Summary
Biokohle ist ein als Bodenverbesserung mit der Fähigkeit, nachhaltig zu maskieren Kohlenstoff, verbessern Substratqualität und sorb Verunreinigungen verwendet kohlenstoffreichen Materials. Dieses Protokoll beschreibt die 17 Analyseverfahren zur Charakterisierung von Biokohle, die erforderlich ist, bevor Groß Umsetzung dieser Änderungen in der Umwelt verwendet.
Abstract
Die physikalischen und chemischen Eigenschaften von Biokohle variieren je nach Rohstoffquellen und Produktionsbedingungen, die es ermöglichen, Biokohlen mit spezifischen Funktionen (zB Kohlenstoffbindung, die Bodenqualität verbessern, oder Verunreinigung Sorption) konstruieren. Im Jahr 2013 die Internationale Biokohle-Initiative (IBI) öffentlich zugänglich gemacht ihre Standardisierte Produktdefinition und Produktprüfung Richtlinien (Version 1.1), die Standards für die physikalische und chemische Eigenschaften für Biokohle gesetzt. Sechs Biokohlen aus drei verschiedenen Einsatzstoffe und bei zwei Temperaturen vorgenommen wurden über die Merkmale für die Verwendung als Bodenverbesserung untersucht wurden. Das Protokoll beschreibt Analysen der Ausgangsmaterialien und Biokohlen und umfasst: Kationenaustauschkapazität (CEC), spezifische Oberfläche (SSA), organische Kohlenstoff (OC) und Feuchtigkeitsgehalt, pH, Korngrößenverteilung und in der Nähe und die Elementaranalyse. Ebenfalls beschrieben in dem Protokoll sind die Analysen der Einsatzstoffe und biochars für Verunreinigungen, einschließlich polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffe (PAK), polychlorierte Biphenyle (PCBs), Metalle und Quecksilber sowie Nährstoffe (Phosphor, Nitrit und Nitrat und Ammonium als Stickstoff). Das Protokoll enthält auch die biologischen Testverfahren, Regenwurm Vermeidung und Keimung Assays. Auf der Grundlage der Qualitätssicherung / Qualitätskontrolle (QA / QC) Ergebnisse der Leer-, Doppel- Standards und Referenzmaterialien wurden alle Methoden ausreichend für die Verwendung mit Biokohle und Ausgangsmaterialien bestimmt. Alle Biokohlen und Rohstoffe waren auch innerhalb des Kriteriums durch die IBI eingestellt und es gab kleine Unterschiede zwischen Biokohlen, außer im Falle der von Bauschutt Materialien hergestellt Biokohle. Diese Biokohle (als Old Biokohle genannt) war entschlossen, erhöhte Werte von Arsen, Chrom, Kupfer und Blei haben, und scheiterte die Regenwurm Vermeidung und Keimung Assays. Basierend auf diesen Ergebnissen, würde Old Biokohle nicht für den Einsatz als Bodenverbesserung für Kohlenstoff s geeignetequestration, Substrat Qualitätsverbesserungen oder Sanierung.
Introduction
Pflanzenkohle ist ein kohlenstoffreiches Nebenprodukt bei der Pyrolyse von organischem Material 1 hergestellt. Das Interesse, sowohl öffentlich als auch akademisch, in Hinzufügen Biokohle auf Böden, beruht auf seiner Fähigkeit, Bodenqualität und das Pflanzenwachstum 2, 3 zu verbessern, nachhaltig zu maskieren Kohlenstoff 4 und sorb schädlichen Verunreinigungen 2, 3, 5-7 und gleichzeitig bietet Alternativen für die Abfall Management und Energieproduktion durch Pyrolyse.
Biokohlen werden von zahlreichen Unternehmen und Organisationen weltweit über verschiedene Pyrolyse-Systeme produziert. Für Biokohle Produktion verwendeten Materialien umfassen (sind aber nicht beschränkt auf) Hackschnitzel, Viehdung und Bauabfälle 1. Diese Unterschiede dürften physikalischen und chemischen Eigenschaften der Biokohlen "ändern und damit ihre Fähigkeit, Substrate zu verbessern, fördern die Langzeitstabilität und erhöhen Sorption Fähigkeiten. Darüber hinaus während der Pyrolyse der Biokohle may ungewollt mit Metallen, PAK und PCB infolge verunreinigter Rohstoffe oder unangemessene Pyrolysebedingungen kontaminiert. Deshalb wird vor der Biokohle kann in großem Umfang in die Umwelt als Bodenverbesserer eingesetzt werden, eine sorgfältige Charakterisierung der Biokohle für Verunreinigungen, die spezifische Oberfläche, Kationenaustauschkapazität, Regenwurm Vermeidung und Keimen und anderen von der Internationalen Biokohle-Initiative vorgeschlagen (IBI) durchgeführt werden müssen. Im Jahr 2013, das erste standardisierte Produktdefinition und Produktprüfung Richtlinien für die Biokohle, die Standards für Biokohle physikalischen und chemischen Eigenschaften setzt, wurde veröffentlicht und öffentlich zugänglich gemacht.
Forschung hat gezeigt, dass bei einem kommerziellen Gewächshaus in Odessa hergestellt Biokohle gezeigt, ON, Kanada hat die Fähigkeit, das Pflanzenwachstum deutlich zu verbessern in stark degradierten Böden und sorb persistente organische Schadstoffe (POPs) wie PCB 2, 3. Ist diese Biokohle aus drei produziertverschiedene Ausgangsmaterialien (dh organische Materie Quellen) über eine Kesselanlage in dem die erzeugte Wärme wird verwendet, um ihren Ausstoß Betrieb im Winter zu erwärmen.
Diese Studie liefert Charakterisierungsdaten für die Produktion von Biokohle in einem Biomassekessel relevant, und die Verwendung von Biokohle als Bodenverbesserung. Das Ziel dieser Studie ist es, gründlich zu charakterisieren die physikalischen, chemischen und biologischen Eigenschaften von sechs Biokohlen nach den Normen von der IBI in ihrer Standardisierte Produktdefinition und Produktprüfung Richtlinien (Version 1.1) (2013) festgelegt. Diese Eigenschaften verknüpft werden, soweit möglich, auf die Leistung jedes Biokohle als landwirtschaftliche Änderungen und ihre Fähigkeit, Verunreinigungen zu sorbieren.
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Protocol
HINWEIS: Chemische Analysen wurden auf der Analytical Services Unit (ASU) in der School of Environmental Studies an der Queens University (Kingston, Ontario) durchgeführt. Die ASU wird von der kanadischen Gesellschaft für Laboratory Accreditation (CALA) für im Rahmen der Akkreditierung genannten spezifischen Tests akkreditiert. Andere Untersuchungen, einschließlich Gewächshausversuchen wurden an der Royal Military College of Canada (Kingston, Ontario) in der Fakultät für Chemie und Chemieingenieurwesen durchgeführt.
1. Allgemeine Überlegungen
- Zur Qualitätssicherung und Qualitätskontrolle zu gewährleisten, analysieren eine analytische leer und eine analytische Duplikat, eine Probe Duplikat und ein Standard-Referenzmaterial mit jedem Probensatz (maximal Losgröße 10) für die Methoden in dem Protokoll.
- Stellen Doppelproben, wenn Unter Probenahme aus der ursprünglichen Probe und gehen durch die gleiche Vorbereitung wie die unbekannten Proben. Stellen Sie sicher, dass doppelte Werte sind innerhalb von 20% des jeweilsandere oder die Analyse zu wiederholen. Sicherzustellen, dass die Analyse die Ergebnisse der Rohlinge unter den Nachweisgrenzen für die entsprechenden Verfahren. Standard-Referenzmaterial Grenzen hing von der einzelnen Verfahren, aber dafür sorgen, dass sie in der Regel innerhalb von 15-30% der erwarteten Wert.
HINWEIS: In vielen der im Protokoll beschriebenen Methoden werden Informationen über die vorgeschlagene Reihenfolge der Probenanalyse einschließlich Eich, Rohlinge, hohe und niedrige Standards und unbekannten Proben enthalten. Dies ist keine Kreuzkontamination zwischen den Proben zu gewährleisten und den hohen Standard zu QA / QC.
