progressieve droog zeven aangepast van ASTM D5158-98 10 met behulp van zeven Amerikaanse Standard zeven en pan (4.7, 2.0, 1.0, 0.50, 0.25, 0.15, en 0,0075 mm)
- Registreer het gewicht van elke lege zeef en stapel de zeven in de volgorde van de pan tot 4,7 mm met de 4,7 mm zeef aan de top.
- Plaats 60 g van biochar in de 4,7 mm zeef, leg het deksel op de bovenkant en zet de stapel van zeven op de shaker.
- Schud gedurende 10 minuten en registreer het gewicht van elke zeef. Rapporteren de gegevens in een Excel-bestand als die nog in elke zeef procent.
- Analyseren van alle monsters in triplicate via progressieve droog zeven aangepast van ASTM D5158-98 10 met behulp van zeven Amerikaanse Standard zeven en pan (4.7, 2.0, 1.0, 0.50, 0.25, 0.15, en 0,0075 mm)
3. Test Categorie B: toxicum Reporting
- Kiemproeven
- Gebruik de zaadkieming testmethode door Solaiman et al geschetst. (2012) 11.
- Gebruik papieren filter en potgrond als positieve controles.
- Zorg ervoor dat de respectieve gewicht van elke behandeling is 3 g van biochar, 10 g van potgrond, en 1 stuk van filter papier.
Opmerking: Deze waarden zijn gebaseerd op het volume in de petrischaal zodat elk gerecht is -50% vol (volume). - In de petrischaaltjes (8,5 cm diameter), plaatst vijf Sierpompoen spp. Pepo (pompoen) zaden en 50 Medicago sativa (luzerne) zaden in elke behandeling.
- Met behulp van een maatcilinder en voeg 15 ml water om alle petrischaaltjes, dan bedek ze met hun respectieve deksels.
- Plaats de petrischalen voor kieming onder een 14:10 uur (dag: 's nachts) fluorescerende fotoperiode en temperatuur te handhaven op 27 ºC (± 6 ºC).
- Na zeven dagen op te nemen van het aantal zaden ontkiemd. Rapport resultaten als% gekiemd per petrischaal. Meet de wortel lengte van de ontkiemde zaden met een liniaal. Rapport wortel lengtes als een som voor elke petrischaal (cm / petrischaal).
- Gebruik de zaadkieming testmethode door Solaiman et al geschetst. (2012) 11.
- Earthworm Vermijden
- Bewaar Eisenia fetida in een gezonde bodem matrix bestaat uit veenmos en oppottenbodem en bodemvocht bij ~ 30% te handhaven.
- Gebruik regenworm vermijden methode beschreven door Li et al. (2011). Kies wormen variërend 0,3-0,6 g in grootte.
- Voor deze test gebruikt zes vermijding wielen (figuur 1) of vergelijkbare structuur als die welke in Environment Canada Acute Avoidance Test (Environment Canada, 2004).
- Mix biochars afzonderlijk met behulp van een spade en emmer met potgrond tegen een tarief van 2,8% (in gewicht).
- Vul elke van de zes compartimenten 120 g grond of bodem / biochar mengsel met elk ander compartiment dient als ongewijzigd controle (Figuur 1) dus bodem zonder biochar. Voeg 10 wormen aan de ronde middelste compartiment.
- Expose de wormen voor 48 uur het houden van het vermijden wiel bedekt met aluminiumfolie om worm ontsnapping te voorkomen. Handhaaf temperaturen tot het vermijden wielen tussen 20-25 ° C. Bewaken van de bodemvochtigheid en bij ~ 30% te handhaven. Na 48 uur verwijderen van de wormen en registreren hun locatie in het vermijden wiel, dat wil zeggen als ze in de i) gewijzigd of ii) ongewijzigd compartimenten. Niet wormen voor toekomstige testen hergebruiken.
- Polycyclische aromatische koolwaterstoffen (PAK's)
- Analyseer PAK's door solventextractie en GC-MS gebaseerd op EPA 8270 12.
- Polychloorbifenylen (PCB) Concentratie
- Droge monsters (10 g) gedurende de nacht bij 25 ° C gedurende 18-24 uur daarna maal ze tot een fijn poeder (deeltjesgrootte <0,15 mm) met 10 g natriumsulfaat en 10 g Ottawa zand.
- Omvatten een analytische leeg (Ottawa zand), een controle (een bekende hoeveelheid PCB-norm) en een analytische duplo voor elke 10 onbekende monsters.
- Plaats 2 g monster in Soxhlet- vingerhoed en voeg 100 ul decachlorobiphenyl (DCBP) als een interne surrogaat standaard.
- Extract monsters in een Soxhletapparaat gedurende 4 uur bij 4-6 cycli per uur in 250 ml dichloormethaan.
- Met behulp van een gaschromatograaf voorzien van een micro- 63 Ni electron capture detector (GC / μECD), een gefuseerde silica capillaire kolom (30 m, 0,25 mm ID x 0,25 urn filmdikte) en geschikte software biochar extracten totale Aroclors analyseren. Gebruik helium als dragergas met een stroomsnelheid van 1,6 ml / min. Gebruik Stikstof als de make-up gas voor de electron capture detector (ECD). Rapport waarden als ug / g droog gewicht.
- Metalen Analyse
- Lucht drogen monsters voor 18-24 uur en vermalen tot een fijn poeder (deeltjesgrootte <0,15 mm) met een mortier en een stamper.
- Met zuivere geconcentreerde zuren, hitte 0,5 g van het monster in 2 ml 70% (w / w) salpeterzuur en 6 ml 38% (w / w) zoutzuur, totdat het volume is gereduceerd tot 1-2 ml. Make-up waarna de oplossing tot 25 ml in een maatkolf met gedistilleerd, gedeïoniseerd water, gefiltreerd door een Whatman No. 40 filter paper.
- Analyseer monsters met behulp van een gelijktijdige inductief gekoppeld plasma atomaire emissie spectrometer (ICP-AES) aan de volgende normen / controles (zie stap 3.5.3.1). Analyseer multi-element ICP normen en controleren% error en correlatiecoëfficiënten van de kalibreringskrommen. Normen worden gekocht in aangepaste mengsels met vele elementen in elke standaard. Elk element heeft een 3 punts kalibratie curve (bijvoorbeeld cadmium wordt uitgevoerd bij 0, 0,1, 1,0 en 5 ppm). Controleer bochten met kalibratie controle normen. Herijken ongeveer om de 18 monsters.
