Summary
Biocarbón es un material rico en carbono se utiliza como una enmienda del suelo con la capacidad de secuestrar sostenible de carbono, mejorar la calidad del sustrato y los contaminantes Sorb. Este protocolo describe los métodos analíticos 17 utilizados para la caracterización de biochar, que se requiere antes de la implementación a gran escala de estas enmiendas en el medio ambiente.
Abstract
Las propiedades físicas y químicas de biochar varían en función de las fuentes de materias primas y las condiciones de producción, por lo que es posible diseñar biochars con funciones específicas (por ejemplo, captura de carbono, mejoras en la calidad del suelo, o de adsorción de contaminantes). En 2013, la Iniciativa Internacional Biochar (IBI) hizo públicamente disponible su Estandarizado Definición del producto y líneas directrices de ensayo del producto (versión 1.1), que establece las normas para las características físicas y químicas de biochar. Se analizaron seis biochars elaborados a partir de tres diferentes materias primas y a dos temperaturas de características relacionadas con su uso como una enmienda del suelo. El protocolo describe el análisis de las materias primas y biochars e incluye: capacidad de intercambio catiónico (CIC), superficie específica (SSA), carbono orgánico (CO) y el porcentaje de humedad, pH, la distribución del tamaño de partículas y análisis inmediato y definitivo. También se describen en el protocolo son los análisis de las materias primas y el biochars para los contaminantes incluidos los hidrocarburos aromáticos policíclicos (PAHs), bifenilos policlorados (PCBs), metales y mercurio, así como nutrientes (fósforo, nitritos y nitratos y amonio como nitrógeno). El protocolo también incluye los procedimientos de análisis biológicos, la evitación de las lombrices y ensayos de germinación. Basado en el mando de control de calidad / calidad (QA / QC) los resultados de los espacios en blanco, duplicados, estándares y materiales de referencia, todos los métodos se determinaron adecuada para su uso con materiales de biochar y de materias primas. Todos biochars y materias primas se encontraban dentro de los criterios establecidos por el IBI y había pequeñas diferencias entre biochars, excepto en el caso del biochar producido a partir de materiales de desecho de la construcción. Este biochar (denominado Antiguo biochar) estaba decidido a tener niveles elevados de arsénico, cromo, cobre y plomo, y no pudo evitar y germinación ensayos de lombrices. Basándose en estos resultados, Viejo biochar no sería adecuado para su uso como una enmienda del suelo para s de carbonoequestration, mejoras o remediación de calidad sustrato.
Introduction
Biocarbón es un subproducto rico en carbono producido durante la pirólisis de la materia orgánica 1. Interés, tanto en público como académico, en la adición de biochar a los suelos, se deriva de su capacidad para mejorar la calidad del suelo y crecimiento de las plantas 2, 3, sostenible secuestrar carbono 4, y sorb contaminantes dañinos 2, 3, 5-7, mientras que ofrecen simultáneamente alternativas para los residuos gestión y producción de energía por pirólisis.
Biochars están siendo producidos por numerosas empresas y organizaciones de todo el mundo a través de diferentes sistemas de pirólisis. Los materiales utilizados para la producción de carbón vegetal incluyen (pero no se limitan a) astillas de madera, estiércol animal y residuos de construcción 1. Se espera que estas diferencias para alterar las propiedades físicas y químicas de los biochars 'y por lo tanto su capacidad de mejorar los sustratos, promover la estabilidad a largo plazo y aumentar la capacidad de adsorción. Adicionalmente, durante el proceso de pirólisis de la ma biochary se convierten involuntariamente contaminados con metales, PAHs y PCBs, como resultado de las materias primas contaminadas o condiciones de pirólisis inapropiados. Por lo tanto, antes de que el biochar se puede aplicar a gran escala para el medio ambiente como una enmienda del suelo, cuidadosa caracterización del biochar para contaminantes, superficie específica, capacidad de intercambio catiónico, la evitación de las lombrices y la germinación y otros sugeridos por la Iniciativa Internacional Biochar (IBI) debe llevarse a cabo. En 2013, el primer Estandarizado Definición del producto y del producto líneas directrices de ensayo para biochar, que establece normas para las características físicas y químicas de biochar, se publicarán y pondrán a disposición del público.
La investigación ha demostrado que el biochar producido en un invernadero comercial en Odessa, ON, Canadá tiene la capacidad de mejorar significativamente el crecimiento de plantas en suelos intensamente degradados y sorber los contaminantes orgánicos persistentes (COP), como los PCB 2, 3. Este biochar se ha producido a partir de tresdiferentes materias primas (es decir, fuentes de materia orgánica) a través de un sistema de caldera donde se utiliza el calor generado para calentar su operación de efecto invernadero durante los meses de invierno.
Este estudio proporciona datos de caracterización pertinentes a la producción de biochar en una caldera de biomasa, y el uso de biochar como una enmienda del suelo. El objetivo de este estudio es caracterizar a fondo las características biológicas de seis biochars de acuerdo con las normas establecidas por el IBI en su Estandarizado Definición del producto y líneas directrices de ensayo del producto (versión 1.1) (2013) físico, químico y. Estas características se vincularán, cuando sea posible, a la actuación de cada biochar como enmiendas agrícolas y su capacidad para absorber los contaminantes.
