Waiting
Login processing...

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

Environment

Fisica, chimica e caratterizzazione biologica di Six Biochars Prodotti per il risanamento dei siti contaminati

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

Summary

Biochar è un materiale ricco di carbonio usato come ammendante con la capacità di sequestrare carbonio sostenibile, migliorare la qualità del substrato e contaminanti sorbo. Questo protocollo descrive i 17 metodi analitici utilizzati per la caratterizzazione di biochar, che è necessario prima implementazione su larga scala di queste modifiche nell'ambiente.

Abstract

Le proprietà fisiche e chimiche del biochar variano in base a fonti di materie prime e le condizioni di produzione, rendendo possibile ingegnere biochars con funzioni specifiche (ad esempio di sequestro del carbonio, il miglioramento della qualità del suolo, o di assorbimento contaminante). Nel 2013, il Biochar Iniziativa internazionale (IBI) reso pubblicamente disponibile il loro standardizzata Definizione di prodotto e linee guida di prova dei prodotti (versione 1.1), che stabilisce norme per le caratteristiche fisiche e chimiche di biochar. Sei biochars ottenuti da tre diverse materie prime ed a due temperature sono stati analizzati per caratteristiche relative al loro uso come ammendante. Il protocollo descrive analisi delle materie prime e biochars e comprende: capacità di scambio cationico (CEC), superficie specifica (SSA), carbonio organico (OC) e la percentuale di umidità, pH, distribuzione granulometrica, e analisi prossima e definitiva. Anche descritti nel protocollo sono le analisi delle materie prime e biochars per i contaminanti, tra cui gli idrocarburi policiclici aromatici (IPA), policlorobifenili (PCB), metalli e il mercurio e nutrienti (fosforo, nitriti e nitrati e ammonio come azoto). Il protocollo include anche le procedure di test biologici, evitamento lombrico e saggi di germinazione. Sulla base del controllo di garanzia / controllo qualità (QA / QC) risultati degli spazi, duplicati, standard e materiali di riferimento, tutti i metodi sono stati determinati adeguati per l'uso con biochar e delle materie prime materiali. Tutti biochars e materie prime sono ampiamente sotto il criterio fissato dal IBI e c'erano piccole differenze tra biochars, tranne nel caso del biochar prodotto con materiali di rifiuti edili. Questo biochar (denominata Old biochar) era determinato ad avere livelli elevati di arsenico, cromo, rame, piombo e, fallito e il lombrico evitamento e germinazione saggi. Sulla base di questi risultati, Old biochar non sarebbe appropriato per l'utilizzo come ammendante per il carbonio sequestration, il miglioramento della qualità del substrato o bonifica.

Introduction

Biochar è un sottoprodotto ricco di carbonio prodotta durante la pirolisi di materia organica 1. Interesse, sia in pubblico che accademico, in aggiunta biochar al suolo, deriva dalla sua capacità di migliorare la qualità del suolo e la crescita delle piante 2, 3, sostenibile sequestrare il carbonio 4, e sorbo agenti inquinanti nocivi 2, 3, 5-7 offrendo contemporaneamente alternative per i rifiuti gestione e produzione di energia da pirolisi.

Biochars vengono prodotti da numerose aziende e organizzazioni di tutto il mondo con diversi sistemi di pirolisi. I materiali utilizzati per la produzione di biochar includono (ma non sono limitati a) cippato, deiezioni animali e rifiuti di costruzione 1. Queste differenze si prevede di modificare le proprietà fisiche e chimiche dei biochars 'e quindi la loro capacità di migliorare substrati, promuovere la stabilità a lungo termine e aumentare la capacità di assorbimento. Inoltre, durante il processo di pirolisi della ma biochary diventano involontariamente contaminati con metalli, IPA e PCB a seguito di materie prime contaminate o condizioni inadeguate di pirolisi. Pertanto, prima di biochar può essere applicata su larga scala per l'ambiente come una modifica del terreno, attenta caratterizzazione del biochar per i contaminanti, superficie specifica, capacità di scambio cationico, evitamento lombrico e la germinazione e altri proposti dall'iniziativa internazionale Biochar (IBI) deve essere condotta. Nel 2013, la prima Standardized definizione del prodotto e prodotto linee guida di prova per Biochar, che stabilisce gli standard per le caratteristiche fisiche e chimiche biochar, è stato pubblicato e reso pubblicamente disponibile.

La ricerca ha dimostrato che il biochar prodotto in una serra commerciale a Odessa, ON, Canada ha la capacità di migliorare in modo significativo la crescita delle piante in terreni intensamente degradati e sorbe inquinanti organici persistenti (POP), come i PCB 2, 3. Questo biochar è stato prodotto da trediverse materie prime (ad esempio fonti di materia organica) attraverso una caldaia in cui il calore generato viene utilizzato per riscaldare il loro funzionamento a effetto serra durante i mesi invernali.

Questo studio fornisce dati di caratterizzazione pertinenti alla produzione di biochar in una caldaia a biomassa, e l'utilizzo di biochar come ammendante. L'obiettivo di questo studio è quello di caratterizzare a fondo le caratteristiche biologiche delle sei biochars secondo le norme stabilite dalla IBI nel loro Standardized Definizione del prodotto e linee guida test di prodotto (versione 1.1) (2013) fisico, chimico e. Queste caratteristiche saranno collegati, ove possibile, alla performance di ciascun biochar come emendamenti agricoli e la loro capacità di sorbo contaminanti.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

NOTA: Analisi chimiche sono state condotte presso l'Unità Servizi Analitica (ASU) presso la Scuola di Studi Ambientali all'università della regina (Kingston, ON). L'ASU è accreditata dall'Associazione canadese per l'Accreditamento di Laboratori (CALA) per le prove specifiche elencate nell'ambito dell'accreditamento. Altre analisi, tra cui prove di serra, sono stati condotti presso il Royal Military College of Canada (Kingston, ON) presso il Dipartimento di Chimica e Ingegneria Chimica.

1. Considerazioni generali

  1. Per assicurare la garanzia della qualità e controllo di qualità, analizzare un vuoto di analisi e un duplicato di analisi, un duplicato campione e un materiale di riferimento standard ogni lotto di campioni (dimensione massima lotto 10) per i metodi del protocollo.
  2. Stabilire campioni duplicati quando sub-campionamento dal campione originale e passare attraverso la stessa preparazione dei campioni sconosciuti. Assicurarsi che i valori duplicati sono entro il 20% di ognialtra o ripetere l'analisi. Assicurarsi che i risultati di analisi degli spazi vuoti sono al di sotto dei limiti di rilevazione per il metodo corrispondente. Limiti materiali di riferimento standard dipendevano metodo individuale, ma garantire che essi sono generalmente entro 15-30% del valore atteso.
    NOTA: In molti dei metodi descritti nel protocollo, i dettagli sono inclusi nell'ordine suggerito di analisi dei campioni compresi calibratori, spazi, standard alti e bassi, ed i campioni. Questo per garantire l'assenza di contaminazione incrociata tra i campioni e garantire un elevato livello di QA / QC.
    NOTA: sei biochars sono stati prodotti in una serra commerciale e analizzati per i parametri biologici chimici, fisici e. I nomi di ogni biochar riflettono i loro parametri di produzione o fonte di materie prime (Tabella 1).