HINWEIS: Sechs Biokohlen wurden bei einem kommerziellen Gewächshaus hergestellt und zur chemischen, physikalischen und biologischen Parametern analysiert. Die Namen der einzelnen Pflanzenkohle beziehen sich auf deren Produktionsparameter oder Rohstoffquelle (Tabelle 1).
2. Testkategorie A: Grund Biochar Dienstprogramm Immobilien
- Feuchtigkeit und organischer Substanz
- Verwenden Sie den Glühverlust Verfahrenvon Nelson und Sommers (1996) ausgekleidet.
- Fügen Sie eine Probe Duplikat und Standardreferenzmaterial (Ottawa Sand) für alle 10 unbekannten Proben.
- Beschriftung 50-ml-Becher mit hitzebeständigem Marker, Backofen trocknen bei 105 ° C, damit sie dann abkühlen Gewicht aufzunehmen.
- Wiegen Sie 2 g luftgetrocknete Probe in den Ofen getrocknet Becher. Trockene Probe bei 105 ° C für 24 Stunden und dann aus dem Ofen nehmen und abkühlen lassen.
- Nach dem Abkühlen wiegen Becherglas und Probe (X = Gewicht der getrockneten Probe - Gewicht der Becher).
- Die Probe wird im Muffelofen und Wärme für 16 Stunden Abdeckung bei 420 ° C. Entfernen der Probe aus dem Ofen und lässt abkühlen. Wiegen Sie das Becherglas mit der Probe wieder und das Gewicht (Y = Gewicht veraschte Probe - Gewicht der Becher).
- Führen Sie die folgenden Berechnungen:
i) Glühverlust = XY
ii)% Feuchtigkeit = ((Probengewicht - X) / Probengewicht) x 100%
iii)% Organic Matter = (Glühverlust / X) x 100%
- Verwenden Sie den Glühverlust Verfahrenvon Nelson und Sommers (1996) ausgekleidet.
- Nähe und Elementaranalyse
HINWEIS: in der Nähe / Elementaranalyse wurden vier Proben analysiert: Niedrig, Hoch, Standard und hohe Treibstoff 2. PAH-Analyse wurde auf Low, High und Standard Kraftstoffdurchgeführt. Diese wurden als Vertreter der seit 2012 produzierten Biokohlen ausgewählt.- Führen Proximate und Ultimate-Analysen bei einer kommerziellen Anlage auf Basis von Methoden: ASTM D3172-13 und D3176-09 8, Standard Praxis für Proximate und Ultimate 9 Analyse von Kohle und Koks sind.
- pH
- Kalibrieren Sie den pH-Sonde täglich vor dem Gebrauch mit Kalibrierungsstandards.
- Hinzufügen 0,25 g Biokohle zu 25 ml destilliertem, deionisiertem Wasser.
- Hand schütteln 2 Minuten, dann zentrifugieren 3.000 xg für 5 min.
- Sammeln Stand in Reagenzglas und messen pH.
- Partikelgrößenverteilung
- Analysieren Sie alle Proben in triplicate über progressive Trockensiebung von ASTM D5158-98 10 angepasst unter Verwendung von sieben US-Standard Siebe und Pfanne (4,7, 2,0, 1,0, 0,50, 0,25, 0,15 und 0,0075 mm)
- Das Gewicht der einzelnen leere Sieb und stapeln Sie die Siebe, um aus der Pfanne auf 4,7 mm mit dem 4,7-mm-Sieb, an der Spitze.
- Zeigen 60 g von Biokohle in der 4,7-mm-Sieb, setzen Sie den Deckel auf und befestigen Sie die Siebstapel auf dem Schüttler.
- Schütteln für 10 Minuten und nehmen Sie das Gewicht jedes Sieb. Melden die Daten in einer Excel-Datei als in jedem Sieb verbleibenden Prozent.
- Analysieren Sie alle Proben in triplicate über progressive Trockensiebung von ASTM D5158-98 10 angepasst unter Verwendung von sieben US-Standard Siebe und Pfanne (4,7, 2,0, 1,0, 0,50, 0,25, 0,15 und 0,0075 mm)
3. Test Kategorie B: Giftstoff Berichterstattung
- Keimung Tests
- Verwenden Sie die Keimung der Samen Prüfverfahren durch Solaiman et al beschrieben. (2012) 11.
- Verwenden Sie Filterpapier und Blumenerde als positive Kontrollen.
- Stellen Sie sicher, dass die jeweiligen Gewichtungen der einzelnen Behandlung ist 3 g von Biokohle, 10 g Blumenerde, und 1 Stück filter Papier.
HINWEIS: Diese Werte basieren auf Volumen in der Petrischale auf der Basis, so dass jedes Gericht ist ~ 50% voll (nach Volumen). - In die Petrischalen (8,5 cm Durchmesser), legen Sie fünf Cucurbita pepo spp. Pepo (Kürbis) Samen und 50 Medicago sativa (Luzerne) Samen in jeder Behandlung.
- Mit einem Messzylinder 15 ml Wasser für alle Petrischalen, dann decken Sie sie mit ihren Deckeln.
- Legen Sie die Petrischalen für die Keimung unter 14.10 h (Tag: Nacht) Fluoreszenzphotoperiode und Haltetemperatur bei 27 ° C (± 6 ° C).
- Nach sieben Tagen notieren Sie die Anzahl der Samen gekeimt. Bericht Ergebnisse in% zum Keimen pro Petrischale. Messen Sie die Wurzellänge von gekeimten Samen mit einem Lineal. Bericht Wurzellängen als eine Summe für jeden Petrischale (cm / Petrischale).
- Verwenden Sie die Keimung der Samen Prüfverfahren durch Solaiman et al beschrieben. (2012) 11.
- Earthworm Vermeidung
- Bewahren Kompostwurm in einer gesunden Bodenmatrix aus Torfmoos und Vergießen zusammenBoden und halten die Bodenfeuchte zu ~ 30%.
- Verwenden Regenwurm von Li et al Vermeidungsverfahren. (2011). Wählen Würmer Bereich von 0,3 bis 0,6 g in der Größe.
- Für diesen Test verwenden sechs Vermeidung Räder (Abbildung 1) oder eine ähnliche Struktur wie in Umwelt Kanadas Akute Vermeidung Test (Environment Canada, 2004) beschrieben.
- Mix Biokohlen separat mit einem Spaten und Eimer mit Blumenerde mit einer Rate von 2,8% (nach Gewicht).
- Füllen Sie jede der sechs Fächer mit 120 g Boden oder Boden / Biokohle Mischung, mit jedem anderen Fach als unverändert Kontrolle diente (Abbildung 1), dh Boden ohne Biokohle. In 10 Würmer in die Runde mittleren Fach.
- Setzen die Würmer für 48 Stunden halten die Vermeidung Rad mit Aluminiumfolie abgedeckt, um Wurm Flucht zu verhindern. Pflegen Temperaturbedingungen für die Vermeidung Räder zwischen 20-25 ° C. Überwachen Sie die Bodenfeuchte und halten bei ~ 30%. Nach 48 Stunden entfernen Sie die Würmer und erfassen ihre Position in der Vermeidung Rad, das heißt, wenn sie in der i) geändert oder ii) unverändert Fächern. Würmer für zukünftige Tests nicht wiederverwenden.
- Polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAK)
- Analysieren PAHs durch Lösungsmittelextraktion und GC-MS basierend auf EPA 8270 12.
- Polychlorierte Biphenyle (PCB) Konzentration
- Trockenproben (10 g) über Nacht bei 25 ° C für 18-24 h, dann schleifen sie zu einem feinen Pulver (Korngröße <0,15 mm) mit 10 g Natriumsulfat und 10 g Ottawa-Sand.
- Fügen Sie eine Analyse leer (Ottawa-Sand), eine Kontrolle (eine bekannte Menge an PCB-Standards) und eine analytische Duplikatprobe für alle 10 unbekannten Proben.
- Platz 2 g Probe in Soxhlethülse und fügen Sie 100 ul Decachlorbiphenyl (DCBP) als interner Standard Surrogat.
- Extraktproben in einer Soxhlet-Apparatur 4 h bei 4-6 Zyklen pro Stunde in 250 ml Dichlormethan.