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Protocol
NOTA: Los análisis químicos se realizaron en la Unidad de Servicios Analíticos (ASU) en la Escuela de Estudios Ambientales de la Universidad de Queen (Kingston, ON). La ASU está acreditado por la Asociación Canadiense para la Acreditación de Laboratorios (CALA) para las pruebas específicas que figuran en el alcance de la acreditación. Otros análisis, incluyendo pruebas de invernadero, se llevaron a cabo en el Colegio Militar Real de Canadá (Kingston, ON) en el Departamento de Química e Ingeniería Química.
1. Consideraciones generales
- Para asegurar la garantía de calidad y control de calidad, analizar una analítica en blanco y un duplicado de análisis, un duplicado de la muestra y un material de referencia estándar con cada lote de muestras (tamaño de lote máximo 10) para los métodos en el protocolo.
- Establecer muestras duplicadas cuando submuestreo de la muestra original y pasar por la misma preparación que las muestras desconocidas. Asegúrese de que los valores duplicados se encuentran dentro del 20% de cada unootro o repetir el análisis. Asegúrese de que los resultados del análisis de los documentos en blanco debajo de los límites de detección del método correspondiente. Límites materiales de referencia estándar dependían del método individual, pero asegúrese de que son generalmente dentro de 15 a 30% del valor esperado.
NOTA: En muchos de los métodos descritos en el protocolo, los detalles están incluidos en el orden sugerido de análisis de muestras incluyendo calibradores, espacios en blanco, estándares altos y bajos, y las muestras desconocidas. Esto es para asegurar que no haya contaminación cruzada entre muestras y garantizar un alto nivel de QA / QC.
NOTA: Seis biochars se produjeron en un invernadero comercial y se analizaron para los parámetros biológicos químicos, físicos y. Los nombres de cada biochar reflejan sus parámetros de producción o fuente de materia prima (Tabla 1).
Categoría 2. Prueba A: Propiedades de la utilidad biochar básicos
- Humedad y Materia Orgánica contenido
- Utilice la pérdida en proceso de encendido a cabobordeada por Nelson y Sommers (1996).
- Incluya un duplicado de muestras y material de referencia estándar (Ottawa arena) por cada 10 muestras desconocidas.
- Etiquetar vasos de 50 ml con un marcador resistente al calor, horno secarlos a 105 ° C, deje que se enfríen y luego registrar el peso.
- Pesar 2 g de la muestra secada al aire en el vaso de precipitados secado en horno. Muestra seca a 105 ° C durante 24 horas, a continuación, retire del horno y dejar enfriar.
- Una vez frío, se pesa el vaso y la muestra (X = peso de la muestra seca - peso del vaso).
- Colocar la muestra en el horno de mufla y el calor durante 16 horas que cubre a 420 ° C. Retire la muestra del horno y dejar enfriar. Pese el vaso con la muestra de nuevo y anotar el peso (Y = peso de la muestra se incinera - peso del vaso).
- Realice los siguientes cálculos:
i) Pérdida por ignición = XY
ii)% Humedad = ((Muestra Peso - X) / Peso de la muestra) x 100%
iii)% orgánico Matter = (Pérdida por ignición / X) x 100%
- Utilice la pérdida en proceso de encendido a cabobordeada por Nelson y Sommers (1996).
- Análisis inmediato y Ultimate
NOTA: Para el análisis proximal / último, se analizaron cuatro muestras: Bajo, Alto, Fuel Standard y High análisis PAH 2. Se llevó a cabo en Bajo, Alto y Estándar de combustible. Estos fueron elegidos como representante de los biochars producidos desde 2012.- Realizar próximas y últimas análisis en un centro comercial sobre la base de métodos: ASTM D3172-13 8 y D3176-09, Práctica estándar para próximas y últimas 9 Análisis de Carbón y Coque, respectivamente.
- pH
- Calibre la sonda de pH al día antes de su uso con los estándares de calibración.
- Añadir 0,25 g biochar a 25 ml agua destilada y desionizada.
- Agitar manualmente durante 2 minutos, centrifugar durante 3000 xg durante 5 min.
- Recoger el sobrenadante en un tubo de ensayo de vidrio y pH medida.
- Distribución de Tamaño de Partícula
- Analizar todas las muestras en triplicate via tamizado en seco progresivo adaptado de ASTM D5158-98 10 utilizando siete tamices US Standard y pan (4,7, 2,0, 1,0, 0,50, 0,25, 0,15 y 0,0075 mm)
- Anotar el peso de cada tamiz vacío y apilar los tamices con el fin de la sartén a 4,7 mm con el tamiz de 4,7 mm de estar en la cima.
- Colocar 60 g de biochar en el tamiz de 4,7 mm, coloque la tapa en la parte superior y asegure la pila de tamices en el agitador.
- Agitar durante 10 minutos y se registra el peso de cada tamiz. Informar de los datos en un archivo de Excel como porcentaje restante en cada tamiz.