- Voeg interne normen (indium en scandium) 'on line' met monsters om de stabiliteit instrument te controleren. Analyseer monsters met extra kwaliteitscontrole normen, waaronder gecertificeerde referentiematerialen (Bush, takken en bladeren, Witte Kool en spinazie), methode blanks (zuren toe te voegen aan een lege destructiebuis en behandel deze zoals aangegeven in 3.5.2 hierboven), analytische duplicaten, en veld duplicaten.
- Kwik
- Zorg ervoor dat de instrumentatie voldoet aan de in US EPA Method 7473 criteria en zorgt voor directe kwik meting
- Weeg 100 mg van de grond-lucht gedroogd biochar (deeltjesgrootte <0,15 mm) in kwarts of nikkel wegen boten.
- Gebruik een ICP-AES voorraadoplossing van 1000 ug / ml Hg en 5% zoutzuur in dubbel gedeïoniseerd water (DDI) om werkvoorraden maken (5 ug / ml, 1 ug / ml, 0,1 ug / ml, 0,01 ug / ml) en kalibratie standaarden.
- Gebruik een gereinigde lege boot als een methode leeg. Analyseer monsters beginnen met een methode lege, lage QC (20 ng Hg - 20 ui 1 ug / ml Hg), Blank, High QC (200 ng Hg - 40 gl van 1 ug / ml Hg), Blank, Blank, Standard Reference Materiaal (MESS-3), Blank, MESS-3, Blanco, Sample 1, Blanco, Sample 2, Blanco, Sample 2 dup, Blank, Monster 3, Blank, etc.
- Plaats de boten in het instrument kamer waar het monster thermisch ontleden in een continulende toevoer van zuurstof.
OPMERKING: De verbrandingsproducten wordt dan uit de zuurstofstroom uitgevoerd en vervolgens verder ontleed in een hete katalysatorbed. Kwikdampen worden gevangen op een gouden amalgamator buis en vervolgens gedesorbeerd voor spectrofotometrische kwantificatie bij 254 nm.
4. Test Categorie C: Biochar Geavanceerde Analyse en Soil Enhancement Properties
- Ammonium als Stikstof
OPMERKING: De werkwijze maakt gebruik van de Berthelot reactie waarbij ammoniumzouten in de oplossing reageren met fenoxide. Toevoeging van natriumhypochloriet veroorzaakt de vorming van een groengekleurde verbinding. Natrium nitroprusside wordt toegevoegd om de kleur te intensiveren.- Weeg 5 g van de grond de lucht-gedroogde monster (deeltjesgrootte <0,15 mm) in een 125 ml erlenmeyer. Voeg 50 ml 2 M (0.01% (V / V) KCl. Plaats de kolven op een roterende schudder gedurende 1 uur bij 200 rpm. Na schudden is voltooid, filtreer de monsters door Whatman No. 42 filtreerpapier in 100 ml plastic flesjes.
- Bereid reagensoplossingen:
- Alkaline Fenol - maatregel 87 ml vloeibaar fenol in 1-L volumetrisch gevuld 2/3 met DDI water. Voeg 34 g NaOH, vul aan met DDI water.
- Hypochloriet oplossing - met behulp van 100 ml maatcilinder maatregel 31,5 ml commerciële bleekwater (5-10%) en vul aan met DDI water tot 100 ml. Transfer naar de fles en voeg 1,0 g NaOH pellets en hen in staat stellen om op te lossen.
- EDTA-oplossing - te ontbinden 32 g di-natrium-EDTA en 0,4 g NaOH in een 1-L volumetrisch gevuld 2/3 met DDI water. Voeg 0,18 g nitroprusside en oplossen door te schudden. Vul aan met DDI water en voeg 3 ml Triton (10%).
- Voeg calibratiestandaarden (0.1, 0.2, 0.3, 0.5, 1.0 en 2.0 ug / ml N concentratie) met zuivere NH4Cl en DDI water. Bereid QC referentiestandaard van een reagenskwaliteit bron van ammoniumchloride verschilt van de bron gebruikt voor de standaarden.Gebruik dubbele gedemineraliseerd water als de lege plekken.
- Beginnen met het uitvoeren van de Autoanalyzer. Ontwerpen elke run te starten met de High Standard (2,0 ug / ml N) x 2, Calibration Standards (hoog naar laag), Methode Blank, High Standard, Low Standard (0,1 ug / ml N) x 2, Wash Water, QC Reference monster x 2, Monsters, Sample tweevoud, en High Standard., en waswater.
OPMERKING: De Autoanalyzer software berekent automatisch de concentratie in het extract. - Bereken de Biochar Concentratie = (Extract Concentratie x 50 ml (KCl)) / 5 g Biochar voorbeeld.
- KCl Extraheerbare nitriet en nitraat door Autoanalyzer
OPMERKING: De Griess Ilosvay colorimetrische methode maakt gebruik van de reactie van nitriet ionen met sulfanilamide onder zure omstandigheden om een diazo verbinding. De verbinding verder reageren met N -1-naphthylethylenediamine dihydrochloride een magenta azo kleurstof. Nitraat in het monster wordt omgezet in nitriet door blootstelling aan een reductiemiddel(In dit geval een koper-cadmium reductiekolom). Dit is een maat voor de nitraat + nitriet concentratie in het monster.- Weeg 5 g van de grond de lucht-gedroogde monster (deeltjesgrootte <0,15 mm) in 125 ml Erlenmeyer. Voeg 50 ml 2 M (0.01% (V / V)) KCl. Plaats de kolven op een roterende schudder gedurende 1 uur bij 200 rpm. Na het schudden is voltooid, filteren de monsters door Whatman No. 42 filtreerpapier in 100 ml plastic flesjes.
- Laat reagentia (Ammoniumchloride en kleur reagens) opwarmen tot kamertemperatuur.
- Schakel colorimeter te laten de lamp op te warmen. Opgeslagen in de auto-analyser zijn reagensleidingen label ammoniumchloride, kleurreagens en Waterstaat; start de pomp en laat het water door het systeem lopen, controleer alle pomp-buizen lijnen voor een goede functie.