2. Test Category A: Proprietà Biochar Utility di base

  1. Umidità e Organic Matter Content
    1. Utilizzare la perdita relativa alla procedura di accensione fuorifiancheggiata da Nelson e Sommers (1996).
      1. Includere un duplicato campione e materiale di riferimento standard (Ottawa Sand) per ogni 10 campioni sconosciuti.
      2. Etichetta bicchieri da 50 ml con il calore marcatore resistente, forno asciugarli a 105 ° C, lasciare raffreddare poi registrare il peso.
      3. Pesare 2 g di campione essiccato all'aria nel becher a forno. Campione secco a 105 ° C per 24 ore, poi togliere dal forno e lasciare raffreddare.
      4. Una volta fredda, pesare il bicchiere e il campione (X = peso del campione essiccato - peso del bicchiere).
      5. Trasferire il campione in muffola e calore per 16 ore che copre a 420 ° C. Togliere il campione dal forno e lasciare raffreddare. Pesare di nuovo il bicchiere con il campione e registrare il peso (Y = peso del campione incenerito - peso del bicchiere).
      6. Eseguire i seguenti calcoli:
        i) Perdita alla combustione = XY
        ii)% di umidità = ((Sample Weight - X) / Sample Weight) x 100%
        iii)% Matt Organicer = (Perdita alla combustione / X) x 100%
  2. Analisi Immediata e Ultimate
    NOTA: Per prossima analisi / finale, sono stati analizzati quattro campioni: basso, alto, alimentazione standard e High 2. analisi IPA è stata effettuata in Bassa, Alta e alimentazione standard. Questi sono stati scelti come rappresentante dei biochars prodotte dal 2012.
    1. Condurre prossima e ultima analisi in una struttura commerciale basata su metodi: D3172-13 ASTM 8 e D3176-09, Pratica standard per prossime ed ultime 9 Analisi di carbone e coke, rispettivamente.
  3. pH
    1. Calibrare la sonda pH quotidiano prima di utilizzarlo con standard di calibrazione.
    2. Aggiungere 0,25 g biochar a 25 ml di acqua distillata, acqua deionizzata.
    3. Agitare manualmente per 2 minuti, quindi si centrifuga per 3.000 xg per 5 min.
    4. Raccogliere surnatante in provetta di vetro e misura del pH.
  4. Dimensione delle particelle di distribuzione
    1. Analizzare tutti i campioni in triplicate via setacciatura a secco progressivo adattamento di ASTM D5158-98 10 con sette setacci US standard e pan (4.7, 2.0, 1.0, 0.50, 0.25, 0.15, e 0,0075 millimetri)
      1. Registrare il peso di ciascun setaccio vuoto e impilare i setacci in ordine dalla vaschetta a 4,7 mm, con un setaccio di 4,7 millimetri essendo in alto.
      2. Inserire 60 g di biochar nel setaccio 4,7 millimetri, posizionare il coperchio sulla parte superiore e fissare la pila di setacci sul shaker.
      3. Agitare per 10 minuti e registrare il peso di ciascun setaccio. Segnala i dati in un file di Excel come percentuale rimanente in ogni setaccio.

3. Test Category B: Tossico Segnalazione

  1. Prove di germinazione
    1. Utilizzare il metodo di prova germinazione dei semi delineato da Solaiman et al. (2012) 11.
      1. Usare carta da filtro e terriccio come controlli positivi.
      2. Assicurarsi che i rispettivi pesi di ogni trattamento è di 3 g di biochar, 10 g di terriccio, e 1 pezzo di filtecarta r.
        NOTA: Questi valori sono basati sul volume della piastra di Petri in modo che ogni piatto è ~ 50% pieno (in volume).
      3. Into the piastre di Petri (8,5 cm di diametro), posizionare cinque Cucurbita pepo spp. Pepo (zucca) semi e 50 Medicago sativa (erba medica) semi in ogni trattamento.
      4. Usando un cilindro graduato aggiungere 15 ml di acqua per tutti i piatti Petri, poi coprire con i rispettivi coperchi.
      5. Porre le capsule di Petri per la germinazione sotto 14:10 ore (giorno: notte) fotoperiodo fluorescenti e mantenere la temperatura a 27 ° C (± 6 ° C).
      6. Dopo sette giorni di registrare il numero di semi germinati. Rapporto risultati come% germinati per piastra di Petri. Misurare la lunghezza radice di semi germinati utilizzando un righello. Lunghezze Relazione radice come una somma per ogni piastra di Petri (cm piatto / Petri).
  2. Earthworm Prevenzione
    1. Conservare Eisenia fetida in una matrice di terreno sano composto da torba e invasaturasuolo e mantenere l'umidità del terreno al ~ 30%.
    2. Utilizzare il metodo di evitare lombrico descritto da Li et al. (2011). Scegliere vermi vanno 0,3-0,6 g dimensioni.
      1. Per questo test, utilizzare sei ruote di evitamento (Figura 1) o struttura simile a quelle descritte in Acute Evitare di test di Environment Canada (Environment Canada, 2004).
      2. Mix biochars separatamente usando una vanga e secchio con terriccio a un tasso del 2,8% (in peso).
      3. Riempire ciascuno dei sei compartimenti con 120 g di suolo o miscela terreno / biochar, con ogni altro vano serve come un controllo non emendata (Figura 1), ossia il suolo, senza biochar. Aggiungere 10 worm al compartimento di mezzo giro.
      4. Esporre i vermi per 48 ore tenendo la ruota evasione coperto con un foglio di alluminio per evitare la fuga senza fine. Mantenere condizioni di temperatura per le ruote di evasione tra 20-25 ° C. Monitorare l'umidità del terreno e mantenere al ~ 30%. Dopo 48 ore togliere i vermi e registrare la loro posizione nella ruota di evitare, cioè se sono in i) modificato o ii) scompartimenti senza modifiche. Non riutilizzare i vermi per i test futuri.
  3. Idrocarburi policiclici aromatici (IPA)
    1. Analizzare IPA di estrazione con solvente e GC-MS basati su EPA 8270 12.
  4. Bifenili policlorurati (PCB) Concentrazione
    1. Campioni secco (10 g) durante la notte a 25 ° C per 18-24 hr poi macinare ad una polvere fine (granulometria <0,15 mm) con 10 g di solfato di sodio e 10 g Ottawa sand.
    2. Include analitico vuoto (Ottawa sand), un controllo (una quantità nota di standard di PCB) e un campione duplicato analitico per ogni 10 campioni sconosciuti.
    3. Porre 2 g campione in Soxhlet ditale e aggiungere 100 microlitri decachlorobiphenyl (DCBP) come standard surrogata interna.
    4. Estrarre campioni in un apparecchio Soxhlet per 4 ore a 4-6 cicli all'ora in 250 ml di diclorometano.
    5. Utilizzando un gascromatografo dotato di un micro 63 Ni detector a cattura di elettroni (GC / μECD), una colonna capillare di silice fusa (30 m, 0,25 mm di diametro x 0,25 di spessore micron film) e il software appropriato analizzare estratti biochar per Aroclors totali. Utilizzare l'elio come gas di trasporto a una portata di 1,6 ml / min. Utilizzare azoto come gas di trucco per il rivelatore a cattura di elettroni (ECD). Valori Segnala come mg / g di peso secco.
  5. Analisi metallo
    1. I campioni di aria-asciutto per 18-24 ore e ridurli in polvere fine (granulometria <0,15 mm) con un mortaio e pestello.
    2. Usando acidi concentrati grado reagente, calore 0,5 g del campione in 2 ml di 70% (w / w) di acido nitrico e 6 ml 38% acido cloridrico (w / w), fino a quando il volume viene ridotto a 1-2 ml. Poi il make-up della soluzione a 25 ml in un pallone tarato utilizzando distillata, acqua deionizzata, filtrata attraverso un Whatman No. 40 Filtro paper.
    3. Analizzare i campioni con un simultaneo plasma accoppiato induttivamente spettrometro a emissione atomica (ICP-AES) con le seguenti norme / controlli (vedi punto 3.5.3.1). Analizzare standard ICP multi-elemento e verificare i coefficienti di errore% e correlazione delle curve di calibrazione. Gli standard sono acquistati in miscele personalizzate con molti elementi in ogni standard. Ciascun elemento ha una curva di calibrazione a 3 punti (ad esempio cadmio viene eseguita a 0, 0,1, 1,0 e 5 ppm). Verificare curve con gli standard di controllo di taratura. Ricalibrare circa ogni 18 campioni.
      1. Aggiungere standard interni (indio e scandio) 'on line' con i campioni per verificare la stabilità dello strumento. Analizzare i campioni con standard di controllo di qualità aggiuntive, tra cui materiali di riferimento certificati (Bush, rami e foglie, cavolo bianco e spinaci), spazi vuoti metodo (aggiungere acidi a un tubo di digestione vuoto e trattarli come descritto in 3.5.2 sopra), i duplicati di analisi, e duplicati di campo.
  6. Mercurio
    1. Assicurarsi che la strumentazione soddisfa i criteri delineati in US EPA Method 7473 e consente la misurazione diretta del mercurio
    2. Pesare 100 mg di biochar essiccato all'aria terra (granulometria <0,15 mm) in quarzo o nichel pesano barche.
    3. Utilizzare una soluzione magazzino ICP-AES di 1.000 mg / ml Hg e acido cloridrico 5% in acqua deionizzata doppia (DDI) per fare scorte di lavoro (5 mg / ml, 1 mg / ml, 0,1 mg / ml, 0,01 mcg / ml) e standard di calibrazione.
    4. Utilizzare una barca vuota pulita come metodo vuoto. Analizzare i campioni iniziano con un metodo vuoto, Low QC (20 ng Hg - 20 l di 1 mg / ml Hg), Blank, Alta QC (200 ng Hg - 40 ml di 1 mg / ml Hg), vuoto, vuoto, Norma di riferimento Materiale (MESS-3), Blank, MESS-3, Bianco, Campione 1, Bianco, Campione 2, Bianco, Campione 2 dup, Bianco, Campione 3, Bianco, etc.
    5. Mettere le barche nella camera di strumenti in cui il campione si decompone termicamente in un continuflusso UO di ossigeno.
      NOTA: I prodotti della combustione viene quindi portato via nel flusso di ossigeno e quindi ulteriormente decomposto in un letto di catalizzatore calda. Vapori di mercurio saranno intrappolati su un tubo oro amalgamator e successivamente desorbiti per la quantificazione spettrofotometrica a 254 nm.