- Analizar todas las muestras en triplicate via tamizado en seco progresivo adaptado de ASTM D5158-98 10 utilizando siete tamices US Standard y pan (4,7, 2,0, 1,0, 0,50, 0,25, 0,15 y 0,0075 mm)
3. Prueba de la categoría B: Tóxico Reporting
- Las pruebas de germinación
- Utilice el método de prueba de germinación de las semillas esbozado por Solaiman et al. (2012) 11.
- Utilice papel de filtro y tierra para macetas como controles positivos.
- Asegúrese de que los pesos respectivos de cada tratamiento es de 3 g de biochar, 10 g de tierra para macetas, y 1 pieza de filte depapel r.
NOTA: Estos valores se basan en el volumen en la placa de Petri para que cada plato es ~ 50% completo (en volumen). - En los platos de Petri (8,5 cm de diámetro), coloque cinco Cucurbita pepo spp. Pepo (calabaza) semillas y 50 Medicago sativa (alfalfa) semillas en cada tratamiento.
- Usando un cilindro graduado añadir 15 ml de agua a todas las placas de Petri, luego cubrir con sus respectivas tapas.
- Colocar las cápsulas de Petri para la germinación en un 14:10 h (día: noche) fotoperíodo fluorescente y mantener la temperatura a 27 ºC (± 6 ºC).
- Después de siete días registrar el número de semillas germinadas. Los resultados como% germinaron por plato Petri. Mida la longitud de la raíz de semillas germinadas con una regla. Informe longitudes de raíz como una suma para cada placa de Petri (cm plato / Petri).
- Utilice el método de prueba de germinación de las semillas esbozado por Solaiman et al. (2012) 11.
- Lombriz Evasión
- Guarde Eisenia fétida en una matriz de suelo saludable compuesto por turba y macetassuelo y mantener la humedad del suelo en ~ 30%.
- Utilice el método de evitación lombriz de tierra descrito por Li et al. (2011). Elija gusanos que van desde 0,3 hasta 0,6 g de tamaño.
- Para este ensayo, utilice seis ruedas de evitación (Figura 1) o una estructura similar a los descritos en la prueba de evitación aguda de Medio Ambiente de Canadá (Environment Canada, 2004).
- Mix biochars separado utilizando una pala y un balde con tierra para macetas a un ritmo de 2,8% (en peso).
- Llene cada uno de los seis compartimentos con 120 g de suelo o de la mezcla suelo / biochar, con cada otro compartimiento que sirve como un control sin modificaciones (Figura 1), es decir suelo sin biochar. Añadir 10 gusanos al compartimiento medio ronda.
- Exponer los gusanos durante 48 horas manteniendo la rueda evitación cubierto con papel de aluminio para evitar el escape gusano. Mantener las condiciones de temperatura para las ruedas de evasión entre 20-25 ° C. Vigilar la humedad del suelo y mantener a ~ 30%. Después de 48 horas eliminar los gusanos y registrar su ubicación en la rueda de evitación, es decir, si están en la i) modificado o ii) compartimentos no enmendadas. No vuelva a usar gusanos para pruebas futuras.
- Hidrocarburos aromáticos policíclicos (HAP)
- Analizar PAHs por extracción por solvente y GC-MS basado en la EPA 8270 12.
- Los bifenilos policlorados (PCB) Concentración
- Las muestras secas (10 g) durante la noche a 25 ° C durante 18-24 horas luego los muelen a un polvo fino (tamaño de partícula <0,15 mm) con 10 g de sulfato de sodio y 10 g de arena Ottawa.
- Incluir un blanco analítico (arena de Ottawa), un control (una cantidad conocida de estándar PCB) y una muestra analítica duplicado por cada 10 muestras desconocidas.
- Coloque 2 g de muestra en Soxhlet dedal y añadir 100 l decaclorobifenilo (DCBP) como patrón sustituto interno.
- Extraer muestras en un aparato Soxhlet durante 4 horas a 4-6 ciclos por hora en 250 ml de diclorometano.
- El uso de un cromatógrafo de gases equipado con un micro 63 Ni detector de captura de electrones (GC / μECD), una columna capilar de sílice fundida (30 m, 0,25 mm ID x 0,25 m de espesor de película) y el software apropiado para analizar extractos de biochar Aroclors totales. El uso de helio como gas portador a una velocidad de flujo de 1,6 ml / min. Utilice nitrógeno como gas de maquillaje para el detector de captura de electrones (ECD). Valores Informe como mg / g de peso seco.
- Análisis de metales
- Las muestras de aire seco de 18 a 24 horas y moler en un polvo fino (tamaño de partícula <0,15 mm) con un mortero.
- El uso de ácidos concentrados de grado reactivo, calor 0,5 g de la muestra en 2 ml 70% (w / w) de ácido clorhídrico ácido nítrico y 6 ml 38% (w / w), hasta que el volumen se reduce a 1-2 ml. Entonces maquillaje la solución a 25 ml en un matraz aforado utilizando agua desionizada, destilada, se filtra a través de un filtro Whatman No. 40 paper.