- Verwendung eines Gaschromatographen, der mit einem Mikroprozessor 63 Ni Elektroneneinfangdetektor (GC / μECD) ausgestattet ist, eine Quarzglas-Kapillarsäule (30 m, 0,25 mm ID × 0,25 & mgr; m Filmdicke) und eine geeignete Software zu analysieren biochar Extrakte zur Gesamt Aroclors. Verwenden von Helium als Trägergas bei einer Fließgeschwindigkeit von 1,6 ml / min. Verwenden von Stickstoff als Zusatzgas zum Elektroneneinfangdetektor (ECD). Bericht Werte als ug / g Trockengewicht.
- Metallanalyse
- Lufttrockenen Proben für 18-24 h und schleifen zu einem feinen Pulver (Korngröße <0,15 mm) mit einem Mörser und Stößel.
- Verwendung Reagenzqualität konzentrierte Säuren, Wärme 0,5 g der Probe in 2 ml 70% (w / w) Salpetersäure und 6 ml 38% (w / w) Salzsäure, bis das Volumen 1-2 ml verringert. Dann Make-up der Lösung auf 25 ml in einem Messkolben mit destilliertem, entionisiertem Wasser, durch ein Whatman No. 40-Filter gefiltert paper.
- Mit einem gleichzeitigen induktiv gekoppelte Plasma-Atomemissionsspektrometer (ICP-AES) mit den folgenden Normen / Kontrollen analysieren Proben (siehe Schritt 3.5.3.1). Analysieren Sie Multi-Element-ICP Standards und überprüfen% Fehler und Korrelationskoeffizienten der Eichkurven. Standards werden in kundenspezifischen Mischungen mit vielen Elementen in jedem Standard gekauft. Jedes Element hat einen 3-Punkt-Kalibrierungskurve (zB Cadmium auf 0, 0,1, 1,0 und 5 ppm laufen). Stellen Sie sicher, Kurven mit Überprüfung der Kalibrierung Standards. Kalibrieren Sie etwa alle 18 Proben.
- In internen Standards (Indium und Scandium) "on line" mit Proben Instrument Stabilität zu überprüfen. Analysieren Sie die Proben mit zusätzlichen Qualitätskontrolle einschließlich zertifizierte Referenzmaterialien (Bush, Zweige und Blätter, Weißkohl und Spinat), Verfahren Rohlinge (Säuren in den leeren Aufschlussglas und behandeln sie wie in 3.5.2 beschrieben), analytische Duplikate und Feldduplikate.
- Merkur
- Stellen Sie sicher, die Instrumentierung die Kriterien in der US-EPA-Methode 7473 beschrieben und ermöglicht die direkte Quecksilbermessung
- 100 mg der Boden an der Luft getrocknet Biokohle (Korngröße <0,15 mm) in Quarz oder Nickel wiegen Boote.
- Verwenden einer ICP-AES-Stammlösung von 1000 ug / ml Hg und 5% iger Salzsäure in Doppel entionisiertem Wasser (DDI) zur Arbeitsstamm machen (5 ug / ml, 1 ug / ml, 0,1 ug / ml, 0,01 ug / ml) und Kalibrierungsstandards.
- Verwenden Sie eine leere Boot gereinigt als Methode leer. Analysieren Sie die Proben mit einer Methode leer, Low QC (20 ng Hg - 20 ul 1 ug / ml Hg), Blank, Hohe QC (200 ng Hg - 40 ul 1 ug / ml Hg), blank, blank, Standard-Referenz Material (MESS-3), Blank, MESS-3, Blank, Probe 1, Blank, Probe 2, Blank, Probe 2 dup, Blank, Probe 3, Blank etc.
- Legen Sie die Boote in der Instrumentenkammer, wo die Probe wird in einem thermisch zersetzen continuschiedenen Zufuhr von Sauerstoff.
HINWEIS: Die Verbrennungsprodukte werden dann von der Sauerstoffstrom mitgerissen werden und dann in einem heißen Katalysator Bett zerlegt. Quecksilberdämpfe wird auf einem Gold amalgamator Rohr eingefangen werden und anschließend für spektrophotometrische Quantifizierung bei 254 nm desorbiert.
4. Test Kategorie C: Biokohle Erweiterte Analyse und Bodenverbesserung Eigenschaften
- Ammonium als Stickstoff
HINWEIS: Das Verfahren nutzt die Berthelot-Reaktion, wobei Ammoniumsalze in der Lösung mit Phenolat reagieren. Zugabe von Natriumhypochlorit bewirkt die Bildung eines grün gefärbten Verbindung. Natriumnitroprussid wird zugegeben, um die Farbe zu verstärken.- Man wiegt 5 g gemahlenem luftgetrockneten Probe (Korngröße <0,15 mm) in einen 125-ml-Erlenmeyerkolben. 50 ml 2 M (0,01% (V / V) KCl. Setzen Sie die Flaschen auf einem rotierenden Schüttler für 1 Stunde bei 200 Umdrehungen pro Minute. Nach dem Schütteln abgeschlossen ist, filtern Sie die Proben durch Whatman No. 42 Filterpapier in 100-ml-plastic Fläschchen.
- Bereiten Reagenzlösungen:
- Alkaline Phenol - Maßnahme 87 ml verflüssigtes Phenol in 1-L-Mess gefüllt 2/3 mit DDI Wasser. Fügen Sie 34 g NaOH, bis zur Marke mit Wasser DDI.
- Hypochlorit-Lösung - mit 100-ml-Messzylinder Maßnahme 31,5 ml handelsübliche Bleiche (5-10%) und füllen auf 100 ml mit Wasser DDI. Transfer zur Flasche und fügen Sie 1,0 g NaOH-Plätzchen und es ihnen ermöglichen, sich aufzulösen.
- EDTA-Lösung - lösen sich 32 g Di-Natrium-EDTA und 0,4 g NaOH in einem 1-L-Mess gefüllt 2/3 mit DDI Wasser. Hinzufügen 0,18 g Nitroprussid und lösen durch Schütteln. Bis zur Marke mit DDI Wasser und 3 ml Triton (10%).
- Make-Kalibrierstandards (0,1, 0,2, 0,3, 0,5, 1,0 und 2,0 ug / ml N-Konzentration) mit Reagenzqualität NH 4 Cl und DDI Wasser. Bereiten QC Referenzstandard aus einem Reagens-Qualität Quelle von Ammoniumchlorid anders als die verwendet werden, um die Standards zu machen Quelle.Verwenden Sie doppelte VE-Wasser, wie die Lücken.
- Beginnen der Ausführung des Autoanalyzer. Gestalten Sie jeden Lauf mit der High Standard (2,0 ug / ml N) x 2, Kalibrierungsstandards (absteigend) Methode Blank, High Standard, Low Standard (0,1 ug / ml N) x 2, Waschwasser, QC Referenz starten Beispiel x 2, Proben, Proben Duplikat und High Standard. und Waschwasser.
HINWEIS: Der Autoanalyzer Software berechnet automatisch Konzentrationen im Extrakt. - Berechnen Sie die Biokohle Konzentration = (Auszug Konzentration x 50 ml (KCl)) / 5 g Biochar Sample.
- KCl extrahierbare Nitrit und Nitrat durch Autoanalyzer
HINWEIS: Der Griess Ilosvay kolorimetrischen Verfahren nutzt die Reaktion von Nitrit-Ionen mit Sulfanilamid unter sauren Bedingungen, um eine Diazoverbindung bilden. Die Verbindung weiter reagiert mit N-1-Naphthylethylendiamin Dihydrochlorid, einen Magenta-Azofarbstoff. Nitrat in der Probe wird zu Nitrit durch Einwirkung eines Reduktionsmittels umgewandelt(In diesem Fall eine Kupfer-Cadmium Reduktions Spalte). Dies ergibt ein Maß für die Nitrat + Nitrit-Konzentration in der Probe.- Man wiegt 5 g gemahlenem luftgetrockneten Probe (Korngröße <0,15 mm) in 125-ml-Erlenmeyerkolben. Dann werden 50 ml 2 M (0,01% (V / V)) KCl. Setze die Kolben auf einem Rotationsschüttler für 1 Stunde bei 200 UpM. Nach dem Schütteln abgeschlossen ist, filtern Sie die Proben durch Whatman No. 42 Filterpapier in 100-ml-Kunststoffröhrchen.