4. Verificare Categoria C: Biochar Advanced Analysis e del suolo Proprietà Enhancement

  1. Ammonio come azoto
    NOTA: Il metodo fa uso della reazione di Berthelot cui sali di ammonio nella soluzione reagiscono con fenossido. L'aggiunta di ipoclorito di sodio provoca la formazione di un composto di colore verde. Nitroprussiato di sodio viene aggiunto per intensificare il colore.
    1. Pesare 5 g di campione macinato aria essiccata (granulometria <0,15 mm) in una beuta Erlenmeyer da 125 ml. Aggiungere 50 ml di 2 M (0,01% (V / V) KCl. Mettere i palloni su un agitatore rotante per 1 ora a 200 giri al minuto. Dopo aver agitato è completo, filtrare i campioni attraverso Whatman No. carta 42 filtro in 100 ml plfiale Astic.
    2. Preparare Soluzioni reagenti:
      1. Fenolo Alkaline - misura 87 ml di fenolo liquefatto in 1-L volumetrico riempito 2/3 con acqua DDI. Aggiungere 34 g NaOH, portare a volume con acqua DDI.
      2. Soluzione di ipoclorito - con 100 ml laureato misura cilindro 31,5 ml di candeggina commerciale (5-10%) e riempimento di 100 ml con acqua DDI. Trasferimento a bottiglia e aggiungere 1,0 g di pellet NaOH e permettere loro di sciogliere.
      3. Soluzione EDTA - sciogliere 32 g di EDTA di sodio e 0,4 g di NaOH in un volumetrica 1-L riempito 2/3 con acqua DDI. Aggiungere 0,18 g nitroprussiato e sciogliere agitando. Portare a volume con acqua DDI e aggiungere 3 ml di Triton (10%).
    3. Rendere standard di calibrazione (0,1, 0,2, 0,3, 0,5, 1,0, e 2,0 mg / ml N Concentration) utilizzando grado reagente NH 4 Cl e acqua DDI. Preparare standard di riferimento QC da una sorgente grado reagente di cloruro di ammonio diversa dalla fonte utilizzata per rendere le norme.Utilizzare doppia acqua deionizzata come gli spazi vuoti.
    4. Iniziare l'esecuzione del autoanalizzatore. Progettare ogni corsa per iniziare con l'alto livello (2,0 mg / ml N) x 2, Standard di calibrazione (decrescente), Metodo Blank, High Standard, Low standard (0.1 mg / ml N) x 2, lavata dell'acqua, QC riferimento Campione x 2, campioni, campioni duplicati, e High Standard., e Wash Water.
      NOTA: Il software autoanalizzatore calcola automaticamente le concentrazioni nell'estratto.
    5. Calcolare la concentrazione Biochar = (Estratto concentrazione x 50 ml (KCl)) / 5 g Biochar Sample.
  2. KCl estraibile nitriti e nitrati da Autoanalyzer
    NOTA: Il metodo colorimetrico Griess Ilosvay utilizza la reazione di ioni nitriti con sulfanilamide in condizioni acide per formare un composto diazo. Il composto reagisce ulteriormente con N -1-naphthylethylenediamine dicloridrato per formare un colorante magenta azo. Nitrato nel campione viene convertito in nitrito attraverso l'esposizione ad un agente riducente(In questo caso un rame-cadmio riducendo colonna). Questo dà una misura della concentrazione di nitriti nitrati + nel campione.
    1. Pesare 5 g di campione macinato aria essiccata (granulometria <0,15 mm) nel pallone di Erlenmeyer da 125 ml. Aggiungere 50 ml di 2 M (0,01% (V / V)) KCl. Mettere i flaconi su un agitatore rotante per 1 ora a 200 rpm. Dopo aver agitato è completa, filtrare i campioni attraverso Whatman No. carta 42 filtro in flaconi di plastica da 100 ml.
    2. Portare i reagenti (cloruro di ammonio e di reagente colore) per la temperatura ambiente.
    3. Attivare colorimetro per lasciare la lampada riscaldamento. Memorizzati all'interno dell'analizzatore auto sono linee dei reagenti etichettati cloruro di ammonio, reagente a colori e acqua; avviare la pompa e permettere all'acqua di passare attraverso il sistema, controllare tutte le linee della pompa-tubi per il corretto funzionamento.
    4. Una volta che il sistema è equilibrato, luogo linee nei rispettivi reagenti e permettono di correre per 5-10 min. Accendere il registratore di grafici. Attendere base per stabilizzare, e impostare al 10 °
    5. Preparare 100 mg / ml di nitrati e nitriti QC archivio Standards da KNO 3 e nano 2 e acqua DDI, rispettivamente. Per fare un 10 mg / ml medie Standard, aggiungere 5 ml di 100 mg / ml di soluzione di 50 ml matraccio e portare a volume con il 0,01% KCl. Per rendere Standard di calibrazione combinano 0,01% KCl e lo standard intermedio 10 mg / ml preparata in matracci da 25 ml per rendere standard di calibrazione (0.05, 0.2, 0.5, 1.0, 1.5, 2 mg / ml NO 3 o NO 2). Utilizzare KCl per gli spazi di metodo.
    6. Preparare picchi con 5 g di Ottawa sabbia (materiale inerte) e aggiungere 0,05 ml della appropriata / ml standard di QC 1.000 mg per un risultato finale di 10 mg N / kg di campione. Fare un combinato NO 3 + NO 2 picco da chiodare un singolo campione di 0,025 ml di ogni 1.000 mg / ml QC madre standard. Preparare uno spike campione per correre da chiodare 5,0 g del campione biochar ignoto con 0.025 ml di appropriata 1,000 mg / ml QC madre standard.
    7. Inizia l'esecuzione di analisi. Includere un set completo di standard di calibrazione, due campioni QC di riferimento, almeno due spazi vuoti KCl, e almeno due Standards nitriti, un insieme di Ottawa Spikes sabbia e spazi vuoti e un picco del campione in ogni seduta.
      NOTA: Gli standard possono essere rianalizzati come marcatori tra ogni 5 campioni sconosciuti e per verificare i valori per la preparazione della curva standard.
    8. Ripetere lo standard / ml 2.0 mcg al termine di ogni esecuzione. Esegui campioni duplicati ad un tasso minimo del 10%. Run Nitriti + analisi nitrato prima, seguita dall'analisi nitriti.
    9. Record sulle altezze dei picchi Nitriti nitrato del foglio di lavoro di tutte le norme, i controlli QC e campioni. Utilizzare il numero di unità grafico come la misurazione dell'altezza. Per calibrare la strumentazione, utilizzare le altezze relative delle norme. Assicurarsi che il valore R 2 si trova sopra 0.99, se non eseguire nuovamente gli standard.
    10. Calcolare la concentrazione dei campioni usando l'Formula:
      Estratto Concentrazione = (altezza Peak - Intercetta della curva di taratura / calibrazione della pendenza della curva) x diluizione
      Biochar Concentrazione = (estratto concentrazione x 50 ml (KCl)) / 5 g Biochar Sample
    11. Sottrarre la concentrazione di nitriti stimato dal nitrato oltre il nitrito di concentrazione per calcolare nitrati.
  3. Fosforo estraibile (2% formico Acid Extraction)