- Analizar las muestras usando un plasma acoplado inductivamente atómica espectrómetro de emisión simultánea (ICP-AES) con los siguientes estándares / controles (consulte el paso 3.5.3.1). Analizar los estándares ICP multi-elemento y comprobar error% y coeficientes de correlación de las curvas de calibración. Normas se compran en mezclas personalizadas con muchos elementos en cada norma. Cada elemento tiene una curva de calibración de 3 puntos (por ejemplo el cadmio se realiza a 0, 0,1, 1,0 y 5 ppm). Verifique curvas con los estándares de comprobación de calibración. Vuelva a calibrar aproximadamente cada 18 muestras.
- Añadir las normas internas (de indio y escandio) "en línea" con las muestras para verificar la estabilidad del instrumento. Analizar las muestras con las normas de control de calidad adicional, incluyendo materiales de referencia certificados (Bush, ramas y hojas; Col blanca y espinacas), espacios en blanco del método (añadir ácidos a un tubo de digestión vacío y tratarlos como se describe en 3.5.2 arriba), duplicados de análisis, y duplicados de campo.
- Mercurio
- Asegúrese de que la instrumentación cumple con los criterios señalados en el US EPA Método 7473 y permite la medición directa de mercurio
- Pesar 100 mg de biochar se seca al aire a tierra (tamaño de partícula <0,15 mm) en cuarzo o níquel pesan barcos.
- Utilice una solución madre de ICP-AES de 1,000 g / ml Hg y ácido clorhídrico al 5% en agua desionizada doble (DDI) para hacer reservas de trabajo (5 mg / ml, 1 g / ml, 0,1 g / ml, 0,01 mg / ml) y estándares de calibración.
- Utilice un bote vacío limpiado como método en blanco. Analizar muestras que comienzan con un método en blanco, bajo control de calidad (20 ng Hg - 20 l de 1 mg / ml de Hg), en blanco, de alta QC (200 ng Hg - 40 l de 1 mg / ml de Hg), en blanco, en blanco, Norma de referencia Materiales (MESS-3), en blanco, MESS-3, en blanco, muestra 1, En blanco, Muestra 2, En blanco, muestra 2 dup, En blanco, Muestra 3, En blanco, etc.
- Coloca los barcos en la cámara de instrumento donde la muestra será descomponer térmicamente en una continuous flujo de oxígeno.
NOTA: Los productos de combustión a continuación, será llevado en el flujo de oxígeno y, a continuación descompone adicionalmente en un lecho de catalizador caliente. Los vapores de mercurio serán atrapados en un tubo de amalgamador oro y posteriormente desorbidos para la cuantificación espectrofotométrica a 254 nm.
4. Prueba Categoría C: Análisis Avanzado biochar y las propiedades del suelo Enhancement
- Amonio como nitrógeno
Nota: El método hace uso de la reacción de Berthelot en el que las sales de amonio en la solución reaccionan con fenóxido. La adición de hipoclorito de sodio provoca la formación de un compuesto de color verde. El nitroprusiato de sodio se añade a intensificar el color.- Pesar 5 g de la muestra secada al aire a tierra (tamaño de partícula <0,15 mm) en un matraz Erlenmeyer de 125-ml. Añadir 50 ml de 2 M (0,01% (V / V) de KCl. Pon los matraces en un agitador giratorio durante 1 hora a 200 rpm. Después de la agitación es completa, el filtro de las muestras a través de Whatman No. 42 de papel de filtro en 100 ml plviales ASTIC.
- Preparar soluciones de reactivos:
- Fenol Alcalino - medida 87 ml de fenol licuado en 1-L volumétrica llena 2/3 con agua DDI. Añadir 34 g de NaOH, enrasar con agua DDI.
- Solución de Hipoclorito - utilizando 100 ml graduó medida cilindro 31,5 ml de lejía comercial (5.10%) y llenar hasta 100 ml con agua DDI. Traslado a la botella y añadir 1,0 g de lentejas de NaOH y permita que se disuelvan.
- Solución de EDTA - disolver 32 g de EDTA di-sodio y 0,4 g de NaOH en un frasco volumétrico de 1-L 2/3 lleno con agua DDI. Añadir 0,18 g nitroprusiato y disolver mediante agitación. Enrasar con agua DDI y añadir 3 ml de Triton (10%).
- Hacer estándares de calibración (0.1, 0.2, 0.3, 0.5, 1.0, y 2.0 mg / ml Concentración N) utilizando grado reactivo NH 4 Cl y agua DDI. Preparar estándar de referencia de control de calidad de una fuente de calidad de reactivo de cloruro de amonio diferente de la fuente utilizada para hacer las normas.Utilice agua doblemente desionizada como los espacios en blanco.
- Comience ejecutando el autoanalizador. Diseñar cada carrera para comenzar con el Alto estándar (2,0 mg / ml N) x 2, Patrones de calibración (de mayor a menor), Método de blanco, de alto nivel, bajo estándar (0,1 mg / ml N) x 2, agua de lavado, control de calidad de referencia Muestra x 2, muestras, duplicado de la muestra, y el alto nivel., y lavado con agua.