- Alle Reagenzien (Ammoniumchlorid und Farbreagenz) auf Raumtemperatur erwärmen.
- Schalten Sie Kolorimeter zu lassen, die Lampe aufwärmen. In der Auto Analysator Reagenzleitungen Ammoniumchlorid, Farbreagenz und Wasser bezeichnet gespeichert sind; Starten Sie die Pumpe und lassen Sie das Wasser durch das System laufen, überprüfen Sie alle Pumpe-Schlauchleitungen auf Funktion prüfen.
- Sobald das System ins Gleichgewicht gebracht, statt Linien in den entsprechenden Reagenzien und lassen Sie es 5-10 Minuten laufen. Schalten Sie den Schreiber. Warten Sie, bis der Basislinie bis zu stabilisieren und dem 10. gesetzt
- Bereiten 100 ug / ml Nitrat und Nitrit QC Auf Standards von KNO 3 und NaNO 2 und DDI Wasser auf. Um eine 10 ug / ml Mittelklasse Standard zu machen, mit 5 ml 100 ug / ml-Stammlösung zu 50-ml-Messkolben und füllt das Volumen mit 0,01% KCl. Um Kalibrierungsstandards kombinieren 0,01% KCl und 10 ug / ml Zwischen Standard in 25-ml-Messkolben bereit, Kalibrierungsstandards zu machen (0,05, 0,2, 0,5, 1,0, 1,5, 2 ug / ml NO 3 oder NO 2). Verwenden KCl für Verfahren Rohlinge.
- Bereiten Spitzen unter Verwendung von 5 g Ottawa-Sand (Inertmaterial) und füge 0,05 ml des entsprechenden 1,000 ug / ml QC-Standard für ein Ergebnis von 10 mg N / kg Probe. Machen Sie eine kombinierte NO 3 + NO 2 Spike durch Aufstocken einer einzelnen Probe mit 0,025 ml von jeweils 1.000 ug / ml QC-Standard Lager. Bereiten Sie eine Probe Spike pro Lauf durch Aufstocken 5,0 g des unbekannten Biokohle Probe mit 0,025 ml des entsprechenden 1,000 ug / ml QC-Standard Lager.
- Beginnen Laufanalyse. Fügen Sie eine ganze Reihe von Kalibrierungsstandards, zwei QC Referenzproben, die mindestens zwei Rohlinge KCl, und mindestens zwei Nitrit Standards, eine Reihe von Ottawa Sand Spikes und Leerproben und Proben Spike in jedem Lauf.
HINWEIS: Standards als Marker zwischen jeweils fünf unbekannten Proben wiederholt werden, und um die Werte für die Erstellung der Standardkurve zu überprüfen. - Wiederholen Sie die 2,0 ug / ml-Standard am Ende jedes Durchlaufs. Führen Sie zwei Proben mit einer Mindestrate von 10%. Run Nitrit + Nitrat Analyse erstens durch die Nitrit-Analyse.
- Nehmen Sie an den Nitrit Nitrat Arbeitsblatt Peakhöhen aller Normen, QC Kontrollen und Proben. Verwenden Sie die Anzahl der Planeinheiten wie die Messung der Höhe. Um die Instrumente zu kalibrieren, benutzen Sie die relativen Höhen der Standards. Stellen Sie sicher, dass die R 2 Wert über 0,99, wenn nicht erneut ausführen, die Standards.
- Berechnen der Konzentration der Proben unter Verwendung des formula:
Auszug Konzentration = (Peak-Höhe - Intercept der Kalibrierungskurve / Kalibrierungskurve Slope) x Verdünnungs
Biochar Konzentration = (Auszug Konzentration x 50 ml (KCl)) / 5 g Biochar Proben - Ziehen Sie die geschätzte Nitrit-Konzentration aus dem Nitrat und Nitrit-Konzentration zu Nitrat zu berechnen.
- Ausziehbare Phosphor (2% Ameisensäure Extraction)
HINWEIS: Die Auto-Analyzer-Software berechnet automatisch Konzentrationen. Die Software Berichte Kalibrierungsinformationen, die Güte der Anpassung der Standardkurve, Konzentrationen für alle Proben, Kalibrierstandards, Leerproben und QC-Proben, die ausgeführt wurden.- Vor der Analyse Lagerung von Proben in einem sauberen Glasbehälter oder sterile Plastikbeutel. Halten Sie Proben im Kühlschrank aufbewahren und innerhalb von zwei Wochen zu analysieren oder zu halten gefrorenen für bis zu einem Jahr.
- Nehmen Sie alle Normen und Qualitätskontrollstandard mit der gleichen Extraktionsflüssigkeit, die für die Proben verwendet wird. Verwenden Estuarine Sediment als Standard referenz Material und in jedem Bad von Proben beinhalten zwei Rohlinge entnommen werden.
- Mit einem 1-L-Mess auf 750 ml mit DDI Wasser gefüllt ist, 20 ml (98-99%) Ameisensäure und füllen Sie das Volumen mit DDI Wasser.
- Hinzufügen von 1,0 g der Grundluft-getrocknete Probe (Korngröße <0,15 mm) in einen 125-ml-Erlenmeyerkolben. 50 ml 2% iger Ameisensäure-Lösung. Setzen Sie die Flaschen auf Ultraschallgerät für 10 Minuten, dann auf rotierenden Schüttler übertragen für 1 Stunde bei 200 Umdrehungen pro Minute. Nach dem Schütteln Filterproben unter Verwendung von Whatman No. 42 Filterpapier in einem anderen Satz von 125-ml-Erlenmeyerkolben.
- Vorbereitung von Standardlösungen und Spikes:
- Bereiten Sie eine 1000 ug / ml QC Auf Standard ab Kaliumdihydrogenorthophosphat und DDI Wasser. Verwenden Sie die QC Lager Standard, um die Kalibrierungsstandards (5 ug / ml, 1 ug / ml, 0,5 ug / ml, 0,2 g / ml, 0,1 ug / ml) zu machen. 0,100 ml der Standard-QC, um die QC-Spike zu machen. Um eine Standard-QC prüfen, fügen 0,100 ml der QC Auf Standard in einen 50 ml volumetric Flasche und machen es bis zur Marke mit KCl.
HINWEIS: Dies ist eine 0,2 ug / ml Verdünnungskonzentration. - Verwenden Estuarine Sediment als QC Referenzprobe. Verwenden Sie 0,01% KCl als die Methode leer.
- Bereiten Sie eine 1000 ug / ml QC Auf Standard ab Kaliumdihydrogenorthophosphat und DDI Wasser. Verwenden Sie die QC Lager Standard, um die Kalibrierungsstandards (5 ug / ml, 1 ug / ml, 0,5 ug / ml, 0,2 g / ml, 0,1 ug / ml) zu machen. 0,100 ml der Standard-QC, um die QC-Spike zu machen. Um eine Standard-QC prüfen, fügen 0,100 ml der QC Auf Standard in einen 50 ml volumetric Flasche und machen es bis zur Marke mit KCl.
- Analysieren Sie auf dem Autoanalyzer-System. Set Proben als Primer (High Standard (0,5 ug / ml), Eich (5 ug / ml, 1 ug / ml, 0,5 ug / ml, 0,2 g / 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 (Referenz Sample / Estuarine Sediment), QC (Referenz Sample / Estuarine Sediment), Method Blank, Probe 1, Probe 2, Probe 2 Dup, Probe 3 usw., High Standard, Null.
- In jedem Probensatz auch extrahieren zwei Rohlinge: Die eine ist eine Kalibrierung freien Raum und in der Standard-Rack des Probengeber platziert werden es, die andere ist eine Methode, freien Raum und in der Probenteller platziert werden es.
- Spezifische Oberfläche
HINWEIS: Analysis für die Brunauer-Emmett-Teller (BET) Oberfläche wurde in der chemischen, biologischen nuklearen (CBRN) Schutz Lab an RMC durchgeführt. Das Verfahren nutzt N 2 Gassorptions Analyse bei 77 K in einem relativen Druckbereich von 0,01 bis 0,10 nach dem Entgasen bei 120 ° C für mindestens 2 Stunden. Ein Duplikat Probe für alle 6 unbekannte Proben analysiert. Die Proben werden nicht in Pulverform vor der Analyse zu erden.