    NOTA: Il software analizzatore automatico calcola automaticamente le concentrazioni. Le informazioni di calibrazione report software, bontà di adattamento della curva di calibrazione, le concentrazioni di tutti i campioni, calibratori, bianchi e campioni QC che sono stati eseguiti.
    1. Prima di campioni di analisi memorizzare in un contenitore di vetro pulito o sacchetto di plastica sterile. I campioni refrigerati e analizzare entro due settimane o di tenere congelato per un massimo di un anno.
    2. Fai tutti gli standard e standard di controllo di qualità con lo stesso liquido di estrazione che viene utilizzato per i campioni. Utilizzare Estuarine sedimenti come refere seriemateriale SNO e in ogni vasca di campioni comprendono due sbozzati da estrarre.
    3. Utilizzando un 1-L volumetrico riempita a 750 ml con acqua DDI, aggiungere 20 ml (98-99%) acido formico e riempimento a volume con acqua DDI.
    4. Aggiungere 1,0 g del campione macinato aria essiccata (granulometria <0,15 mm) in una beuta Erlenmeyer da 125 ml. Aggiungere 50 ml di soluzione di 2% di acido formico. Mettere i flaconi su sonicatore per 10 minuti, poi trasferire su agitatore rotante per 1 ora a 200 rpm. Dopo aver agitato, i campioni di filtro utilizzando Whatman No. 42 carta da filtro in un altro gruppo di 125 ml beute.
    5. Preparare Standard e Spikes:
      1. Preparare un 1.000 mg / ml QC Stock Standard di potassio diidrogeno ortofosfato e acqua DDI. Utilizzare il controllo di qualità Stock Standard per rendere gli standard di calibrazione (5 mg / ml, 1 mg / ml, 0,5 mg / ml, 0,2 mg / ml, 0.1 mg / ml). Utilizzare 0,100 ml di QC standard per rendere il QC Spike. Per fare un controllo di qualità standard Controllare, aggiungere 0,100 ml di QC Stock Standard a 50 ml volpallone umetric e renderlo a volume con KCl.
        NOTA: Questo è un / ml concentrazione di diluizione 0,2 mg.
      2. Utilizzare Estuarine sedimento come campione di riferimento QC. Utilizzare 0,01% KCl come metodo vuoto.
    6. Analizzare il sistema autoanalizzatore. Set campioni come Primer (High Standard (0,5 mg / ml), calibratori (5 mg / ml, 1 mg / ml, 0,5 mg / ml, 0,2 mg / ml, 0.1 mg / ml), Blank, Null, High Standard ( 0,5 mg / ml), Low standard (0,1 mg / ml), Low standard (0,1 mg / ml), Null, Campione QC (Reference / Estuarine sedimenti), QC (campione di riferimento / Estuarine sedimenti), Metodo Bianco, Campione 1, Campione 2, campione 2 Dup, Campione 3 ecc, High Standard, Null.
    7. In ogni lotto di campioni anche estrarre due sbozzati: uno è una calibrazione vuoto ed è da collocare nel rack standard del campionatore automatico, l'altro è un metodo vuoto ed è da posizionare nel vassoio campione.
  4. Superficie specifica
    NOTA: l'analisi dells per Brunauer-Emmett-Teller (BET) superficie è stata condotta nel Chemical Biological Radio nucleare (CBRN) Protezione Lab a RMC. Il metodo utilizza N analisi assorbimento gas 2 a 77 K in un intervallo di pressione relativa 0,01-,10 dopo degasaggio a 120 ° C per almeno 2 ore. Un campione duplicato è stato analizzato per ogni 6 campioni sconosciuti. I campioni non sono macinati in polvere prima dell'analisi.
    NOTA: i tempi degasaggio e pressioni sono specifici per produttore di strumenti e il metodo previsto è stato convalidato in precedenza con carboni attivi ad alta temperatura.
  5. Capacità di scambio cationico (CEC)
    1. Seguire il metodo acetato di sodio per CEC descritto da Laird e Fleming (2008) per calcolare CEC.
      1. Includere un vuoto di analisi (acqua DDI), materiale di riferimento standard (Ottawa Sand) e duplicare ogni 10 campioni.
      2. Preparare la soluzione saturando (1 M NaOAc pH 8.2) sciogliendo 136.08 g di NaOAc. 3H 2 Oin 750 ml acqua distillata, acqua deionizzata. Regolare il pH a 8,2 mediante aggiunta di acido acetico o idrossido di sodio. Diluire a 1 L con acqua DDI.
      3. Preparare prima soluzione di lavaggio (80% di isopropanolo (IPA)) combinando 800 ml IPA con 200 ml di acqua distillata, acqua deionizzata. Poi preparare la seconda soluzione di lavaggio (100% IPA).
      4. Preparare la soluzione di sostituzione (0,1 M NH 4 Cl) sciogliendo 5,35 g di NH 4 Cl in 1 L distillata, acqua deionizzata.
      5. Pesare 0,2 g di campione (aria secca, non terra) in una provetta da centrifuga da 30 ml. Allo stesso tempo, peso 0,5 g dello stesso campione essiccato in una vaschetta di alluminio essiccazione pre-pesato. Posizionare il campione nella vaschetta di alluminio essiccazione in forno a 200 ° C per 2 ore, si raffredda in un essiccatore e pesare di nuovo per determinare il contenuto di acqua del campione essiccato all'aria. Utilizzare questo esempio per calcolare il fattore di correzione contenuto di acqua, F (step 4.4.1.10).
      6. Aggiungere 15 ml della soluzione satura, vortice, quindi si centrifuga a 3000xg per 5 min. Decantare e scartare il surnatante attentamente per garantire l'assenza del campione è perduto. Ripetere questa operazione altre due volte.
      7. Aggiungere 15 ml della prima soluzione di lavaggio. Vortex e centrifugare a 3000 xg per 5 min. Decantare e scartare con cura il surnatante. Ripetere questo passaggio più volte, ogni volta misurazione della conducibilità elettrica della soluzione surnatante. Quando la conduttività del surnatante scende sotto la conduttività NaOAc saturo di IPA (~ 6 mS / cm), passare alla seconda soluzione di risciacquo. Continuare a sciacquare il campione fino alla conduttività del surnatante scende sotto 1 mS / cm.
      8. Lasciare il campione di aria secca in una cappa aspirante, poi aggiungere 15 ml della soluzione di sostituzione. Vortex e centrifugare a 3000 xg per 5 min. Decantare e salvare il surnatante in un matraccio tarato da 100 ml. Ripetere questa operazione per altre tre volte, ogni salvare il surnatante nello stesso matraccio tempo. Quindi portare il volumetrica a 100 ml con acqua distillata, wa deionizzatater.
      9. Analizzare il contenuto di sodio tramite accoppiamento induttivo spettrometria di emissione atomica al plasma (ICP-AES) come precedentemente descritto.
      10. Eseguire i seguenti calcoli:
        F = (peso secco, aria secca campione forno - peso del campione di aria secca)
        C = concentrazione di Na (mg / L) nel pallone tarato da 100 ml
        W = peso (g) di campione asciugare aggiunto al tubo da centrifuga
        CEC = (C x 0,435) / (W x F) (cmoli / kg)