- Zodra het systeem evenwicht, Leidingen in de respectieve reagentia en laten draaien gedurende 5-10 minuten. Schakel de recorder. Wacht tot de basislijn te stabiliseren, en ingesteld op de 10 e
- Bereiding van 100 ug / ml nitraat en nitriet QC Stock Standards uit KNO 3 en nano 2 en DDI water, respectievelijk. Om een 10 ug / ml Intermediate Standard te maken, voeg 5 ml van 100 ug / ml stockoplossing aan 50 ml maatkolf en vul aan met 0,01% KCl. Om Kalibratiestandaarden combineren 0,01% KCl en 10 ug / ml standaardtussenoplossing bereid in 25 ml maatkolven kalibratie-normen (0.05, 0.2, 0.5, 1.0, 1.5, 2 ug / ml NO 3 of NO 2). Gebruik KCl voor methode blanks.
- Bereid spikes behulp 5 g Ottawa zand (inert materiaal) en voeg 0,05 ml van de juiste 1.000 ug / ml QC-standaard voor een eindresultaat van 10 mg N / kg monster. Maak een gecombineerde NO 3 + NO 2 spike door stekelige één monster met 0,025 ml van elk 1.000 ug / ml QC-standaard voorraad. Bereid één monster spike per run door stekelige 5,0 g van het onbekende biochar monster met 0,025 ml van de juiste 1,000 ug / ml QC-standaard voorraad.
- Begin hardlopen analyse. Omvatten een volledige set van kalibratie standaarden, twee QC referentiemonsters, ten minste twee KCl blanks, en ten minste twee Nitriet Standards, een set van Ottawa Zand Spikes en blanks en een monster Spike in elke run.
OPMERKING: Er kunnen normen worden herhaald als markers tussen elke 5 onbekende monsters en de waarden voor de voorbereiding van de standaard curve te controleren. - Herhaal de 2,0 ug / ml standaard aan het einde van elke run. Run duplo met een minimum van 10%. Run Nitriet Nitraat + analyse, gevolgd door de nitriet analyse.
- Record op de Nitriet Nitraat werkblad piekhoogte van alle normen, QC controles en steekproeven. Gebruik het aantal grafiek eenheden zoals het meten van de hoogte. Om de instrumentatie te kalibreren, gebruik maken van de relatieve hoogten van de normen. Zorg ervoor dat de R2 waarde ligt boven de 0.99, indien niet opnieuw uitvoeren van de normen.
- Bereken de concentratie van de monsters met de formuleen:
Extract Concentratie = (piekhoogte - Intercept van de ijklijn / Calibration stooklijn) x Verwatering
Biochar Concentratie = (Extract Concentratie x 50 ml (KCl)) / 5 g Biochar Sample - Aftrekken van de geschatte nitrietconcentratie van het nitraat plus nitriet concentratie nitraat berekenen.
- Extraheerbare Fosfor (2% mierenzuur Extraction)
OPMERKING: De auto-analyser software berekent automatisch concentraties. De software rapporten kalibratie-informatie, goodness of fit van de kalibratiecurve, concentraties voor alle monsters, kalibranten, spaties en QC monsters die zijn uitgevoerd.- Vóór analyse winkel monsters in een schone glazen container of steriele plastic zak. Houd monsters gekoeld en analyseren binnen twee weken of houden bevroren voor maximaal een jaar.
- Maak alle normen en QC-standaard met dezelfde extractie vloeistof die wordt gebruikt voor de monsters. Gebruik Estuariene Sediment als een standaard referentienvu materiaal en in elk bad van monsters omvatten twee blanks te worden geëxtraheerd.
- Met behulp van een 1-L volumetrische gevuld tot 750 ml met DDI water, voeg 20 ml (98-99%), mierenzuur en vul het volume met DDI water.
- Voeg 1,0 g van de grond de lucht-gedroogde monster (deeltjesgrootte <0,15 mm) in een 125 ml erlenmeyer. Voeg 50 ml van 2% mierenzuur oplossing. Plaats de kolven op sonicator gedurende 10 min, vervolgens over naar roterende schudder gedurende 1 uur bij 200 rpm. Na het schudden, filter monsters met behulp van Whatman No. 42 filtreerpapier in een andere set van 125 ml erlenmeyers.
- Bereid Normen en Spikes:
- Bereid een 1.000 ug / ml QC Stock Standaard uit kaliumdiwaterstoforthofosfaat en DDI water. Gebruik de QC De Standard tot Kalibratiestandaarden (5 ug / ml, 1 ug / ml, 0,5 ug / ml, 0,2 ug / ml, 0,1 ug / ml) maken. Gebruik 0,100 ml van de QC-standaard aan de QC Spike maken. Om een QC-standaard controleren, voeg 0,100 ml van de QC Stock Standard om een 50 ml volumetric kolf en maken het tot de streep met KCl.
Opmerking: Dit is een 0,2 ug / ml verdunning concentratie. - Gebruik Estuariene sediment als QC referentiemonster. Gebruik 0,01% KCl als de methode blanco.
- Bereid een 1.000 ug / ml QC Stock Standaard uit kaliumdiwaterstoforthofosfaat en DDI water. Gebruik de QC De Standard tot Kalibratiestandaarden (5 ug / ml, 1 ug / ml, 0,5 ug / ml, 0,2 ug / ml, 0,1 ug / ml) maken. Gebruik 0,100 ml van de QC-standaard aan de QC Spike maken. Om een QC-standaard controleren, voeg 0,100 ml van de QC Stock Standard om een 50 ml volumetric kolf en maken het tot de streep met KCl.
- Analyseer de Autoanalyzer systeem. Instellen monsters als Primer (High Standard (0,5 ug / ml), ijkmiddelen (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), Low Standard (0,1 ug / ml), Low Standard (0,1 ug / ml), Null, QC (Referentie Sample / Estuariene sediment), QC (Referentie Sample / Estuariene sediment), Methode Blanco, Sample 1, steekproef 2, Sample 2 Dup, Monster 3 enz., High Standard, Null.
- In elke batch monsters ook halen twee plano: een is een kalibratie leeg en het is in de standaardlengte van de autosampler worden geplaatst, de andere is een methode leeg en het is in het monsterblad worden geplaatst.
- Specifiek oppervlak
OPMERKING: Analysis voor Brunauer-Emmett-Teller (BET) oppervlak werd uitgevoerd in het Chemisch Biologisch Radio nucleaire (CBRN) Protection Lab aan RMC. De werkwijze gebruikt N2 gas sorptie analyse op 77 K in relatieve drukgebied 0,01-0,10 na ontgassen bij 120 ° C gedurende ten minste 2 uur. Een duplicaat monster werd geanalyseerd voor elke 6 onbekende monsters. Monsters worden fijngemaakt in poedervorm voorafgaand aan analyse.