HINWEIS: Die Entgasung Zeiten und Drücke sind spezifisch für Gerätehersteller und die vorgesehenen Verfahren wurde bereits mit Hochtemperatur-Aktivkohlen validiert. - Kationenaustauschkapazität (CEC)
- Folgen Sie dem Natriumacetat Verfahren für von Laird und Fleming (2008) beschrieben CEC CEC berechnen.
- Fügen Sie eine Analyse leer (DDI Wasser), Standard-Referenzmaterial (Ottawa Sand) und doppelte für alle 10 Proben.
- Bereiten Sättigen Lösung (1 M NaOAc, pH 8,2) durch Auflösen von 136,08 g NaOAc. 3H 2 Oin 750 ml destilliertem, deionisiertem Wasser. Den pH-Wert auf 8,2 durch Zugabe von Essigsäure oder Natriumhydroxid. Verdünnen auf 1 L mit DDI Wasser.
- Vorbereitung erster Spüllösung (80% Isopropanol (IPA)), indem die 800 ml IPA 200 ml destilliertes, deionisiertes Wasser. Dann bereiten die zweite Spüllösung (100% IPA).
- Bereiten Sie die Ersatz-Lösung (0,1 M NH 4 Cl) durch Auflösen von 5,35 g NH & sub4; Cl in 1 l destilliertem, deionisiertem Wasser.
- Wiegen 0,2 g Probe (Luft getrocknet, auch gemahlen) in ein 30-ml-Zentrifugenröhrchen. Gleichzeitig, wiegen 0,5 g des gleichen Luft getrocknete Probe in einen vorgewogenen Aluminiumtrockenpfanne. Die Probe wird in der Aluminiumtrockenschale im Ofen bei 200 ° C für 2 Stunden, kühlen sie in einem Exsikkator und dann wiegen erneut, um den Wassergehalt der Luft getrocknet Probe zu bestimmen. Verwenden Sie dieses Beispiel, um den Wassergehalt Korrekturfaktor F (Schritt 4.4.1.10) zu berechnen.
- 15 ml der Sättigungslösung, Wirbel, dann bei 3.000 Zentrifugeg für 5 min. Dekantieren Sie vorsichtig den Überstand verwerfen, um sicherzustellen, keine Probe verloren. Wiederholen Sie diesen Schritt noch zweimal.
- 15 ml der ersten Spüllösung. Vortexen und Zentrifugieren bei 3.000 × g für 5 min. Dekantieren Sie vorsichtig den Überstand verwerfen. Wiederholen dieser Schritt mehrere Male, jedes Mal Messen der elektrischen Leitfähigkeit der überstehenden Lösung. Wenn die Leitfähigkeit des Überstandes unter die Leitfähigkeit NaOAc mit IPA (~ 6 & mgr; S / cm) gesättigt ist, auf das zweite Spüllösung wechseln. Weiter, um die Probe zu spülen, bis die Leitfähigkeit des Überstands unter 1 & mgr; S / cm.
- Lassen Sie die Probe an der Luft trocknen in einem Abzug, dann fügen Sie 15 ml der Lösung zu ersetzen. Vortexen und Zentrifugieren bei 3.000 × g für 5 min. Dekantieren und speichern Sie den Überstand in ein 100-ml-Messkolben. Wiederholen Sie diesen Vorgang drei Mal, jedes Mal die Rettung der Überstand in der gleichen Messkolben. Dann bringen Sie den Volumen auf 100 ml mit destilliertem entionisiertem water.
- Analysieren der Natriumgehalt über induktiv gekoppelte Plasma-Atomemissionsspektrometrie (ICP-AES), wie zuvor beschrieben.
- Führen Sie die folgenden Berechnungen:
F = (Gewicht des ofengetrocknet, luftgetrocknet Probe - Gewicht der Luft getrockneten Probe)
C = Na-Konzentration (mg / l) in der 100-ml-Meßkolben
W = Gewicht (g) des lufttrockenen Probe an Zentrifugenröhrchen gegeben
CEC = (C x 0,435) / (B x F) (cmol / kg)
- Folgen Sie dem Natriumacetat Verfahren für von Laird und Fleming (2008) beschrieben CEC CEC berechnen.
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Representative Results
Eine Zusammenfassung der Ergebnisse auch im Vergleich zu den von der IBI 13 festgelegten Kriterien können in den Tabellen 1 (Zusammenfassung), 2 (Neue, High, Low, Third Feedstock und Hoch 2 Biokohlen) und 3 (Alt Biokohle) gefunden werden. Alle Biokohlen und Rohstoffe in 2012 und 2013 (Tabelle 2) verwendet wurden, waren auch im Kriterium der IBI eingestellt und es gab kleine Unterschiede zwischen Biokohlen. Alt Biokohle (Tabelle 3), der erste zur Prüfung vorge Biokohle wurde aus gebrauchten Transportpaletten und Bauabfälle gemacht und war entschlossen, Ebenen des Metalle Arsen, Chrom, Kupfer und Blei erhöht haben. Alt Biokohle hatte auch die niedrigsten Niveaus an organischem Kohlenstoff (63,2%), wie Glühverlust bestimmt. Diese Biokohle hatte das höchste Maß an extrahierbaren Phosphor (850 mg / kg) und CEC (34,8 cmol / kg), aber auch den höchsten Anteil an feinen Partikeln (<0,5 mm, 48%). Alt Biokohle war auch der einzige Biokohle zunicht die Keimtest (Abbildung 3), und es wurde festgestellt, dass Kompostwurm (Bodenwirbellosen) deutlich vermieden die 2,8% Old Biokohle Änderung, während sie die 2,8% Änderung des New Biokohle bevorzugt (Abbildung 2).
Test Kategorie A: Grund Biochar Gebrauchseigenschaften
Biokohle Produktion durch Pyrolyse ist im Wesentlichen die Karbonisierung von Biomasse. Die Carbonisierung Verfahren ermöglicht die Umwandlung der strukturierten organischen Molekülen von Holz und Cellulosematerialien in Kohlenstoff oder kohlenstoffhaltigen Rückstände, die oftmals aromatischer Natur 14-18. Carbonisierung wird durch die Eliminierung von Wasser und flüchtigen Substanzen aus dem Biomasse-Einsatzmaterial erhalten wird, aufgrund der Wirkung der Wärme, die während des Pyrolyseprozesses 19. Alle der in der kommerziellen Gewächshaus produziert Biokohlen enthalten einen relativ niedrigen Feuchtigkeitsgehalt (<5%), mit Ausnahme von OldBiokohle. Alle Biokohlen werden vom IBI als Klasse A (> 60%) in ihrer Zusammensetzung von organischem Kohlenstoff als Ergebnis der vollständigen Carbonisierung des Ausgangsmaterials durch Pyrolyse kategorisiert. Somit aufgrund der hohen Anteil an organischem Kohlenstoff, die hergestellten Biokohlen einen geringen Prozentsatz an Asche (<2,5%), welche das anorganische oder mineralische Komponente der Pflanzenkohle 13 ist. Obwohl diese niedrigen Asche Biokohlen nicht direkt liefern wesentliche Mengen an Nährstoffen auf den Boden ebenso wie ihre High-Asche Biokohle (oft von Dünger und Knochen) Kollegen; der Kohlenstoffgehalt dieser Biokohlen ist viel höher und deshalb langfristig höhere Nährstoffretention Fähigkeiten 20-22 haben.
Der Wasserstoff-Kohlenstoff-Verhältnis (H: C) ist ein Begriff, der häufig verwendet, um den Grad an Aromatizität und Reifung des Pflanzenkohle, die ihre Langzeitstabilität in der Umgebung 18 in Verbindung gebracht wurde gemessen. Für Biomasse-Rohstoffe, die Zellulose einnd Lignin, die H: C-Verhältnisse sind etwa 1,5. Jedoch wird die Pyrolyse dieser Materialien bei Temperaturen von mehr als 400 ° C zu erwarten Biokohlen mit H herzustellen: C-Verhältnisse <0,5. Es wurde berichtet, daß ein H: C-Verhältnis <0,1 zeigt eine graphitähnliche Struktur in der Pflanzenkohle 23. Alle Biokohlen in diesem Bericht haben H: C-Verhältnisse kleiner als 0,02, was darauf hinweist, dass diese Biokohlen sind hocharomatischer Natur und langfristige Stabilität in der Umwelt haben.