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Una sintesi di tutti i risultati, tra cui un confronto con i criteri stabiliti dal IBI 13 può essere trovato nelle tabelle 1 (sintesi), 2 (Nuovo, alto, basso, Terzo materia prima e alta 2 biochars) e 3 (Old biochar). Tutti biochars e materie prime utilizzate nel 2012 e nel 2013 (Tabella 2) sono ampiamente sotto il criterio fissato dal IBI e c'erano piccole differenze tra biochars. Old biochar (tabella 3), il primo biochar sottoposto a prova, è stato fatto da pallet di spedizione utilizzati e dei rifiuti di costruzione e si è determinato ad avere livelli elevati di metalli arsenico, cromo, rame e piombo. Old biochar ha avuto anche i livelli più bassi di carbonio organico (63,2%), determinato dalla perdita al fuoco. Questo biochar aveva i più alti livelli di fosforo estraibile (850 mg / kg) e CEC (34,8 cmoli / kg), e anche la più alta percentuale di particelle fini (<0,5 mm 48%). Old biochar è stato anche l'unico a biocharfallire il test di germinazione (Figura 3) ed è stato determinato che Eisenia fetida (invertebrati del suolo) evitato in modo significativo il 2,8% modifica Old biochar, mentre hanno preferito la modifica del 2,8% del Nuovo biochar (Figura 2).

Test Category A: Proprietà Biochar Utility di base

Produzione Biochar via pirolisi è essenzialmente la carbonizzazione di biomassa. Il processo di carbonizzazione consente la trasformazione di molecole organiche strutturati di legno e materiali cellulosici in carbone o residui contenenti carbonio, che sono spesso di natura aromatica 14-18. Carbonizzazione è ottenuta attraverso l'eliminazione di acqua e sostanze volatili dalla materia prima biomassa, dovuta all'azione del calore durante il processo di pirolisi 19. Tutti i prodotti biochars alla serra commerciale conteneva una percentuale relativamente bassa umidità (<5%) ad eccezione del Vecchiobiochar. Tutti biochars sono classificati dal IBI classe A (> 60%) in termini di composizione del carbonio organico come risultato di completa carbonizzazione del materiale feedstock tramite pirolisi. Così a causa dell'elevata percentuale di carbonio organico, tutti biochars prodotti hanno una bassa percentuale di ceneri (<2,5%), che è il componente inorganica o minerale del biochar 13. Sebbene queste biochars basso tenore di ceneri non forniscono notevoli quantità di sostanze nutritive direttamente al suolo come fare il loro biochar high-cenere (spesso a base di letame e ossa) controparti; il contenuto di carbonio di questi biochars è molto più elevato e quindi hanno maggiori a lungo termine le capacità di ritenzione dei nutrienti 20-22.

Il rapporto idrogeno-carbonio (H: C) è un termine spesso usato per misurare il grado di aromaticità e la maturazione del biochar, che è stato collegato alla loro stabilità a lungo termine per l'ambiente 18. Per materie prime della biomassa contenente cellulosa and lignina, gli H: rapporti di C sono circa 1,5. Tuttavia, pirolisi di questi materiali a temperature superiori a 400 ° C dovrebbe produrre biochars con H: rapporti C <0.5. E 'stato riportato che un rapporto H: C <0.1 indica una struttura di grafite come nel biochar 23. Tutti biochars in questo rapporto hanno H: rapporti C inferiori a 0,02, indicando che questi biochars sono molto aromatico in natura e avranno stabilità a lungo termine per l'ambiente.