OPMERKING: ontgassen tijden en drukken zijn specifiek voor fabrikant van het instrument en de meegeleverde methode is eerder gevalideerd met hoge temperatuur actieve kool. - Kationenuitwisselingsvermogen (CEC)
- Volg natriumacetaat werkwijze voor CEC beschreven door Laird en Fleming (2008) CEC berekenen.
- Omvatten een analytische leeg (DDI water), standaard referentiemateriaal (Ottawa Sand) en dupliceren voor elke 10 monsters.
- Bereid verzadigende oplossing (1 M NaOAc pH 8,2) door het oplossen van 136,08 g NaOAc. 3H 2 Oin 750 ml gedestilleerd, gedemineraliseerd water. Stel de pH op 8,2 door toevoeging van azijnzuur of natriumhydroxide. Vul aan tot 1 l met DDI water.
- Bereid eerste spoeloplossing (80% isopropanol (IPA)) Door het combineren van 800 ml IPA met 200 ml gedestilleerd, gedeïoniseerd water. Voor te bereiden dan de tweede spoeling oplossing (100% IPA).
- Bereid de vervangende oplossing (0,1 M NH4Cl) door het oplossen van 5,35 g NH4Cl in 1 L gedestilleerd, gedemineraliseerd water.
- Weeg 0,2 g monster (lucht gedroogd, fijngemaakt) in een 30 ml centrifugebuis. Tegelijkertijd Weeg 0,5 g van dezelfde lucht gedroogde monster in een vooraf gewogen aluminium drogen pan. Het monster wordt in de aluminium pan drogen in de oven op 200 ° C gedurende 2 uur, afkoelen in een exsiccator en weeg opnieuw om het watergehalte van de lucht gedroogde monster. Gebruik dit monster om het watergehalte correctiefactor, F (stap 4.4.1.10) te berekenen.
- Voeg 15 ml van de verzadigende oplossing, vortex, centrifugeer bij 3000xg gedurende 5 minuten. Decanteren en zorgvuldig gooi de supernatant te zorgen dat er geen monster wordt verloren. Herhaal deze stap nog twee keer.
- Voeg 15 ml van de eerste spoeloplossing. Vortex en centrifugeer bij 3000 xg gedurende 5 minuten. De bovendrijvende vloeistof zorgvuldig weggooien. Herhaal deze stap meerdere keren, telkens meten van de elektrische geleidbaarheid van de bovenstaande vloeistof. Wanneer de geleidbaarheid van het supernatant beneden de geleidbaarheid van NaOAc verzadigd met IPA (~ 6 uS / cm), overschakelen naar de tweede spoeloplossing. Blijf het monster te spoelen totdat de geleidbaarheid van het supernatant beneden 1 uS / cm.
- Laat het monster aan de lucht drogen in een zuurkast, voeg dan 15 ml van de vervangende oplossing. Vortex en centrifugeer bij 3000 xg gedurende 5 minuten. Decanteren en sla het supernatant in een 100 ml maatkolf. Herhaal deze stap drie keer, telkens opslaan van de supernatant in dezelfde maatkolf. Breng dan de volumetrische tot 100 ml met gedestilleerd, gedemineraliseerd water.
- Analyseer het natriumgehalte via inductief gekoppelde plasma-atomaire emissiespectrometrie (ICP-AES) zoals eerder beschreven.
- Voer de volgende berekeningen:
F = (gewicht van de oven gedroogd, lucht gedroogde monster - het gewicht van de lucht gedroogd monster)
C = Na concentratie (mg / l) in 100 ml maatkolf
W = gewicht (g) van luchtdroge monster toegevoegd aan centrifugebuis
CEC = (C x 0,435) / (B x F) (Cmol / kg)
- Volg natriumacetaat werkwijze voor CEC beschreven door Laird en Fleming (2008) CEC berekenen.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Een samenvatting van alle resultaten, waaronder een vergelijking van de door de IBI 13 vermelde criteria zijn te vinden in de tabellen 1 (samenvatting), 2 (Nieuw, hoog, laag, Derde Grondstof en High-2 biochars) en 3 (Oude biochar). Alle biochars en grondstoffen gebruikt in 2012 en 2013 (tabel 2) waren ruim binnen de door de IBI criterium en waren er weinig verschillen tussen biochars. Old biochar (tabel 3), de eerste biochar te testen, werd gebruik gemaakt van de scheepvaart pallets en bouwafval en is gehaltes van de metalen arseen, chroom, koper en lood opgeheven te hebben. Oude biochar had ook de laagste niveaus van organische koolstof (63,2%) zoals bepaald door gloeiverlies. Dit biochar had de hoogste niveaus van extraheerbaar fosfor (850 mg / kg) en CEC (34.8 Cmol / kg), en het hoogste percentage fijne deeltjes (<0,5 mm, 48%). Oude biochar was ook de enige biochar aanmislukken van de kieming test (figuur 3) en er werd vastgesteld dat Eisenia fetida (bodem ongewervelde) aanzienlijk vermeden de 2,8% Oude biochar wijziging, terwijl ze de voorkeur aan de 2,8% wijziging van de Nieuwe biochar (figuur 2).
Test Categorie A: Basis Biochar Utility Properties
Biochar productie via pyrolyse in wezen verkoling van biomassa. Het carbonisatieproces maakt de omzetting van gestructureerde organische moleculen van hout en cellulose materiaal in koolstof of koolstofhoudende residuen, die vaak aromatisch van aard 14-18. Carbonisatie wordt verkregen door de verwijdering van water en vluchtige stoffen uit de biomassa, door de werking van warmte tijdens het pyrolyseproces 19. Alle geproduceerd in de commerciële kas biochars bevatten een relatief laag vochtgehalte (<5%) met uitzondering van oudebiochar. Alle biochars worden gecategoriseerd door de IBI als klasse A (> 60%) in termen van de samenstelling van organische koolstof als gevolg van volledige carbonisatie van het basismateriaal via pyrolyse. Aldus door het hoge percentage van organische koolstof, alle biochars produceerde een laag percentage as (<2,5%), hetgeen het anorganische of minerale component van de biochar 13. Hoewel deze lage as biochars geen aanzienlijke hoeveelheden nutriënten direct om de bodem net als hun high-as biochar (vaak gemaakt van mest en botten) tegenhangers; het koolstofgehalte van deze biochars is veel hoger en dus hebben ze een hogere lange nutriëntretentie capaciteiten 20-22.