Boden-pH ist ein Maß für Bodensäure, und leider viele landwirtschaftlich genutzten Böden in Kanada und weltweit sind sauer (pH <7), das heißt, sie sind nicht ideal für das Pflanzenwachstum. Biokohlen mit einem alkalischen pH-Wert (7>), wie jene, die im Gewächshaus erzeugt wird, kann auf sauren Böden zugegeben werden, um den Boden-pH auf Werte, die mehr für das Pflanzenwachstum geeignet sind, zu erhöhen.
Ein weiteres wichtiges Merkmal Boden für das Pflanzenwachstum ist Teilchengrößenverteilung (PSD). Biokohlen, die einen höheren Anteil an Grobpartikeln kann vorteilhafter erhöhen Bodenbelüftung und verhindern biochar Bewegung in den Untergrund mit der Zeit, wodurch sich die Länge der Zeit biochar bietet Vorteile für das Pflanzenwachstum 24 haben. Allerdings sind kleinere Partikelgrößen für Biokohlen, die für Sanierungszwecke mit der Absicht, die produziert werden, um Verunreinigungen zu sorbieren und deren Bioverfügbarkeit zu minimieren, als Verunreinigungen sind leichter in der Lage, Porenraum für die Bindung 3,25, 26 zugreifen begünstigt. Auch kleinere Teilchengrößen steigt die Anzahl der biochar Teilchen pro Volumeneinheit Boden, welche günstig für die Verunreinigung Sorption 27 ist. Wie in einer früheren Studie 3 sind feine Teilchen wie jene <0,25 mm und Grobpartikeln> 0,5 mm definiert. Die genannten Neu-, High- und dritte Rohstoff Biokohlen haben einen hohen Anteil an groben Teilchen (~ 98%) und einen geringen Anteil an feinen Teilchen (~ 2%). Die Bio-char bei einer etwas niedrigeren Temperatur hergestellt hatte 89% grobe und 11% feiner Partikel Größen. Alle diese Biokohlen können wesentliche Verbesserungen zu Bodentextur und Belüftung vor allem in abgebaut oder Ton Art Böden bieten. The Old Biokohle hatte eine PSD, die wesentlich von den anderen unterschied, mit 52% grobe und 48% feiner Partikel. Ein Biokohle mit diesem PSD kann vorteilhaft sein für den Einsatz bei kontaminierten Standorten, wo Schadstoff Sorption ist der primäre Fokus.
Test Kategorie B: Giftstoff Berichterstattung
Die biologische Prüfung von Biokohle ist wichtig, um die Toxizität (falls vorhanden) dieser Materialien zu Wirbellosen im Boden und Pflanzen zu beurteilen. Bisher gibt es kaum vorhandenen Literatur über die möglichen Auswirkungen von Biokohle auf terrestrische Organismen und die dazugehörigen Antwort, und oft auch die Literatur, die nicht existiert Geschenke widersprüchliche Ergebnisse. Die Exposition gegenüber Verunreinigungen können die Regenwürmer hemmen Fähigkeit, wesentliche Bodenfunktionen wie decompos führenition, Nährstoffmineralisation und die Bodenstruktur verbessert 28. New Biokohle zeigte keine nachteiligen Auswirkungen auf die Regenwurmkompostwurm wie Regenwurm Vermeidung beurteilt jedoch Würmer deutlich vermieden Old Biokohle (Abbildung 2). Keimung Assays sind eine Technik verwendet, um die Toxizität eines speziellen Materials auf Pflanzen zu bewerten. Blumenerde diente als eine bessere Kontrolle über Filterpapier, wie das Filterpapier oft ermutigt Schimmelbildung. Kürbis und Luzerne Samen zum Keimen gebracht und mit 67% ± 12% und 81% ± 6% der Keimung auf. Roots auch gut mit einer durchschnittlichen Länge nach sieben Tagen bei 14 cm ± 0,6 cm und 55 cm ± 8 cm für Kürbisse und Luzerne, jeweils vermehrt. Wie bei den Regenwurm Vermeidung Studien Old Biokohle zeigte Toxizität für Pflanzen und alle anderen Biokohlen ausgewertet zeigte keine nachteiligen Effekte auf die Keimung Samen wie Prozent Keimung und Wurzellänge nach sieben Tagen (Abbildung 3 gemessen
Obwohl einige Arten von Pflanzenkohle haben das Potential, um organische Verunreinigungen zu sorbieren, wobei die Toxizität in die Umwelt zu reduzieren, wird eine sorgfältige Charakterisierung der Pflanzenkohle erforderlich, um sicherzustellen, dass es keine schädlichen Verunreinigungen wie PAK, PCB enthält, und Metalle als Ergebnis der verunreinigten Ausgangsmaterialien oder Pyrolysebedingungen. Keine der im Gewächshaus erzeugt Biokohlen hatte PAK-Konzentrationen von mehr als IBI-Richtlinien. Old biochar wurde bestimmt, erhöhte Niveaus von PCB und der Metalle Arsen, Chrom, Kupfer und Blei aufweisen, jedoch keine der von den beiden anderen Biomassematerialien hergestellt Biokohlen enthaltenen Metalle über IBI-Richtlinien. Alt Biokohle aus verwendet Transportpaletten und Bauabfälle, die wahrscheinlich die Quelle der Metallverunreinigungen produziert. Obwohl Old Biokohle nicht geeignet für den Einsatz in landwirtschaftlichen Böden oder Hausgärten, könnten alle anderen Biokohlen für diese Zwecke verwendet werden.
Test Categorie C: Biokohle Erweiterte Analyse und Bodenverbesserung Eigenschaften
Biokohlen enthaltend eine hohe Konzentration von Ammonium und Nitrat kann auf die landwirtschaftlichen Böden aufgebracht werden, um die Anforderungen für Kunstdünger versetzt. Allerdings, wenn die Pflanzenkohle in großem Umfang einen Überschuß dieser Stickstoffverbindungen dann Anwendung könnte die atmosphärische N 2 O-Konzentration zu erhöhen und verunreinigen Trinkwasserquellen mit Nitraten. Keine der untersuchten Biokohlen enthalten erhöhte Mengen an Ammonium- oder Nitrat.
Phosphor ist ein wesentlicher Bestandteil für viele physiologische Prozesse, um die ordnungsgemäße Energienutzung in Pflanzen und Tieren zusammen. Biokohlen mit moderaten Mengen an verfügbarem Phosphor als wichtiger Pflanzendünger handeln. In Ontario, sind Böden mit 15-30 mg / kg Phosphor als gering, 31 bis 60 mg / kg moderat, und 61 bis 100 mg / kg hoch. Alt Biokohle höchsten verfügbaren Phosphor warbei 850 mg / kg und eignet sich daher nicht für die Aufnahme in Böden bereits so hoch in Phosphor klassifiziert sein. Aber auch alle anderen Biokohlen getestet hatte eine viel geringere Menge an verfügbarem Phosphor und würden, keine Probleme verursachen, wenn sie bei Raten von bis zu 10% (w / w) ist.
Die Komponenten des Pflanzenkohle (außer Wasser), die während der Pyrolyse freigesetzt werden, werden als flüchtige Stoffe bezeichnet. Diese Komponenten sind typischerweise eine Mischung aus kurzen und langkettige Kohlenwasserstoffe, aromatische Kohlenwasserstoffe mit geringen Mengen an Schwefel. Flüchtige Bestandteile wurden über nahe Analyse, die bestimmt auch die Flüssigkeits- und Aschegehalt von Biokohlen (Abschnitt 2.2) bestimmt. Der Gehalt an flüchtigen Bestandteilen, die Stabilität des Materials 29 wirkt, N Verfügbarkeit und Pflanzenwachstums 30. Theoretisch Biokohlen hoch flüchtigen Bestandteilen weniger stabil sind und einen höheren Anteil von labilen Kohlenstoff, deren Leistung für das mikrobielle Wachstum und begrenzt die Verfügbarkeit von Stickstoff notwendige fürPflanzenwachstum. Eine Studie von Deenik et al., (2010) als 35% an flüchtigen Bestandteilen hoch (Induktion Stickstoffmangel) zu sein, und 10% an flüchtigen Bestandteilen gering zu sein. Alle Biokohle in diesem Bericht enthaltenen weniger als 20% an flüchtigen Bestandteilen und daher nicht zu erwarten, um das Pflanzenwachstum zu begrenzen. Nahe Analyse Bestimmung von flüchtigen Bestandteilen ist für Biokohlen mit niedrigen Aschekonzentrationen, wie sie in der kommerziellen Gewächshaus produziert wichtigsten.
