JoVE Journal > Environment
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Results
Discussion
Disclosures
Acknowledgements
Materials
References
Automatic Translation
Environment

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

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

Summary

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

Abstract

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

Introduction

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

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

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

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

Protocol

MERK: Kjemiske analyser ble utført ved Analytical Services Unit (ASU) i School of Environmental Studies ved Queens University (Kingston, ON). ASU er akkreditert av den kanadiske Association for Laboratory Accreditation (CALA) for spesifikke tester oppført i akkrediteringsomfang. Andre analyser, inkludert drivhusforsøk, ble utført ved The Royal Military College of Canada (Kingston, ON) ved Institutt for kjemi og Chemical Engineering. 1. Generelle betraktninger For å sikre kval…

Representative Results

En oppsummering av alle resultatene inkludert en sammenligning med de kriteriene som er satt av IBI 13 kan finnes i tabell 1 (sammendrag), 2 (Ny, høy, lav, Third råstoff og Internett-2 biochars) og 3 (Gamle Biokull). Alle biochars og utgangsmaterialer som brukes i 2012 og 2013 (tabell 2) var godt innenfor kriterier satt av IBI, og det var små forskjeller mellom biochars. Gammel Biokull (tabell 3), den første Biokull sendt…

Discussion

Alle metodene oppført i protokollen har blitt nøye validert og mye brukt for jord. Som Biokull karakterisering er fortsatt i sin barndom, effektiviteten av disse metodene for karbonrike underlaget var i stor grad ukjent. Derfor, selv om disse metodene selv er ikke romanen, er deres søknad til rutinemessig karakter Biokull. I forhold til kvalitetssikring / kvalitetskontroll, det var ingen problemer blant noen av metodene i forhold til de blanke feltene være under deteksjonsgrenser eller inngang være riktig for stand…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

This work was funded by the Government of Canada’s Federal Economic Development Agency (FedDev) Applied Research and Commercialization Extension to Queen’s University (Dr. Allison Rutter and Dr. Darko Matovic). Sincerest thank you to Burt’s Greenhouses (Odessa, ON) for providing the biochars. Special thanks to Yuxing Cui of the CBRN Protection Group at RMC and staff of the ASU and Zeeb Lab for their ongoing support.

Materials

Name of Material/ Equipment Company Catalog Number Comments/Description
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 750mL 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 hours.
Desiccator Fisher Scientific 08-595A
Balance Mettler 1113032410
Saturating Solution Fisher Scientific 06-664-25
Vortex Barnstead/Thermolyne 871000536389   
Centrifuge International Equipment Company 24372808 3000 g for 5 mins.
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 hours.
Muffle Furnace Fisher Scientific 806N0024 Heat for 16 hours 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 hours at 4–6 cycles per hour.
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 1L 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 hour at 200 rpm.
No. 42 Filter Paper Fisher Scientific (Whatman) 09-855A
WhirlPacks Fisher Scientific R55048
Potassium Dihydrogen Orthophospahte Fisher Scientific 181525
2M 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 minutes.
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 (30mL) Fisher Scientific  22-038-906
Beakers (50mL) Fisher Scientific (Pyrex) 02-540G Oven dry at 105oC.
Beakers (30mL) Fisher Scientific (Pyrex) 20-540C
Erlenmeyer Flasks (125mL) Fisher Scientific (Pyrex) S76106C
Volumetric Flask (100mL) 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, 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, 644-653 (2012).
  23. Krull, E., Baldock, J. A., Skjemstad, J. O., Smernik, R. J., Lehmann, J., Joseph, S. . Characteristics of Biochar: Organo-chemical Properties. , 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. Organic and inorganic contaminants removal from water with biochar, a renewable, low cost and sustainable adsorbent–A critical review. Bioresour. Technol. , (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. e. e. b., 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

BiocharFeedstockPhysical And Chemical CharacterizationCation Exchange CapacitySurface AreaOrganic CarbonPHParticle SizeProximate And Ultimate AnalysisContaminantsPAHsPCBsMetalsMercuryNutrientsBiological TestingEarthworm AvoidanceGermination AssaysQuality AssuranceInternational Biochar InitiativeSoil AmendmentCarbon SequestrationRemediation

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Cite This Article
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).
Download Citation
Reprints and Permissions

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image