De waterstof-koolstofverhouding (H: C) is een term die vaak gebruikt om de mate van aromaticiteit en rijping van de biochar, die is verbonden met de stabiliteit op lange termijn in het milieu 18 meten. Voor biomassa met cellulose eennd lignine, H: C-verhouding is ongeveer 1,5. Echter, pyrolyse van deze materialen bij temperaturen hoger dan 400 ° C wordt verwacht biochars H produceren: C ratio <0.5. Vermeld is dat een H: C-verhouding <0,1 geeft een grafiet structuur in de biochar 23. Alle biochars in dit rapport hebben H: C-verhoudingen minder dan 0,02, wat aangeeft dat deze biochars zijn zeer aromatische karakter en brengt stabiliteit op lange termijn in het milieu.
Bodem pH is een maat pH, en nog veel landbouwgronden in Canada en wereldwijd zijn zuur (pH <7), waardoor ze niet geschikt voor de groei van gewassen. Biochars met een alkalische pH (7>), zoals geproduceerd in de kas kunnen worden toegevoegd aan zure bodems om de bodem pH op niveaus die geschikter is voor plantengroei verhogen.
Een andere belangrijke bodem kenmerkend voor de groei van planten is deeltjesgrootteverdeling (PSD). Biochars dat een hoger percentage van grove deeltjes gunstig bodem te verhogen beluchting en voorkomen biochar beweging in de ondergrond tijd, waardoor de tijdsduur biochar biedt voordelen voor plantengroei 24 hebben. Echter, zijn kleinere deeltjesgrootte voorkeur voor biochars die worden geproduceerd voor de sanering doeleinden met de bedoeling om verontreinigingen adsorberen en het minimaliseren van hun biologische beschikbaarheid, als verontreinigingen zijn makkelijker in staat om toegang te krijgen tot porieruimte voor het binden van 3,25, 26. Ook kleinere deeltjes maten neemt toe het aantal biochar deeltjes per volume-eenheid grond, welke gunstig is voor verontreiniging sorptie 27 is. Zoals in een eerdere studie 3 worden fijne deeltjes gedefinieerd als <0,25 mm en grove deeltjes> 0,5 mm. De naam Nieuw-, Hoog- en Derde Grondstof biochars hebben een groot deel van de grove deeltjes (~ 98%), en een klein deel van de fijne deeltjes (~ 2%). De bioklusje geproduceerd op een iets lagere temperatuur, had 89% grof en 11% fijne deeltjes maten. Al deze biochars kunnen aanzienlijke verbeteringen te bodemtextuur en beluchting vooral in gedegradeerde of klei soort bodems bieden. De Oude biochar had een PSD dat wezenlijk verschillen van de anderen, met 52% grof en 48% fijne deeltjes. Een biochar met deze PSD kan de voorkeur voor gebruik op verontreinigde locaties, waar de verontreiniging sorptie is de primaire focus.
Test Categorie B: toxicum Reporting
Biologische testen van biochar is belangrijk voor de toxiciteit (indien aanwezig) van deze materialen bodemongewervelden en planten te evalueren. Tot op heden is er weinig bestaande literatuur over de mogelijke impact van biochar op terrestrische organismen en de bijbehorende respons, en vaak ook de literatuur die bestaat cadeautjes tegenstrijdige resultaten. Blootstelling aan verontreinigingen kunnen regenwormen remmen vermogen om essentiële bodemfuncties zoals decompos voerenvulle, voedingsstoffen mineralisatie, en bodemstructuur verbeteringen 28. Nieuwe biochar toonde geen nadelige effecten op de worm Eisenia fetida zoals beoordeeld door worm vermijding evenwel wormen aanzienlijk vermeden Old biochar (figuur 2). Kieming testen zijn een techniek om de toxiciteit van een bepaald materiaal om planten te evalueren. Potgrond diende als een betere controle dan papieren filter als de papieren filter vaak aangemoedigd schimmelvorming. Pompoen en alfalfa zaden gekiemd goed met 67% ± 12% en 81% ± 6% kiemkracht, respectievelijk. Wortels ook goed verspreid met een gemiddelde lengte na zeven dagen zijn 14 cm ± 0,6 cm en 55 cm ± 8 cm voor respectievelijk pompoenen en alfalfa,. Net als bij de regenworm vermijden studies Oude biochar toonde toxiciteit voor planten en alle andere biochars geëvalueerd toonde geen nadelige effecten op de kieming zaad, zoals gemeten door het percentage kieming en wortel lengte na zeven dagen (Figuur 3
Alhoewel sommige typen biochar hebben het potentieel om organische verontreinigingen sorberen en hun toxiciteit in het milieu wordt zorgvuldige karakterisering van de biochar om ervoor te zorgen dat het niet schadelijke bestanddelen zoals PAK's, PCB's bevat, en metalen als gevolg van verontreinigde voedingen of pyrolyse voorwaarden. Geen van de geproduceerd in de kas biochars had PAK-concentraties boven IBI richtlijnen. Oude biochar werd bepaald verhoogde niveaus van PCB's en de metalen arseen, chroom, koper en lood zijn echter geen van de uit de twee andere biomassamaterialen biochars bevatte metalen boven IBI richtlijnen. Oude biochar geproduceerd uit gebruikte scheepvaart pallets bouwafval die waarschijnlijk de bron van de metalen. Hoewel Oude biochar niet geschikt voor gebruik in landbouwgrond of huistuinen zou kunnen alle andere biochars worden gebruikt voor deze doeleinden.
Test Category C: Biochar Geavanceerde Analyse en Soil Enhancement Properties
Biochars die een hoge concentratie van ammonium en nitraat kan worden toegepast op landbouwgronden aan de eisen voor kunstmest compenseren. Echter, als biochar bevat een overmaat van deze stikstofverbindingen dan toepassing op grote schaal kon de atmosferische N 2 O-concentratie te verhogen en vervuilen drinkwaterbronnen met nitraten. Geen van de onderzochte biochars bevatte verhoogde hoeveelheden ammonium of nitraat.