PH del suolo è una misura di acidità del suolo, e purtroppo molti terreni agricoli in Canada e in tutto il mondo sono acide (pH <7), il che significa che essi non sono l'ideale per la crescita delle colture. Biochars con un pH alcalino (7>), come quelle prodotte anche nel serra, possono essere aggiunti ai terreni acidi per aumentare il pH del terreno a livelli che sono più adatti per la crescita delle piante.

Un'altra caratteristica del terreno importante per la crescita delle piante è la distribuzione delle dimensioni delle particelle (PSD). Biochars che hanno una più alta percentuale di particelle grossolane può favorevolmente aumentare aerazione del terreno e impedire il movimento biochar nel sottosuolo nel tempo, aumentando così la durata del tempo biochar offre benefici per la crescita delle piante 24. Tuttavia, le dimensioni delle particelle più piccole sono favoriti per biochars che vengono prodotte a fini di bonifica, con l'intento di sorbo contaminanti e ridurre al minimo la loro biodisponibilità, come contaminanti sono più facilmente in grado di accedere allo spazio dei pori per la rilegatura 3,25, 26. Anche le particelle più piccole dimensioni aumenta il numero di particelle biochar per unità di volume di terreno che è favorevole per adsorbimento contaminante 27. Come in un precedente studio 3, particelle fini sono definiti come quelli <0,25 mm e particelle grossolane come> 0.5 mm. I biochars denominati New-, High e Terzo Feedstock hanno una proporzione elevata di particelle grossolane (~ 98%), e una bassa percentuale di particelle fini (~ 2%). Il biochar prodotto ad una temperatura leggermente più bassa, aveva 89% e 11% grossolane particelle fini dimensioni. Tutti questi biochars possono offrire miglioramenti sostanziali tessitura del suolo e l'aerazione soprattutto in terreni di tipo degradati o argilla. The Old biochar aveva un PSD che differiva sostanzialmente dalle altre, con il 52% di massima e 48% le polveri sottili. Un biochar con questo PSD può essere preferibile per l'uso in siti contaminati, dove l'assorbimento di contaminanti è l'obiettivo primario.

Test Category B: Tossico Segnalazione

Test biologici di biochar è importante per valutare la tossicità (eventuale) di questi materiali di invertebrati e piante suolo. Ad oggi, non vi è poca letteratura esistente sul potenziale impatto di biochar sugli organismi terrestri e la loro risposta associato, e spesso la letteratura che esiste presenta contrastanti risultati. L'esposizione ai contaminanti può inibire lombrichi capacità di svolgere funzioni del suolo essenziali quali decomposgnote, mineralizzazione dei nutrienti, e la struttura del suolo miglioramenti 28. New biochar non ha mostrato effetti negativi sul lombrico Eisenia fetida come valutato dal evitamento lombrico, tuttavia worm evitare significativamente Old biochar (Figura 2). Saggi di germinazione sono una tecnica utilizzata per valutare la tossicità di un particolare materiale per impianti. Terriccio servito da controllo migliore di carta da filtro come la carta da filtro spesso incoraggiato la formazione di muffe. Zucca e di erba medica semi germinati bene con il 67% ± 12% e il 81% ± 6% di germinazione, rispettivamente. Roots anche proliferavano bene con lunghezza media dopo sette giorni di essere 14 centimetri ± 0,6 centimetri e 55 cm ± 8 cm per la zucche ed erba medica, rispettivamente. Come con gli studi lombrichi evitamento Old biochar ha dimostrato la tossicità per le piante e tutti gli altri biochars valutati non ha mostrato effetti negativi alla germinazione dei semi come misurato da cento la germinazione e la lunghezza della radice dopo sette giorni (Figura 3

Sebbene alcuni tipi di biochar hanno il potenziale di sorb contaminanti organici e ridurre la loro tossicità nell'ambiente, accurata caratterizzazione della biochar è necessaria per garantire che non contiene contaminanti nocivi quali IPA, PCB, e metalli come risultato di materie prime contaminate o condizioni di pirolisi. Nessuno dei biochars prodotte in serra aveva concentrazioni di IPA superiori direttive IBI. Old biochar era determinato ad avere livelli elevati di PCB e metalli arsenico, cromo, rame, piombo e, tuttavia nessuna delle biochars prodotte dagli altri due materiali di biomassa contenuta metalli sopra le linee guida IBI. Old biochar è stato prodotto dal pallet di trasporto utilizzati e dei rifiuti da costruzione quali è probabile la fonte della contaminazione da metalli. Anche se vecchio biochar non sarebbe adatto per l'uso in terreni agricoli o giardini di casa, tutti gli altri biochars potrebbero essere utilizzati per questi scopi.

Test di Categoria C: Biochar Advanced Analysis e del suolo Proprietà Enhancement

Biochars contenenti un'elevata concentrazione di ammonio e nitrato possono essere applicate ai terreni agricoli per compensare i requisiti per fertilizzanti sintetici. Tuttavia, se biochar contiene un eccesso di questi composti azotati quindi applicazione su larga scala potrebbe aumentare il atmosferica N 2 O concentrazione e contaminare sorgenti di acqua potabile con nitrati. Nessuno dei biochars studiati conteneva quantità elevate di ammonio o nitrato.

Il fosforo è un componente essenziale per molti processi fisiologici legati all'utilizzo dell'energia corretto sia nelle piante e negli animali. Biochars con moderate quantità di fosforo disponibili fungeranno da importanti fertilizzanti vegetali. In Ontario, terreni contenenti fosforo 15-30 mg / kg sono considerati bassi, 31-60 mg / kg moderata, e 61-100 mg / kg alta. Old biochar è stato più alto in disposizione di fosforoa 850 mg / kg e può non essere adatto per l'aggiunta di terreni già classificate come ad alto contenuto di fosforo. Tuttavia, tutti gli altri biochars testate hanno una quantità molto minore di fosforo disponibili e non ci si aspetterebbe che causare problemi quando aggiunto a velocità fino al 10% (w / w).

I componenti del biochar (tranne umidità) che vengono rilasciati durante la pirolisi si riferiscono alla materia come volatile. Questi componenti sono tipicamente una miscela di idrocarburi a catena corta e lunga, idrocarburi aromatici con minori quantità di zolfo. Di sostanze volatili è stata determinata mediante analisi prossima che determina anche l'umidità e ceneri contenuto biochars (sezione 2.2). Il contenuto volatile influisce sulla stabilità del materiale 29, N disponibilità e la crescita 30 piante. In teoria, biochars alta in sostanze volatili sono meno stabili e hanno una maggiore percentuale di carbonio labile che fornisce energia per la crescita microbica e limita la disponibilità di azoto necessaria perla crescita delle piante. Uno studio di Deenik et al., (2010) considerato materie volatili il 35% ad essere elevato (indurre carenza di azoto), e sostanze volatili del 10% di essere basso. Tutto biochar in questa relazione conteneva sostanze volatili inferiore al 20%, e quindi non sarebbe previsto per limitare la crescita delle piante. Determinazione analisi immediata di sostanze volatili è più importante per biochars con basse concentrazioni di cenere come quelle prodotte in serra commerciale.