NOTA: El software autoanalizador calculará automáticamente las concentraciones en el extracto. - Calcular la concentración biochar = (Extracto de concentración x 50 ml (KCl)) / 5 g de muestra biochar.
- KCl extraíble nitritos y nitratos por autoanalizador
NOTA: El método colorimétrico Griess Ilosvay utiliza la reacción de los iones de nitrito con sulfanilamida en condiciones ácidas para formar un compuesto diazo. El compuesto reacciona más con N -1-naftiletilendiamina dihidrocloruro para formar un colorante azo magenta. El nitrato en la muestra se convierte en nitrito mediante la exposición a un agente reductor(En este caso una de cobre y cadmio reducción de columna). Esto da una medida de la concentración de nitrito nitrato + en la muestra.- Pesar 5 g de la muestra secada al aire a tierra (tamaño de partícula <0,15 mm) en un matraz Erlenmeyer de 125-ml. Añadir 50 ml de 2 M (0,01% (V / V)) KCl. Poner los matraces en un agitador giratorio durante 1 hora a 200 rpm. Después de la agitación es completa, filtrar las muestras a través Whatman No. 42 de papel de filtro en viales de plástico de 100 ml.
- Deje que los reactivos (cloruro de amonio y el color de reactivos) alcancen la temperatura ambiente.
- Encienda el colorímetro para que la lámpara se caliente. Almacenados en el analizador automático son líneas reactivo marcado cloruro de amonio, Color reactivo y agua; arrancar la bomba y deje correr el agua por el sistema, compruebe todas las líneas de la bomba-tubería para un correcto funcionamiento.
- Una vez que el sistema se haya equilibrado, colocar líneas en los respectivos reactivos y permiten una duración de 5 a 10 min. Encienda el registrador gráfico. Espere a que se estabilice la línea de base, y se puso a la 10ª
- Preparar 100 mg / ml de nitrato y nitrito de archivo estándares de control de calidad de KNO 3 y NaNO2 y agua DDI, respectivamente. Para hacer una 10 mg / ml Medio Estándar, añadir 5 ml de 100 mg solución madre / ml de matraz aforado de 50 ml y enrasar con 0,01% de KCl. Para hacer Patrones de calibración se combinan 0,01% KCl y el nivel intermedio 10 mg / ml preparada en matraces aforados de 25 ml para hacer estándares de calibración (0,05, 0,2, 0,5, 1,0, 1,5, 2 mg / ml NO 3 o NO 2). Utilice KCl por espacios en blanco de método.
- Preparar los picos utilizando 5 g de arena de Ottawa (material inerte) y añadir 0,05 ml de la norma QC / ml 1,000 g apropiado para un resultado final de 10 mg N / kg de muestra. Hacer un combinado NO3 + NO2 remate de clavar una sola muestra con 0,025 ml de cada 1,000 g / ml madre de patrón de control de calidad. Preparar un pico de muestra por corrida por clavar 5,0 g de la muestra biochar desconocido con 0,025 ml de la apropiada 1,000 g / ml madre de patrón de control de calidad.
- Comience corriendo análisis. Incluir un conjunto completo de estándares de calibración, dos muestras de control de calidad de referencia, al menos dos espacios en blanco de KCl, y al menos dos normas de nitrito, un conjunto de picos y espacios en blanco de la arena de Ottawa y un Punto de muestra en cada tanda.
NOTA: Las normas pueden volver a efectuarse como marcadores entre cada 5 muestras desconocidas y verificar los valores para la preparación de la curva estándar. - Repetir el estándar / ml 2,0 g al final de cada ejecución. Ejecute muestras duplicadas a una velocidad mínima de 10%. Run + Nitrito análisis de nitratos primero, seguido por el análisis de nitrito.
- Grabar en las alturas de los picos nitrito nitrato Hoja de trabajo de todas las normas, controles de calidad y muestras. Utilice el número de unidades de tabla como la medición de la altura. Para calibrar la instrumentación, utilizar las alturas relativas de las normas. Asegúrese de que el valor de R 2 está por encima de 0,99, si no volver a ejecutar las normas.
- Calcular la concentración de las muestras usando el Formuluna:
Extracto de Concentración = (Pico Altura - origen de la curva de calibración / Curva de calibración de pendiente) x dilución
Concentración biochar = (concentración del extracto x 50 ml (KCl)) / 5 g de muestra biochar - Restar la concentración de nitrito estimada a partir de la concentración de nitrato más nitrito para calcular nitrato.
- El fósforo extraíble (2% ácido fórmico extracción)
NOTA: El software analizador automático calcula automáticamente concentraciones. La información de calibración informes de software, bondad de ajuste de la curva de calibración, las concentraciones de todas las muestras, calibradores, espacios en blanco y las muestras de control de calidad que se han ejecutado.- Antes de almacenar las muestras de análisis en un recipiente de vidrio limpio o una bolsa de plástico estéril. Mantener las muestras refrigeradas y analizar dentro de dos semanas o mantener congelado hasta por un año.
- Hacer todos los estándares y normas de control de calidad con el mismo fluido de extracción que se utiliza para las muestras. Utilice Estuarine sedimentos como refere estándarmaterial de NCE y en cada baño de muestras incluyen dos espacios en blanco para ser extraídos.