Fosfor is een essentieel element voor vele fysiologische processen bij goede energiebenutting bij zowel planten als dieren. Biochars met matige hoeveelheden beschikbaar fosfor zal fungeren als belangrijke plant meststoffen. In Ontario, zijn gronden met 15-30 mg / kg fosfor laag beschouwd, 31-60 mg / kg een matige, en 61-100 mg / kg hoog. Oude biochar was het hoogst in de beschikbare fosfor850 mg / kg en is niet geschikt voor het toevoegen aan de bodem reeds als hoog fosfor. Echter, alle andere geteste biochars een veel lagere hoeveelheid beschikbare fosfor en niet te verwachten problemen veroorzaken wanneer toegevoegd met een snelheid tot 10% (w / w).
De componenten van biochar (behalve water) die vrijkomen tijdens pyrolyse worden aangeduid als vluchtige materie. Deze componenten zijn meestal een mix van korte en lange-keten koolwaterstoffen, aromatische koolwaterstoffen met ondergeschikte hoeveelheden zwavel. Vluchtige bestanddelen werd bepaald via naaste analyse die tevens het vocht- en asgehalte van biochars (paragraaf 2.2). De vluchtige bestanddelen de stabiliteit van het materiaal 29 beïnvloedt, N beschikbaarheid en plantengroei 30. Theoretisch biochars hoog vluchtige stoffen zijn minder stabiel en hebben een hoger percentage labiele koolstof die energie levert voor microbiële groei en beperkt de beschikbaarheid van stikstof noodzakelijk voorplantengroei. Een studie door Deenik et al., (2010) beschouwd als 35% vluchtige bestanddelen te hoog (inducerende tekort aan stikstof) zijn, en 10% vluchtige bestanddelen te laag zijn. Alle biochar in dit rapport bevatte minder dan 20% vluchtige bestanddelen en derhalve niet wordt verwacht dat plantengroei beperken. Proximate analyse bepaling van vluchtige bestanddelen is het meest belangrijk voor biochars met lage concentraties as, zoals die geproduceerd in de commerciële kas.
Specifiek oppervlak (SSA) is een maat voor de porositeit van biochar. Het omvat niet alleen de externe biochar oppervlak, maar ook het oppervlak binnen de poriën en is een belangrijke eigenschap gebruikt om het vermogen van een biochar organische verontreinigingen sorberen voorspellen. Verontreinigende sorptie is toegeschreven aan π-π interacties (aantrekkelijk, niet-covalente binding) tussen de aromatische ring (en) van de verontreiniging en van de biochar 31. Actieve kool (AC) is een houtskool-achtige material dat behandeld wordt tijdens de productie tot de porositeit te maximaliseren en heeft daarom een hogere SVR dan de meeste biochars. Hoewel alle van biochars in dit verslag hebben SSA's in het 300 m 2 / g af (dwz minder dan AC; ~ 800 m2 / g), zoals vermeld in Denyes et al, 2012 en 2013, de biochars. , Oud en Nieuw, hebben beide aangetoond aanzienlijk potentieel om te dienen als grondverbeteraar voor de sanering van PCB's.
Kationen uitwisselingscapaciteit (CEC) is een maat voor het aantal kationen (positief geladen ionen) een bodemdeeltje kan voor een bepaalde pH. Het vermogen van de bodem om kationen houden is door elektrostatische interacties met negatief geladen plaatsen op het oppervlak van een deeltje, zoals hydroxyl (OH -) en carboxyl (COO -). Groepen 32, 33 De CEC van de bodem kan worden gekoppeld het vermogen van de bodem om voedingsstoffen houden en behouden kationen van meststoffen die Essentia zijnl voor de groei van planten. Ook veel milieuverontreinigende stoffen zoals lood, cadmium en zink positieve ladingen; Daarom bodems met een hoge CEC kan functioneren om de uitloging van deze verontreinigingen in het drinkwater bronnen. Biochars gemeld aan de CEC van grondsoorten, vanwege de langzame oxydatie van het biochar oppervlak dat het aantal negatief geladen plaatsen verhoogt en daardoor kunnen meststofbehoeften in bodems 32 verminderen en immobiliseren positief geladen verontreinigingen. Kenmerkend zandgrond een CEC tussen 1-5 Cmol / kg, leemgronden 5-15 Cmol / kg, het type kleigronden> 30 Cmol / kg en organische stof 200-400 Cmol / kg. De methoden voor het bepalen van de CEC van biochar staan nog in de kinderschoenen en daarom moet worden beschouwd als in relatieve termen. De CEC van het geproduceerd in de kas biochars hoger zijn dan de CEC van PCB's verontreinigde bodems (Denyes et al., 2012), maar lager dan compost gewijzigd bodems.
ass = "jove_content" fo: keep-together.within-page = "always"> 
Figuur 1. Earthworm vermijden wiel. De wielen zijn gemaakt van staal en de wormen mogen bewegen gedurende de compartimenten via meerdere gaten die ongeveer 5 cm in diameter.
Figuur 2. Earthworm vermijden assay van Oud en Nieuw type biochars. De biochar getiteld "Oude" werd geproduceerd via bouwafval, terwijl de biochar titels "Nieuw" werd geproduceerd van zaagsel materialen. * Geeft een significant verschil tussen ongewijzigd potgrond en potgrond gewijzigd met 2,8% hetzij biochar (p <0,05).
Figuur 3. Percentage kieming van twee verschillende plantensoorten. Pompoen (Cucurbita pepo spp. Pepo) en alfalfa (Medicago sativa) werden gekweekt in drievoud diverse biochars geproduceerd in een commerciële kas gedurende zeven dagen. Oude en Nieuwe verwijzen naar biochars gemaakt van verschillende grondstoffen, terwijl Laag en Hoog verwijzen naar verschillende temperaturen van pyrolyse. * Geeft significant verschil ten opzichte van de controles (potgrond en filter papier).