Superficie specifica (SSA) è una misura della porosità di un biochar. Esso comprende non solo la superficie esterna biochar, ma anche la superficie entro i pori ed è una caratteristica importante per stimare la capacità di un biochar per Sorb contaminanti organici. Assorbimento dei contaminanti è stato attribuito alle interazioni π-π (vincolante attraente, non covalente) tra l'anello aromatico (s) del contaminante e quelli del biochar 31. Il carbone attivo (AC) è un tappeto di carbone-likeerial che viene trattato durante la sua produzione per massimizzare la sua porosità e quindi ha SSA superiore alla maggior parte biochars. Anche se tutto il di biochars presentati in questo rapporto hanno SSA nell'intervallo 300 m 2 / g (cioè molto meno di quella di AC; ~ 800 m 2 / g), come riportato in Denyes et al, 2012 e 2013, le biochars. , vecchi e nuovi, hanno entrambi dimostrato un notevole potenziale per servire come una modifica del terreno per la bonifica dei PCB.

Capacità di scambio cationico (CEC) è una misura del numero di cationi (ioni positivi) che una particella di terreno è in grado di contenere in un determinato pH. La capacità del suolo per contenere cationi è dovuta alle interazioni elettrostatiche con siti caricati negativamente sulla superficie di una particella, come idrossile (OH -) e carbossilico (COO -). Gruppi 32, 33 La CEC del terreno può essere collegato alla capacità del suolo per contenere e trattenere cationi nutrienti da fertilizzanti che sono essential per la crescita delle piante. Inoltre, molti contaminanti ambientali quali piombo, cadmio e zinco hanno cariche positive; quindi terreni con elevata CEC possono funzionare per prevenire la lisciviazione di questi contaminanti in fonti di acqua potabile. Biochars sono stati segnalati per aumentare la CEC di suoli, a causa della lenta ossidazione della superficie biochar che aumenta il numero di siti di carica negativa, e quindi possono ridurre i requisiti di fertilizzanti e immobilizzare contaminanti carica positiva in terreni 32. Tipicamente, sabbiosi hanno CEC tra 1-5 cmol / kg, i suoli limosi 5-15 cmol / kg, di tipo argilloso suoli> 30 cmol / kg e materia organica 200-400 cmol / kg. I metodi per la determinazione del CEC di biochar sono ancora nella loro infanzia e, pertanto, devono essere considerati in termini relativi. La CEC dei biochars prodotte in serra sono superiori al CEC di suoli contaminate con PCB inferiori compost modificato suoli (Denyes et al., 2012), ma.

ass = "jove_content" fo: keep-together.within-page = "always"> Figura 1
Figura 1. Earthworm ruota evasione. Le ruote sono prodotti in acciaio e vermi possono circolare durante i comparti tramite diversi fori che sono di circa 5 cm di diametro.

Figura 2
Figura 2. Earthworm evasione dosaggio di vecchio e nuovo biochars tipo. Il biochar dal titolo "Old" è stato prodotto con rifiuti dell'attività di costruzione, mentre i titoli di biochar "Nuovo" è stato prodotto da materiali di segatura. * Indica una differenza significativa tra terriccio senza emendamenti e terriccio modificato con il 2,8% di una biochar (p <0.05).

ys "> Figura 3
Figura 3. Percentuale germinazione di due specie di piante diverse. Zucca (Cucurbita pepo spp. Pepo) e di erba medica (Medicago sativa) sono state coltivate in triplice copia in vari biochars prodotte in una serra commerciale per sette giorni. Vecchio e nuovo si riferiscono a biochars a base di diverse materie prime, mentre il basso e alto si riferiscono a diverse temperature di pirolisi. * Indica significativamente differenza rispetto ai controlli (terriccio e carta da filtro).

Campione Feedstock Pirolisi temperatura Materia organica (LOI) pH CEC PSD PSD SSA
Grossolano Bene
° C % cmol / kg % % m 2 / g
Vecchio 1 > 700 63.2 9.3 34.8 51,7 48.3 373,6
Nuovo 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
Alta Temp0; 2 > 700 97.9 8.4 11.1 98.1 1.9 419,5
Terzo feedstock 3 700 96.2 9.6 13.2 97.6 2.4 244,4
Alta Temp-2 3 > 700 97.1 9.1 17.1 97.9 1.9 428
LOI: Perdita alla combustione, CEC: capacità di scambio cationico, PSD: Particle Size Distribution, SSA: superficie specifica

Tabella 1. tipo feedstock, temperatura di pirolisi e caratteristiche fisiche dei sei biochars.

Requisito IBI Biochar Gamma feedstock Unità
Criteri Gamma
Test Category A: base Biochar Properties Utility - obbligatori per tutti Biochars
Umidità Dichiarazione <0,1-4,3 %
Carbonio organico Classe 1> 60% 96,2-97,8 (LOI) %
Classe 2> 30% 92,44-97,93 (Pro / Ult)
Classe 3> 10 <30%
H: C org 0.7 max 0,01-0,02 Rapporto
Totale Ash Dichiarazione 1,38-2,26 %
Totale N Dichiarazione 0,28-1,06 %
pH Dichiarazione 8,4-9,6 pH
Dimensione delle particelle di distribuzione Dichiarazione 86-98 % Coarse
1,3-14 %
Bene
Test Category B: Tossico Reporting-richiesto per tutto il Feedstocks
Germinazione Pass / Fail Passo
Earthworm Prevenzione Dichiarazione No Prevenzione
Idrocarburi policiclici aromatici (IPA) 6-20 <2.0 mg / kg
Bifenili policlorurati (PCB) 0,2-0,5 <0,1 mg / kg
Arsenico 12-100 <1.0 <1.0 mg / kg
Cadmio 1,4-39 <1.0 <1.0 mg / kg
Cromo 64-1,200 <2.0 <2,0-2,6 mg / kg
Cobalto 40-150 <1.0 <1.0 mg / kg
Rame 63-1,500 3,6-6,5 <2,0-5,9 mg / kg
Piombo 70-500 <2,0-2,7 <2,0-8,1 mg / kg
Mercurio 1,000-17,000 <5,0-294 ng / g
Molibdeno 5-20 <2.0 <2.0 mg / kg
Selenio 1-36 <10 <10 mg / kg
Zinco 200-7,000 5,6-56,2 7,8-30,5 mg / kg
Cloro Dichiarazione mg / kg
Sodio Dichiarazione 137-878 <75-770 mg / kg
Test Category C: Biochar Advanced Analysis e suolo Enhancement Properties- opzionale per tutti Biochars
Mineral N (ammonio e nitrato) Dichiarazione <0,2-6,1 mg / kg
Fosforo totale Dichiarazione 69,5-276 52,5-74 mg / kg
Disponibile Fosforo Dichiarazione 9-80 mg / kg
Matter Volatile Dichiarazione 12,47-19,09 %
Superficie specifica Dichiarazione 244-428 m 2 / g
Cation Exchange Capacità Dichiarazione 11,1-17,1 cmol / kg

Tabella 2. Sintesi Criteri e caratteristiche per New, Alta, Bassa, terza e High-2 Biochars e Feedstocks. Tutti biochars elencati in questa tabella sono ottenuti da materie prime simili allo stesso impianto di pirolisi.