- El uso de un aforado de 1 L llena hasta 750 ml con agua DDI, agregar 20 ml (98-99%) de ácido fórmico y llenar el volumen con agua DDI.
- Añadir 1,0 g de muestra seca tierra-aire (tamaño de partícula <0,15 mm) en un matraz Erlenmeyer de 125-ml. Añadir 50 ml de solución de ácido fórmico al 2%. Poner los frascos en sonicador durante 10 min, a continuación, transferir sobre agitador rotatorio durante 1 hora a 200 rpm. Después de agitar, muestras de filtros utilizando papel de filtro Whatman No. 42 en otra serie de matraces Erlenmeyer de 125 ml.
- Preparar Normas y Spikes:
- Preparar un 1,000 g / ml QC Stock Estándar de dihidrógeno ortofosfato de potasio y agua DDI. Utilice el archivo estándar de control de calidad para que los estándares de calibración (5 mg / ml, 1 g / ml, 0,5 mg / ml, 0,2 mg / ml, 0,1 mg / ml). Utilice 0.100 ml del estándar de control de calidad para hacer el control de calidad Spike. Para hacer un patrón de CC Cheque, añadir 0,100 ml de la Bolsa de Norma QC a un volumen de 50 mlfrasco umetric y hacerlo hasta el volumen con KCl.
NOTA: Se trata de una concentración de dilución / ml 0.2 mg. - Utilice los sedimentos del estuario como referencia la muestra de control de calidad. Utilice 0,01% KCl como el método en blanco.
- Preparar un 1,000 g / ml QC Stock Estándar de dihidrógeno ortofosfato de potasio y agua DDI. Utilice el archivo estándar de control de calidad para que los estándares de calibración (5 mg / ml, 1 g / ml, 0,5 mg / ml, 0,2 mg / ml, 0,1 mg / ml). Utilice 0.100 ml del estándar de control de calidad para hacer el control de calidad Spike. Para hacer un patrón de CC Cheque, añadir 0,100 ml de la Bolsa de Norma QC a un volumen de 50 mlfrasco umetric y hacerlo hasta el volumen con KCl.
- Analizar el sistema autoanalizador. Set muestras hasta como Primer (Alto estándar (0,5 mg / ml), calibradores (5 mg / ml, 1 g / ml, 0,5 mg / ml, 0,2 mg / ml, 0,1 mg / ml), en blanco, nulo, de alto nivel ( 0,5 g / ml), bajo estándar (0,1 mg / ml), bajo estándar (0,1 mg / ml), Null, QC (Referencia de la muestra / del Estuario de sedimentos), QC (Referencia de la muestra / del Estuario de sedimentos), Método en blanco, muestra 1, Muestra 2, Muestra 2 Dup, Muestra 3, etc., de alto nivel, Null.
- En cada lote de muestras también extraer dos espacios en blanco: uno es un blanco de calibración y es para ser colocado en el bastidor estándar del inyector automático, el otro es un método en blanco y es para ser colocado en la bandeja de muestras.
- Superficie específica
NOTA: Analysis de Brunauer-Emmett-Teller (BET) superficie se llevó a cabo en la Química Biológica Radio Nuclear (CBRN) Protección Lab en RMC. El método utiliza análisis de sorción de N 2 de gas a 77 K en un intervalo de presión relativa 0,01 hasta 0,10 después de la desgasificación a 120 ° C durante un mínimo de 2 horas. Una muestra se analizó por duplicado por cada 6 muestras desconocidas. Las muestras no se muelen en forma de polvo antes del análisis.
NOTA: Los tiempos y las presiones de desgasificación son específicos de fabricante del instrumento y el método proporcionado ha sido validado previamente con carbón activado de alta temperatura. - Capacidad de intercambio catiónico (CEC)
- Siga el método de acetato de sodio para la CCA descrito por Laird y Fleming (2008) para el cálculo de la CCA.
- Incluir un blanco analítico (agua DDI), material de referencia estándar (Ottawa Sand) y duplicar por cada 10 muestras.
- Preparar saturar la solución (1 M NaOAc pH 8,2) disolviendo 136,08 g de NaOAc. 3H 2 Oen 750 ml agua destilada y desionizada. Ajustar el pH a 8,2 mediante la adición de ácido acético o hidróxido de sodio. Diluir hasta 1 L con agua DDI.
- Preparar primera solución de lavado (80% de isopropanol (IPA)) mediante la combinación de 800 ml IPA con 200 ml agua destilada y desionizada. A continuación, preparar la segunda solución de lavado (100% IPA).
- Preparar la solución de la sustitución de (0,1 M NH 4 Cl) disolviendo 5,35 g de NH 4 Cl en 1 L de agua destilada, desionizada.
- Pesar 0,2 g de muestra (secado al aire, no molido) en un tubo de centrífuga de 30 ml. Al mismo tiempo, pesar 0,5 g de la misma muestra se secó al aire en una bandeja de secado de aluminio previamente pesado. Colocar la muestra en el recipiente de secado de aluminio en el horno a 200 ° C durante 2 horas, enfriar en un desecador y pesar de nuevo para determinar el contenido de agua de la muestra secada al aire. Utilice esta muestra para calcular el factor de corrección del contenido en agua, F (etapa 4.4.1.10).