| Monster | Grondstof | Pyrolysetemperatuur | Organic Matter (LOI) | pH | CEC | PSD | PSD | SSA |
| Grof | Fijn | |||||||
| ° C | % | Cmol / kg | % | % | m 2 / g | |||
| Oud | 1 | > 700 | 63.2 | 9.3 | 34.8 | 51.7 | 48,3 | 373,6 |
| Nieuw | 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 |
| Hoge Temp0; | 2 | > 700 | 97.9 | 8.4 | 11.1 | 98.1 | 1.9 | 419,5 |
| Derde Grondstof | 3 | 700 | 96.2 | 9.6 | 13.2 | 97.6 | 2.4 | 244,4 |
| Hoge Temp-2 | 3 | > 700 | 97,1 | 9.1 | 17.1 | 97.9 | 1.9 | 428 |
| LOI: Gewichtsverlies bij verbranden, CEC: kationenuitwisselingsvermogen, PSD: Particle Size Distribution, SSA: Specifieke Oppervlakte | ||||||||
Tabel 1. Type Grondstof, pyrolysetemperatuur en fysische eigenschappen van de zes biochars.
| Eis | IBI | Biochar | Grondstof Range | Eenheid | |
| Criteria | Reeks | ||||
| Test Categorie A: Basis Biochar Utility Properties - verplicht voor alle Biochars | |||||
| Vocht | Verklaring | <0,1-4,3 | % | ||
| Organische koolstof | 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 | Verhouding | ||
| Totaal Ash | Verklaring | 1,38-2,26 | % | ||
| Totaal N | Verklaring | 0,28-1,06 | % | ||
| pH | Verklaring | 8,4-9,6 | pH | ||
| Deeltjesgrootteverdeling | Verklaring | 86-98 | % Grof | ||
| 1,3-14 | % | ||||
| Fijn | |||||
| Test Categorie B: toxicum Rapportage: verplicht voor alle Feedstocks | |||||
| Ontkieming | Pass / Fail | Pass | |||
| Earthworm Vermijden | Verklaring | Geen Vermijden | |||
| Polycyclische aromatische koolwaterstoffen (PAK's) | 6-20 | <2.0 | mg / kg | ||
| Polychloorbifenylen (PCB's) | 0,2-0,5 | <0.1 | mg / kg | ||
| Arsenicum | 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 | |
| Kobalt | 40-150 | <1.0 | <1.0 | mg / kg | |
| Koperen | 63-1,500 | 3,6-6,5 | <2,0-5,9 | mg / kg | |
| Lead | 70-500 | <2,0-2,7 | <2,0-8,1 | mg / kg | |
| Kwik | 1,000-17,000 | <5,0-294 | ng / g | ||
| Molybdenum | 5-20 | <2.0 | <2.0 | mg / kg | |
| Selenium | 1-36 | <10 | <10 | mg / kg | |
| Zink | 200-7,000 | 5,6-56,2 | 7,8-30,5 | mg / kg | |
| Chloor | Verklaring | mg / kg | |||
| Natrium | Verklaring | 137-878 | <75-770 | mg / kg | |
| Test Categorie C: Biochar Geavanceerde Analyse en Soil Enhancement Properties- Optioneel voor alle Biochars | |||||
| Minerale N (ammonium en nitraat) | Verklaring | <0,2-6,1 | mg / kg | ||
| Totaal Fosfor | Verklaring | 69,5-276 | 52,5-74 | mg / kg | |
| Beschikbaar Fosfor | Verklaring | 9-80 | mg / kg | ||
| Vluchtige bestanddelen | Verklaring | 12,47-19,09 | % | ||
| Specifiek oppervlak | Verklaring | 244-428 | m 2 / g | ||
| Catie Exchange Capacity | Verklaring | 11,1-17,1 | Cmol / kg | ||
Tabel 2. Samenvatting Criteria en Kenmerken voor nieuwe, hoog, laag, Derde en High-2 Biochars en Grondstoffen. Alle in deze tabel biochars worden uit soortgelijke voedingen gelijktijdig pyrolyse faciliteit.
| Eis | IBI | Biochar Range | Grondstof Range | Eenheid |
| Criteria | ||||
| Test Categorie A- Basis Biochar Utility Properties - verplicht voor alle Biochars | ||||
| Vocht | Verklaring 20 | % | ||
| Organische koolstof | Klasse 1> 60% | 63.2 (LOI) | % | |
| Klasse 2> 30% | ||||
| Klasse 3> 10 <30% | ||||
| H: C org | 0,7 max | Verhouding | ||
| Totaal Ash | Verklaring | % | ||
| Totaal N | Verklaring | % | ||
| pH | Verklaring | 9.3 | pH | |
| Deeltjesgrootteverdeling | Verklaring | 52 | % Grof | |
| 48 | % Fine | |||
| Test Categorie B: toxicum Rapportage: verplicht voor alle Feedstocks | ||||
| Ontkieming | Pass / Fail | Mislukken | ||
| Earthworm Vermijden | Verklaring | Vermeden | ||
| Polycyclische aromatische koolwaterstoffen (PAK's) | 6-20 | mg / kg | ||
| Polychloorbifenylen (PCB's) | 0,2-0,5 | 1.2 | mg / kg | |
| Arsenicum | 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 |
| Kobalt | 40-150 | 5.3 <5.0 | mg / kg | |
| Koperen | 63-1,500 | 558 | <5.0 | mg / kg |
| Lead | 70-500 | 314 | <10 | mg / kg |
| Kwik | 1,000-17,000 | <5.0 | ng / g | |
| Molybdenum | 5-20 | <2.0 | <2.0 | mg / kg |
| Selenium | 1-36 | <10 | <10 | mg / kg |
| Zink | 200-7,000 | 498 | <15 | mg / kg |
| Chloor | Verklaring | mg / kg | ||
| Natrium | Verklaring | 6460 | <75 | mg / kg |
| TestCategorie C: Biochar Geavanceerde Analyse en Soil Enhancement Properties- Optioneel voor alle Biochars | ||||
| Minerale N (ammonium en nitraat) | Verklaring | 2.6 | mg / kg | |
| Totaal Fosfor | Verklaring | mg / kg | ||
| Beschikbaar Fosfor | Verklaring | 850 | mg / kg | |
| Vluchtige bestanddelen | Verklaring | % | ||
| Specifiek oppervlak | Verklaring | 373,6 | m 2 / g | |
| Kationenuitwisselingsvermogen | Verklaring | 34.8 | Cmol / kg | |
Tabel 3. Samenvatting Criteria en Kenmerken voor Old Biochar en grondstof. De biochar lijsted in deze tabel is geproduceerd bouwafval op dezelfde pyrolyse inrichting als de in tabel 2 vermelde biochars.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Alle van de in het protocol genoemde methoden zijn zorgvuldig gevalideerd en uitgebreid gebruikt voor bodems. Zoals biochar karakterisering is nog in de kinderschoenen, de effectiviteit van deze methoden voor de koolstofrijke substraat was grotendeels onbekend. Vandaar, hoewel deze methoden zelf zijn niet nieuw, de toepassing ervan op routinematig karakteriseren biochar is. In termen van kwaliteitsborging / kwaliteitscontrole, waren er geen problemen bij een van de methoden met betrekking tot de blanks zijn beneden de detectielimieten of de terugvorderingen zijn correct voor de standaard referentie materialen. Dit geeft aan dat deze methoden geschikt worden gebruikt voor de karakterisering van biochar en andere koolstof-achtige materialen. Veel verschillende methoden zijn gebruikt om biochars karakteriseren de literatuur 20, 34-41 Zoals biochar wordt steeds meer geaccepteerd als bodemadditief zijn routinemethoden vereist.