Spezifische Oberfläche (SSA) ist ein Maß für die Porosität eines Pflanzenkohle. Es enthält nicht nur das externe biochar Oberfläche, sondern auch den Oberflächenbereich innerhalb der Porenräume und ist eine wichtige Eigenschaft, die die Fähigkeit einer Pflanzenkohle, um organische Verunreinigungen zu sorbieren zusagen. Verunreinigungs Sorption wurde π-π-Wechselwirkungen (attraktiv, nicht-kovalente Bindung) zwischen dem aromatischen Ring (en) der Verunreinigung und die des biochar 31 zurückgeführt. Aktivkohle (AC) ist ein Holzkohle-ähnliche Matteerial, die während seiner Herstellung behandelt wird, um seine Porosität zu maximieren und somit eine höhere SSAs als die meisten Biokohlen. Obwohl alle von Biokohlen in diesem Bericht haben SSA in der 300 m 2 / g-Bereich (also viel geringer als die von AC; ~ 800 m 2 / g), wie in Denyes et al, 2012 und 2013 ausgewiesen, die Biokohlen. , Altes und Neues, haben sowohl gezeigt erhebliches Potenzial, um als Bodenverbesserung für die Sanierung von PCB zu dienen.
Kationenaustauschkapazität (CEC) ist ein Maß für die Zahl der Kationen (positiv geladene Ionen), dass ein Bodenpartikel fähig ist, bei einem gegebenen pH-Wert. Die Fähigkeit des Bodens, um Kationen zu halten ist aufgrund elektrostatischer Wechselwirkungen mit negativ geladenen Stellen auf der Oberfläche eines Teilchens, wie Hydroxyl (OH -) und Carboxyl (COO -). Gruppen 32, 33 die CEC des Bodens verbunden sein können auf die Fähigkeit des Bodens, Nährstoffe aus Düngemitteln, die essentia sind zu halten und zu binden Kationenl für das Pflanzenwachstum. Viele Umweltschadstoffe, wie Blei, Cadmium und Zink positive Ladungen; daher Böden mit hohem CEC kann dazu dienen, das Auslaugen dieser Verunreinigungen in Trinkwasserquellen zu verhindern. Biokohlen wurde berichtet, daß die CEC der Böden zu erhöhen, aufgrund der langsamen Oxidation der biochar Oberfläche, die die Anzahl der negativ geladenen Stellen erhöht, und daher kann Düngerbedarfs in den Böden 32 zu reduzieren und zu immobilisieren positiv geladenen Verunreinigungen. Typischerweise haben sandigen Böden ein CEC zwischen 1-5 cmol / kg, Lehmböden 5-15 cmol / kg, Ton Art Böden> 30 cmol / kg und organische Stoffe 200-400 cmol / kg. Die Methoden zur Bestimmung der CEC von Biokohle stecken noch in den Kinderschuhen steckt und sollte daher in relativen Zahlen betrachtet werden. Das CEC der im Gewächshaus erzeugt Biokohlen höher sind als der CEC von PCB-kontaminierten Böden aber (Denyes et al., 2012), niedriger als Kompost geändert Böden.
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Abbildung 1. Regenwurm Vermeidung Rad. Die Räder sind aus Stahl hergestellt und die Würmer dürfen über mehrere Löcher, die etwa 5 cm im Durchmesser sind, um in den Abteilen zu bewegen.
Abbildung 2. Earthworm Vermeidung Test der alten und neuen Art Biokohlen. Die Biokohle mit dem Titel "Alt" wurde über Bauabfälle, während die im Biokohle Titel "Neu" aus Spanmaterialien hergestellt. * Zeigt einen signifikanten Unterschied zwischen unverändert Blumenerde und Blumenerde geändert mit 2,8% der entweder Biokohle (p <0,05).
Abbildung 3. Prozentuale Keimung von zwei verschiedenen Pflanzenarten. Kürbis (Cucurbita pepo spp. Pepo) und Luzerne (Medicago sativa) wurden dreifach in verschiedenen Biokohlen in einem kommerziellen Gewächshaus für sieben Tage produziert gewachsen. Altes und Neues finden Sie Biokohlen aus verschiedenen Rohstoffen hergestellt, während Low und High beziehen sich auf verschiedene Temperaturen von Pyrolyse. * Zeigt deutlich Unterschied zu den Kontrollen (Blumenerde und Filterpapier).
| Beispiel | Feedstock- | Pyrolysetemperatur | Organische Substanzen (LOI) | pH | CEC | PSD | PSD | SSA |
| Grob | Geldbuße | |||||||
| ° C | % | cmol / kg | % | % | m 2 / g | |||
| Alt | 1 | > 700 | 63,2 | 9.3 | 34,8 | 51,7 | 48,3 | 373,6 |
| Neu | 2 | 700 | 97,8 | 9 | 16 | 98,7 | 1.3 | 324,6 |
| Tiefstwerte | 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 |
| Drittens Feedstock | 3 | 700 | 96,2 | 9.6 | 13.2 | 97,6 | 2.4 | 244,4 |
| Hochtemperatur-2 | 3 | > 700 | 97,1 | 9.1 | 17.1 | 97,9 | 1.9 | 428 |
| LOI: Glühverlust, CEC: Kationenaustauschkapazität, PSD: Partikelgrößenverteilung, SSA: Spezifische Oberfläche | ||||||||
Tabelle 1 Ausgangsmaterial-Typ, Pyrolysetemperatur und physikalischen Eigenschaften der sechs Biokohlen.
| Anforderung | IBI | Biochar | Feedstock-Bereich | Einheit | |
| Kriterien | Angebot | ||||
| Test Kategorie A: Grund Biochar Gebrauchseigenschaften - für alle Biokohlen Erforderlich | |||||
| Feuchtigkeit | Erklärung | <0,1-4,3 | % | ||
| Organic Carbon | 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 | Verhältnis | ||
| Insgesamt Ash | Erklärung | 1,38-2,26 | % | ||
| Gesamt N | Erklärung | 0,28-1,06 | % | ||
| pH | Erklärung | 8,4-9,6 | pH | ||
| Partikelgrößenverteilung | Erklärung | 86-98 | % Grober | ||
| 1,3-14 | % | ||||
| Geldbuße | |||||
| Test Kategorie B: Giftstoff Reporting- Erforderlich für alle Einsatzstoffe | |||||
| Keimung | Gut / Schlecht- | Pass | |||
| Earthworm Vermeidung | Erklärung | Kein Vermeidung | |||
| Polycyclische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAK) | 6-20 | <2,0 | mg / kg | ||
| Polychlorierte Biphenyle (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 | |
| Chrom | 64-1,200 | <2,0 | <2,0-2,6 | mg / kg | |
| Kobalt | 40-150 | <1,0 | <1,0 | mg / kg | |
| Kupfer | 63-1,500 | 3,6-6,5 | <2,0-5,9 | mg / kg | |
| Blei | 70-500 | <2,0-2,7 | <2,0-8,1 | mg / kg | |
| Merkur | 1,000-17,000 | <5,0 bis 294 | ng / g | ||
| Molybdän | 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 | |
| Chlor | Erklärung | mg / kg | |||
| Natrium | Erklärung | 137-878 | <75-770 | mg / kg | |
| Test Kategorie C: Biokohle Erweiterte Analyse und Bodenverbesserung Eigenschaften- Optional für alle Biokohlen | |||||
| Mineral N (Ammonium und Nitrat) | Erklärung | <0,2-6,1 | mg / kg | ||
| Gesamtphosphor | Erklärung | 69,5-276 | 52,5-74 | mg / kg | |
| Erhältlich Phosphor | Erklärung | 9-80 | mg / kg | ||
| Volatile Matter | Erklärung | 12,47-19,09 | % | ||
| Spezifische Oberfläche | Erklärung | 244-428 | m 2 / g | ||
| Kation Exchange Kapazität | Erklärung | 11,1-17,1 | cmol / kg | ||
Tabelle 2. Zusammenfassung Kriterien und Eigenschaften für neue, hoch, niedrig, Dritten und Hoch 2 Biokohlen und Feedstocks. Alle in dieser Tabelle aufgeführten Biokohlen aus ähnlichen Ausgangsmaterialien gleichzeitig Pyrolyseanlage hergestellt.