- Añadir 15 ml de la solución de saturación, vortex y centrifugar a 3000xg durante 5 min. Decantar y desechar el sobrenadante cuidadosamente para asegurar que no se pierde la muestra. Repita este paso dos veces más.
- Añadir 15 ml de la primera solución de lavado. Vortex y centrifugar a 3000 xg durante 5 min. Decantar y desechar cuidadosamente el sobrenadante. Repita este paso varias veces, cada vez la medición de la conductividad eléctrica de la solución sobrenadante. Cuando la conductividad del sobrenadante cae por debajo de la conductividad de NaOAc saturado con IPA (~ 6 mS / cm), cambiar a la segunda solución de lavado. Continuar enjuagando la muestra hasta que la conductividad del sobrenadante cae por debajo de 1 mS / cm.
- Permitir que la muestra se seque al aire en una campana de extracción, a continuación, añadir 15 ml de la solución de sustitución. Vortex y centrifugar a 3000 xg durante 5 min. Decantar y guardar el sobrenadante en un matraz aforado de 100 ml. Repita este paso tres veces más, cada uno de guardar el sobrenadante en el mismo matraz aforado de tiempo. A continuación, llevar la aforado a 100 ml con agua destilada, desionizada water.
- Analizar el contenido de sodio a través de acoplado inductivamente espectrometría de emisión atómica de plasma (ICP-AES) como se describió previamente.
- Realice los siguientes cálculos:
F = (peso de, muestra de aire seca seca horno - peso de la muestra seca al aire)
C = concentración de Na (mg / L) en el matraz aforado de 100 ml
W = peso (g) de la muestra secada al aire añadido al tubo de centrífuga
CCA = (C x 0.435) / (W x F) (cmol / kg)
- Siga el método de acetato de sodio para la CCA descrito por Laird y Fleming (2008) para el cálculo de la CCA.
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Representative Results
Un resumen de todos los resultados, incluyendo una comparación con los criterios establecidos por el IBI 13 se puede encontrar en los cuadros 1 (resumen), 2 (Nuevo, alto, bajo, Tercero de materia prima y de alta 2 biochars) y 3 (biochar Vieja). Todos biochars y materias primas utilizadas en 2012 y 2013 (Tabla 2) se encontraban dentro de los criterios establecidos por el IBI y había pequeñas diferencias entre biochars. Biochar Viejo (Tabla 3), la primera biochar presentado a las pruebas, se hizo de palets envío usados y residuos de construcción y estaba decidido a tener niveles elevados de los metales arsénico, cromo, cobre y plomo. Antiguo biochar también tenía los niveles más bajos de carbono orgánico (63,2%), determinado por pérdida al fuego. Este biochar tenía los más altos niveles de fósforo extractable (850 mg / kg) y CEC (34.8 cmol / kg), así como el más alto porcentaje de partículas finas (<0,5 mm, 48%). Antiguo biochar fue también el único biochar afallar la prueba de germinación (Figura 3) y se determinó que Eisenia fetida (invertebrados del suelo) evita significativamente la enmienda Antiguo biochar 2,8%, mientras que ellos prefieren la enmienda 2,8% del Nuevo biochar (Figura 2).
Prueba de categoría A: Propiedades de la utilidad biochar básicos
Producción de biochar a través de la pirólisis es esencialmente la carbonización de biomasa. El proceso de carbonización permite la transformación de moléculas estructuradas orgánicas de madera y materiales de celulosa en carbono, o residuos que contienen carbono, que a menudo son de naturaleza aromática 14-18. La carbonización se obtiene mediante la eliminación de agua y sustancias volátiles de la materia prima de biomasa, debido a la acción del calor durante el proceso de pirólisis 19. Todos los biochars producidos en el invernadero comercial contenía un porcentaje de humedad relativamente baja (<5%) con la excepción de la viejabiochar. Todos los biochars se clasifican por el IBI como Clase A (> 60%) en términos de su composición de carbono orgánico, como resultado de la carbonización completa del material de materia prima a través de pirólisis. Por lo tanto, debido al alto porcentaje de carbono orgánico, todos biochars producidos tienen un bajo porcentaje de cenizas (<2,5%), que es el componente inorgánico o mineral de la biochar 13. Aunque estos biochars bajo contenido de cenizas no proporcionan cantidades sustanciales de nutrientes directamente al suelo al igual que su biochar de alta cenizas (a menudo hecha de abonos y huesos) ejemplares; el contenido de carbono de estos biochars es mucho mayor y por lo tanto tienen capacidades de retención de nutrientes más altos a largo plazo 20-22.