Kationuitwisselingscapaciteit was de enige method waarin moeilijkheden ontstaan. De berekeningsmethode voor de CEC van een monster is afhankelijk van het gewicht van het monster en de concentratie van natrium in die bepaald gewicht. Biochar heeft een zeer lage dichtheid en dus niet pelletiseren onderin de buis na centrifugatie als bodem doet. Daarom, als decanteren en werp de bovenstaande vloeistof in stap 6 en 7 van de methode (4.4), is het belangrijk om geen van de biochar monster verliezen. Pipetteren de oplossing uit de centrifuge moest een monster verlies te voorkomen.
Andere analytische methodes werden gemakkelijk aangepast van bodem methoden. Ultimate en naaste analyse is specifiek voor biochar en soortgelijke producten zoals kolen, en dus is het niet normaal beschikbaar in laboratoria die routinematig analyseren bodems. Een andere werkwijze (ASTM D1762) is beschikbaar voor de bepaling van het vochtgehalte, vluchtige bestanddelen en as in houtskool bijzonder van hout. Deze werkwijze zou ook ook geschikt zijn voor nabij analyzeis. Bij het bepalen van het gloeiverlies voor percentage organische stof en vocht procent sommige kunnen ervoor kiezen om deze analyses uit te voeren bij temperaturen van meer dan 420 ° C, vooral als de biochars betrokken zijn geproduceerd via hoge temperatuur pyrolyse. Bij dit onderzoek was 420 ° C voldoende om verassen alle biochars, en hoewel niet besproken deze temperatuur was voldoende hoog om zelfs actieve kool as.
Werken met biologische organismen zoals planten en wormen kan vaak uitdagend. Het selecteren van de juiste studie organismen is van bijzonder belang. De bodem ongewervelde Eisenia fetida wordt vaak gebruikt als landorganismen model verontreinigd experimenten omdat deze soort staat te overleven in hoge concentraties van organische verontreinigingen, is zeer goed onderzocht en ecologisch relevant in veel gebieden van de wereld 2, 28, 42 -46. Bodemongewervelden speleneen belangrijke rol in de bodem matrix, omdat ze afgebroken organisch materiaal, cyclus nutriënten en overdracht water. Alfalfa de plantensoort '(M. sativa) en pompoen (C. pepo) werden gekozen voor de kieming testen zoals zij gewoonlijk worden geteeld in Canada en zijn gebruikt in onze gratis werk op verontreiniging sanering 2, 3, 47. Greenhouse voorwaarden voor kiemende zaden moeten zorgvuldig gecontroleerd om de juiste werking van de verlichting waarborgen en extreme temperatuurschommelingen vermijden.
De karakterisering van biochar essentieel is voor het succes ervan gemeten parameters de effectiviteit van verschillende biochars voor verschillende toepassingen geeft (dwz of een biochar geschikt is voor verontreiniging sekwestratie, bodem kwaliteitsverbetering, verontreinigende sanering etc.). Omdat de methoden die hier worden beschreven zijn op grote schaal beschikbaar voor bodemanalyse, ze zijn een kosteneffectieve manier voor characterization van biochars, en moet op grote schaal worden gebruikt voor grootschalige toepassing van biochar in het veld.
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) |
References
- Lehmann, J. A handful of carbon. Nature. 447, 143-144 (2007).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- International. ASTM D3172-13. Standard Practice for Proximate Analysis of Coal and Coke. , (2013).
- International. D3176-09. Standard Practice for Ultimate Analysis of Coal and Coke. , (2013).
- International. D5158-98. Standard Test Method for Determination of Particle Size of Powdered Activated Carbon by Air Jet Sieving. , (2005).
- 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).
- Method 8270D Semivolatile Organic Compounds by GC/MS. , (2007).
- International Biochar Inititive (IBI). Standardized Product Definition and Product Testing Guidelines for Biochar that is Used in Soil IBI-STD-1.1. , (2013).
- Demirbas, A. Biorefineries: Current activities and future developments. Energy Conversion and Management. 50 (11), 2782-2801 (2009).
- Bakker, R. Advanced biofuels from lignocellulosic biomass. The Biobased Economy: 'Biofuels, Materials and Chemicals in the Post-oil Era'. , 165 (2012).
- 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).
- McBeath, A. V., Smernik, R. J. Variation in the degree of aromatic condensation of chars. Org. Geochem. 40 (12), 1161-1168 (2009).
- 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).
- Yaman, S. Pyrolysis of biomass to produce fuels and chemical feedstocks. Energy Conversion and Management. 45, 651-671 (2004).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Zimmerman, A. R. Abiotic and microbial oxidation of laboratory-produced black carbon (biochar). Environ. Sci. Technol. 44 (4), 1295-1301 (2010).
- 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).
- 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).
- Liang, B., et al. Black carbon increases cation exchange capacity in soils. Soil Sci. Soc. Am. J. 70, 1719-1730 (2006).
- 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).
- 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).
- Lee, J. W., et al. Characterization of biochars produced from cornstovers for soil amendment. Environ. Sci. Technol. 44 (20), 7970-7974 (2010).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Wu, W., et al. Chemical characterization of rice straw-derived biochar for soil amendment. Biomass Bioenergy. 47, 268-276 (2012).
- 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).
- 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).
- 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).
- Environment Canada (EC) Biological Test Method: Tests for Toxicity of Contaminated Soil to Earthworms ('andrei', 'Eisenia fetida', or 'Lumbricus terrestris) EPS1/RM/43. , (2007).
- 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).
- 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).
- 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).