| Anforderung | IBI | Biochar Bereich | Feedstock-Bereich | Einheit |
| Kriterien | ||||
| Test Kategorie A- Grund Biochar Gebrauchseigenschaften - für alle Biokohlen Erforderlich | ||||
| Feuchtigkeit | Erklärung 20 | % | ||
| Organic Carbon | Klasse 1> 60% | 63,2 (LOI) | % | |
| Klasse 2> 30% | ||||
| Klasse 3> 10 <30% | ||||
| H: C org | 0,7 max | Verhältnis | ||
| Insgesamt Ash | Erklärung | % | ||
| Gesamt N | Erklärung | % | ||
| pH | Erklärung | 9.3 | pH | |
| Partikelgrößenverteilung | Erklärung | 52 | % Grober | |
| 48 | % Fein | |||
| Test Kategorie B: Giftstoff Reporting- Erforderlich für alle Einsatzstoffe | ||||
| Keimung | Gut / Schlecht- | Scheitern | ||
| Earthworm Vermeidung | Erklärung | Vermieden | ||
| Polycyclische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAK) | 6-20 | mg / kg | ||
| Polychlorierte Biphenyle (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 |
| Chrom | 64-1,200 | 206 | <20 | mg / kg |
| Kobalt | 40-150 | 5.3 <5,0 | mg / kg | |
| Kupfer | 63-1,500 | 558 | <5,0 | mg / kg |
| Blei | 70-500 | 314 | <10 | mg / kg |
| Merkur | 1,000-17,000 | <5,0 | ng / g | |
| Molybdän | 5-20 | <2,0 | <2,0 | mg / kg |
| Selen | 1-36 | <10 | <10 | mg / kg |
| Zink | 200-7,000 | 498 | <15 | mg / kg |
| Chlor | Erklärung | mg / kg | ||
| Natrium | Erklärung | 6460 | <75 | mg / kg |
| TestKategorie C: Biokohle Erweiterte Analyse und Bodenverbesserung Eigenschaften- Optional für alle Biokohlen | ||||
| Mineral N (Ammonium und Nitrat) | Erklärung | 2.6 | mg / kg | |
| Gesamtphosphor | Erklärung | mg / kg | ||
| Erhältlich Phosphor | Erklärung | 850 | mg / kg | |
| Volatile Matter | Erklärung | % | ||
| Spezifische Oberfläche | Erklärung | 373,6 | m 2 / g | |
| Kationenaustauschkapazität | Erklärung | 34,8 | cmol / kg | |
Tabelle 3. Zusammenfassung Kriterien und Merkmale für Old Biochar und Feedstock. Die Biokohle Listeed in dieser Tabelle wurde aus Bauschutt gleichzeitig Pyrolyseanlage wie die in Tabelle 2 aufgeführten Biokohlen hergestellt.
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Discussion
Alle der in dem Protokoll angegebenen Verfahren wurden sorgfältig geprüft und extensiv für Böden verwendet. Da Biochar Charakterisierung steckt noch in den Kinderschuhen, die Wirksamkeit dieser Methoden für die kohlenstoffreiche Substrat war weitgehend unbekannt. Daher, obwohl diese Methoden selbst sind nicht neu, ist ihre Anwendung auf routinemäßig charakterisieren Biokohle. In Bezug auf die Qualitätssicherung / Qualitätskontrolle, gab es keine Probleme unter eines der Verfahren in Bezug auf die freien Räume unterhalb der Nachweisgrenze oder die Rückforderungen Richtigkeit für die Standard-Referenzmaterialien. Dies zeigt, dass diese Verfahren geeignet sind, für die Charakterisierung von Pflanzenkohle und andere kohleartige Materialien verwendet werden. Es wurden viele verschiedene Verfahren verwendet werden, um Biokohlen in der Literatur 20, 34 bis 41 jedoch zu charakterisieren, als Biokohle wird zunehmend als Bodenhilfsstoff akzeptiert werden Routineverfahren erforderlich.
Kationenaustauschkapazität war die einzige method, in der Schwierigkeit ergab. Das Verfahren zur Berechnung des CEC einer Probe hängt von dem Gewicht der Probe und der Konzentration an Natrium in dem gegebenen Gewicht. Pflanzenkohle hat eine sehr geringe Dichte und daher nicht am Boden des Röhrchens nach der Zentrifugation pelletieren, als Boden tut. Wenn daher Dekantieren und Verwerfen des Überstandes in den Schritten 6 und 7 des Verfahrens (4.4), ist es wichtig, nicht zu verlieren einem der biochar Probe. Pipettieren der Lösung aus der Zentrifuge erforderlich war, um jede Probenverlust zu vermeiden.
Andere Analyseverfahren wurden einfach aus dem Boden Methoden angepasst. Ultimate und nahe Analyse ist spezifisch für Biokohle und ähnliche Produkte wie Kohle, und ist daher in der Regel nicht in den Labors die routinemäßig analysieren Böden erhältlich. Eine weitere Methode (ASTM D1762) verfügbar ist, zur Bestimmung der Feuchte, flüchtigen Bestandteilen, und Asche in Kohle insbesondere aus Holz. Diese Methode wäre auch auch für nahe Analytik geeignetist. Bei der Bestimmung Glühverlust für Prozent organischem Material und prozentuale Feuchtigkeit manche kann entscheiden, diese Analysen bei Temperaturen von mehr als 420 auszuführen ° C, insbesondere wenn die Biokohlen betreffende über sehr hohe Temperaturen von Pyrolyse. Im Fall war diese besondere Studie 420 ° C ausreichend, um alle Biokohlen vollständig zu Asche, und wenn auch nicht diskutiert diese Temperatur ausreichend hoch, um auch Aktivkohle Asche war.
Arbeiten mit biologischen Organismen wie Pflanzen und Würmer oft eine Herausforderung sein. Eine entsprechende Studie Organismen ist von besonderer Bedeutung. Der Boden wirbellose Kompostwurm wird häufig als terrestrische Organismen Modell Kontamination Experimente, weil diese Art überlebensfähig bei hohen Konzentrationen an organischen Verunreinigungen verwendet wird, ist sehr gut erforscht, und ist in vielen Regionen der Erde 2, 28, 42 ökologisch relevanten -46. Wirbellosen im Boden spieleneine wichtige Rolle in der Bodenmatrix, da sie organische Stoffe, Zyklus Nährstoffen und Transferwasser verschlechtern. Die Pflanzenarten 'Alfalfa (M. sativa) und Kürbis (C. pepo) wurden für die Keimung Assays gewählt, wie sie üblicherweise in Kanada aufgewachsen und haben in unserem kostenlosen Arbeit an Schadstoffsanierung 2, 3, 47 verwendet. Die Gewächshausbedingungen für keimenden Samen müssen sorgfältig überwacht werden, um einwandfreie Funktion der Beleuchtung zu gewährleisten und extreme Temperaturschwankungen vermeiden.
Die Charakterisierung von Biokohle ist wesentlich für ihre erfolgreiche Anwendung als Messparameter wird die Wirksamkeit der verschiedenen Biokohlen für verschiedene Anwendungen anzuzeigen (dh ob ein Biokohle zur Schadstoffbindung, die Bodenqualität verbessert, Schadstoffsanierung usw. geeignet ist). Da die hier dargelegten Verfahren sind für die Bodenanalyse weithin verfügbar, sie sind ein kostengünstiges Mittel zum characterizatIon Biokohlen und sollte breite Anwendung vor der großtechnischen Anwendung von Biokohle auf dem Gebiet werden.
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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
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