Summary

Физические, химические и биологических характеристик Шести Biochars Производимые для очистки загрязненных участков

Published: November 28, 2014
doi:

Summary

Биоуголь является богатый углеродом материал, используемый в качестве удобрения для почвы с возможностью устойчивого к снижению выбросов углерода, повысить качество субстрата и сорбируют примеси. Этот протокол описывает 17 аналитических методов, используемых для характеристики биоугля, который необходим до реализации масштабного этих поправок в окружающей среде.

Abstract

Физические и химические свойства биоугля варьироваться в зависимости от источников сырья и производственных условиях, что позволяет проектировать biochars с конкретными функциями (например, связывание углерода, улучшения качества почв или загрязняющих веществ сорбции). В 2013 году Международная инициатива по Биоуголь (IBI) широко распространяться их стандартного определения продукции и по тестированию продуктов (версия 1.1), которые устанавливают стандарты для физических и химических характеристик биоугля. Шесть biochars, изготовленные из трех различных видов сырья и при двух температурах, анализировали на характеристики, связанные с их использованием в качестве удобрения для почвы. Протокол описывает анализы сырья и biochars и включает в себя: емкость катионного обмена (CEC), удельную площадь поверхности (SSA), органического углерода (OC) и процент влажности, рН, распределение частиц по размерам, так и непосредственное и элементного анализа. Также описано в протоколе являются анализы сырья и биоугляс для веществ, включая полициклические ароматические углеводороды (ПАУ), полихлорированных бифенилов (ПХБ), металлы и ртуть, а также питательных веществ (фосфор, нитритов и нитратов и аммония, азот). Протокол также включает в себя процедуры, биологического тестирования, дождевых червей и избежания прорастания анализов. На основании контроля обеспечения качества / качества (QA / QC) приводит заготовок, дубликатов стандартов и справочных материалов, все методы были определены достаточно для использования с Биоуголь и исходного сырья. Все biochars и сырье были в пределах критерия, установленного IBI и там были маленькие различия между biochars, за исключением случая биоугля, произведенной из строительных отходов материалов. Это биоуголь (именуемые Старый биоугля) был полон решимости иметь повышенные уровни мышьяка, хрома, меди, свинца, а также не удалось дождевых червей и избежания прорастания анализов. Основываясь на этих результатах, Старый биоуголь не будет подходящей для использования в качестве удобрения для почвы для углеродистой сequestration, улучшения качества субстрата и его исправлением.

Introduction

Биоуголь является богатый углеродом побочный продукт получают в ходе пиролиза органического вещества 1. Интерес, как публично, так и в учебе, в добавлении биоугля к почвам, проистекает из его способности улучшать качество почвы и рост растений 2, 3, устойчиво поглощать углерод 4 и сорбировать вредные вещества 2, 3, 5-7, одновременно предлагая альтернативы для отходов управление и производство энергии путем пиролиза.

Biochars производятся многими компаниями и организациями по всему миру с помощью различных систем пиролиза. Материалы, используемые для производства биоугля включают в себя (но не ограничиваются) древесная щепа, навоз и строительные отходы 1. Эти различия ожидается изменение физических и химических свойств biochars "и, таким образом, их способность улучшать субстраты, способствующих долгосрочной стабильности и расширить функциональные возможности сорбции. Кроме того, в процессе пиролиза биоуголь мау становятся случайно загрязненные металлами, ПАУ и ПХБ в результате загрязненных сырья или неблагоприятных условиях пиролиза. Поэтому, прежде чем биоуголь может быть применено в большом масштабе в окружающую среду в почвоулучшителя, стараясь характеристика биоугля для загрязняющих веществ, удельной поверхности, емкость катионного обмена, дождевых червей и избежания прорастания и других, предложенных Международной инициативой Биоуголь (IBI) должно быть проведено. В 2013 году первый стандартного определения товаров и продукции по тестированию для Биоуголь, который устанавливает стандарты для Биоуголь физических и химических характеристик, был опубликован и широко распространяться.

Исследования показали, что биоугля производится на коммерческой теплице в Одессе, ON, Canada имеет возможность значительно улучшить рост растений в интенсивно деградированных почв и сорбируют стойких органических загрязнителей (СОЗ), такие как ПХД 2, 3. Это биоуголь был получен из трехразличные виды сырья (например, органические источники вещества) через систему котла, где тепловая энергия используется, чтобы нагреть выбросы парниковых работу в течение зимних месяцев.

Это исследование дает данные по характеристике, имеющих отношение к производству биоугля в котле биомассы и использование биоугля как удобрения для почвы. Целью данного исследования является тщательно охарактеризовать физические, химические и биологические характеристики шести biochars в соответствии с нормами, установленными IBI в их стандартное определение ассортименте и принципах Технические испытания (версия 1.1) (2013). Эти характеристики будут связаны между собой, где это возможно, к выполнению каждого биоугля сельскохозяйственными изменений и их способности сорбировать загрязнения.

Protocol

ПРИМЕЧАНИЕ: Химический анализ проводили на аналитических услуг группы (АСУ) в Школе экологических исследований в Университете Королевы (Кингстон, ON). АСУ аккредитована Канадской ассоциации по аккредитации лабораторий (Cala) для конкретных тестов, перечисленных в области аккредитации. Д?…

Representative Results

Сводка всех результатов, включая сравнение с критериями, установленными IBI 13 можно найти в таблицах 1 (резюме), 2 (Новый, высокий, низкий, третий сырья и высотой 2-biochars) и 3 (Старый Биоуголь). Все biochars и сырье, используемые в 2012 и 2013 (таблица 2) были в пр?…

Discussion

Все методы, перечисленные в протоколе были тщательно проверены и широко используются для почв. Как биоуголь характеристика все еще находится в зачаточном состоянии, эффективность этих методов богатого углеродом подложки был в значительной степени неизвестны. Таким образом, хотя сами…

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)

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).

Play Video

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).

View Video