Requisito IBI Biochar Gamma Gamma feedstock Unità
Criteri
Test di Categoria A base Biochar Properties Utility - obbligatori per tutti Biochars
Umidità Dichiarazione 20 %
Carbonio organico Classe 1> 60% 63,2 (LOI) %
Classe 2> 30%
Classe 3> 10 <30%
H: C org 0.7 max Rapporto
Totale Ash Dichiarazione %
Totale N Dichiarazione %
pH Dichiarazione 9.3 pH
Dimensione delle particelle di distribuzione Dichiarazione 52 % Coarse
48 Belle%
Test Category B: Tossico Reporting-richiesto per tutto il Feedstocks
Germinazione Pass / Fail Fallire
Earthworm Prevenzione Dichiarazione Evitato
Idrocarburi policiclici aromatici (IPA) 6-20 mg / kg
Bifenili policlorurati (PCB) 0,2-0,5 1.2 mg / kg
Arsenico 12-100 167 <1.0 mg / kg
Cadmio 1,4-39 <1.0 <1.0 mg / kg
Cromo 64-1,200 206 <20 mg / kg
Cobalto 40-150 5.3 <5.0 mg / kg
Rame 63-1,500 558 <5.0 mg / kg
Piombo 70-500 314 <10 mg / kg
Mercurio 1,000-17,000 <5.0 ng / g
Molibdeno 5-20 <2.0 <2.0 mg / kg
Selenio 1-36 <10 <10 mg / kg
Zinco 200-7,000 498 <15 mg / kg
Cloro Dichiarazione mg / kg
Sodio Dichiarazione 6460 <75 mg / kg
ProvaCategoria C: Biochar Advanced Analysis e suolo Enhancement Properties- opzionale per tutti Biochars
Mineral N (ammonio e nitrato) Dichiarazione 2.6 mg / kg
Fosforo totale Dichiarazione mg / kg
Disponibile Fosforo Dichiarazione 850 mg / kg
Matter Volatile Dichiarazione %
Superficie specifica Dichiarazione 373,6 m 2 / g
Capacità di scambio cationico Dichiarazione 34.8 cmol / kg

Tabella 3. Sintesi Criteri e caratteristiche per Old Biochar e materie prime. La lista biochared in questa tabella è stata prodotta da rifiuti dell'attività di costruzione nello stesso impianto di pirolisi come biochars elencate nella tabella 2.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Tutti i metodi elencati nel protocollo sono stati accuratamente convalidati e ampiamente utilizzato per i terreni. Come caratterizzazione biochar è ancora nella sua infanzia, l'efficacia di questi metodi per il substrato ricco di carbonio è stato in gran parte sconosciuto. Quindi, anche se questi metodi stessi non sono romanzo, la loro applicazione per caratterizzare routine biochar è. In termini di controllo di garanzia della qualità / qualità, non ci sono stati problemi tra uno dei metodi rispetto ai vuoti di essere al di sotto dei limiti di rilevazione o recuperi di essere corretto per i materiali di riferimento standard. Questo indica che questi metodi sono adatti ad essere utilizzati per la caratterizzazione di biochar carbone e altri materiali simili. Molti metodi differenti sono stati utilizzati per caratterizzare biochars in letteratura 20, 34-41 tuttavia, come biochar diventa sempre più accettata come additivo suolo, sono necessari metodi di routine.

Capacità di scambio cationico è stato l'unico metod in cui la difficoltà è sorto. Il metodo di calcolo della CEC di un campione dipende dal peso del campione e la concentrazione di sodio in quel dato peso. Biochar ha una densità molto bassa e quindi non pelletizzare sul fondo del tubo dopo centrifugazione, come fa il suolo. Pertanto, quando decantazione e scartando il supernatante in passaggi 6 e 7 del metodo (4.4), è importante non perdere qualsiasi campione biochar. Pipettaggio la soluzione dalla centrifuga era tenuta per evitare la perdita del campione.

Altri metodi di analisi sono stati facilmente adattati dai metodi suolo. Ultimate e analisi immediata è specifico per biochar e prodotti simili, come il carbone, e quindi non è normalmente disponibile in laboratori che analizzano sistematicamente i terreni. Un altro metodo (ASTM D1762) è disponibile, per la determinazione di umidità, sostanze volatili, e cenere in carbone realizzata appositamente dal legno. Questo metodo sarebbe anche stato anche adatto per analys prossimeè. Nel determinare perdita al fuoco per cento materia organica e umidità percentuale alcuni possono scegliere di eseguire queste analisi a temperature superiori a 420 ° C, specialmente se le biochars in questione sono prodotti con altissime temperature di pirolisi. Nel caso questo studio particolare 420 ° C era sufficiente cenere completamente tutti biochars, e anche se non discusso questa temperatura è sufficientemente elevata cenere carbonio ancora attivo.

Lavorare con organismi biologici come le piante e vermi spesso può essere difficile. Selezione degli organismi di studio appropriati è di particolare importanza. L'invertebrato terreno Eisenia fetida è usato frequentemente come organismo modello terrestre in esperimenti di contaminazione, perché questa specie è in grado di sopravvivere ad alte concentrazioni di contaminanti organici, è molto ben studiato, ed è ecologicamente rilevante in molte aree del globo 2, 28, 42 -46. Invertebrati del suolo giocanoun ruolo importante nella matrice suolo, si degradano materia organica, nutrienti ciclo, e acqua trasferimento. Alfalfa Le specie vegetali »(M. sativa) e zucca (C. pepo) sono stati scelti per i test di germinazione come sono comunemente coltivate in Canada e sono stati utilizzati nel nostro lavoro gratuito in bonifica contaminante 2, 3, 47. Condizioni di serra per semi di germinazione devono essere attentamente monitorati per assicurare il corretto funzionamento dei dispositivi di illuminazione e per evitare sbalzi di temperatura.

La caratterizzazione di biochar è fondamentale per la sua applicazione di successo come parametri misurati indicano l'efficacia di diversi biochars per diverse applicazioni (ad esempio se un biochar è appropriato per il sequestro contaminante, il miglioramento della qualità del suolo, contaminante bonifica ecc). Poiché i metodi qui descritti sono ampiamente disponibili per l'analisi del suolo, sono un mezzo economico per characterizatione di biochars, e dovrebbe essere ampiamente impiegato prima applicazione su vasta scala biochar nel campo.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Materials

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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

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

Tags

Scienze Ambientali biochar di caratterizzazione di sequestro del carbonio di bonifica Biochar Iniziativa Internazionale (IBI) emendamento del suolo
Fisica, chimica e caratterizzazione biologica di Six Biochars Prodotti per il risanamento dei siti contaminati
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Denyes, M. J., Parisien, M. A.,… More

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

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

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

Waiting X
Simple Hit Counter