La relación de hidrógeno a carbono (H: C) es un término usado a menudo para medir el grado de aromaticidad y la maduración del biochar, que se ha vinculado a su estabilidad a largo plazo en el entorno 18. Para materias primas de biomasa que contiene celulosa unnd lignina, los índices H: C son aproximadamente 1,5. Sin embargo, se espera que la pirólisis de estos materiales a temperaturas superiores a 400 ° C para producir biochars con H: C ratios <0,5. Se ha informado de que un índice H: C <0,1 indica una estructura de grafito como en el biocarbón 23. Todos biochars en este informe tienen H: C ratios de menos de 0,02, lo que indica que estos biochars son altamente aromático en la naturaleza y tendrán estabilidad a largo plazo en el medio ambiente.
El pH del suelo es una medida de la acidez del suelo, y por desgracia muchos suelos agrícolas en Canadá y en todo el mundo son ácidos (pH <7), lo que significa que no son ideales para el crecimiento de los cultivos. Biochars con un pH alcalino (7>), tales como los que están siendo producidos en el invernadero, se pueden añadir a los suelos ácidos para aumentar el pH del suelo a niveles que son más apropiadas para el crecimiento vegetal.
Otra de las características del suelo importante para el crecimiento de la planta es la distribución del tamaño de partícula (PSD). Biochars que tienen un mayor porcentaje de partículas gruesas puede aumentar favorablemente la aireación del suelo y evitar el movimiento biochar en el subsuelo con el tiempo, lo que aumenta la longitud de biocarbón tiempo ofrece beneficios para el crecimiento de plantas 24. Sin embargo, los tamaños de partículas más pequeñas se ven favorecidos por biochars que se están produciendo con fines de remediación con la intención de sorber contaminantes y minimizar su biodisponibilidad, ya que los contaminantes son más fácilmente acceder a la porosidad de la unión 3,25, 26. También partículas menores tamaños de los aumentos el número de partículas por unidad de volumen de biochar del suelo que es favorable para la sorción de contaminantes 27. Al igual que en un estudio anterior 3, las partículas finas se definen como aquellos <0,25 mm y las partículas gruesas como> 0,5 mm. Los biochars nombrados Nuevo-, alta y Tercera Materia prima tienen una alta proporción de partículas gruesas (~ 98%), y una baja proporción de partículas finas (~ 2%). El biochar producido a una temperatura ligeramente inferior, tenía partículas finas 89% y 11% gruesas tamaños. Todos estos biochars puede ofrecer mejoras sustanciales a la textura del suelo y la aireación especialmente en suelos degradados o tipo de arcilla. El Antiguo biochar tenía un PSD que difieren sustancialmente de los otros, que tiene 52% grueso y 48% de partículas finas. Un biochar con este PSD puede ser preferible para su uso en sitios contaminados, donde la adsorción de contaminantes es el objetivo principal.
Prueba de categoría B: Tóxico Reporting
El ensayo biológico de biocarbón es importante para evaluar la toxicidad (si la hay) de estos materiales para los invertebrados y plantas de suelo. Hasta la fecha, hay poca literatura existente sobre el impacto potencial de biochar en los organismos terrestres y su respuesta asociada, ya menudo la literatura que no existen presenta resultados contradictorios. La exposición a contaminantes puede inhibir las lombrices de tierra capacidad de realizar funciones esenciales del suelo tales como decomposition, mineralización de nutrientes, y la estructura del suelo mejoras 28. Nueva biochar no mostró efectos perjudiciales sobre la lombriz Eisenia fétida según la evaluación de la evitación de las lombrices, sin embargo gusanos evitan significativamente biochar Viejo (Figura 2). Ensayos de germinación son una técnica utilizada para evaluar la toxicidad de un material en particular a las plantas. Tierra para macetas sirvió como control mejor que el papel de filtro como el papel de filtro formación de moho a menudo alentados. Las semillas de calabaza y alfalfa germinaron bien con 67% ± 12% y 81% ± 6% de germinación, respectivamente. Las raíces también proliferaron bien con longitudes medias después de siete días de ser 14 cm ± 0,6 cm y 55 cm ± 8 cm de calabazas y alfalfa, respectivamente. Al igual que con los estudios de prevención de lombriz Antiguo biochar mostró toxicidad a las plantas y todos los demás biochars evaluados no mostraron efectos perjudiciales para la germinación de la semilla, medido por el porcentaje de germinación y longitud de la raíz después de siete días (Figura 3
Aunque algunos tipos de carbón vegetal tienen el potencial para absorber los contaminantes orgánicos y reducir su toxicidad en el medio ambiente, se requiere una cuidadosa caracterización de la biocarbón para asegurarse de que no contiene contaminantes dañinos tales como PAHs, PCBs, y metales como resultado de las materias primas contaminadas o condiciones de pirólisis. Ninguno de los biochars producidos en el invernadero tenía concentraciones de PAH superiores a las directrices del IBI. Antiguo biochar se determinó que los niveles elevados de PCB y el arsénico metales, cromo, cobre y plomo, sin embargo ninguno de los biochars producidos a partir de los otros dos materiales de biomasa contenía metales anteriores directrices IBI. Antiguo biocarbón se produce a partir de paletas envío usados y residuos de construcción que es probable que la fuente de la contaminación de metales. Aunque Antiguo biochar no sería adecuado para su uso en suelos agrícolas o huertos familiares, todos los demás biochars podrían utilizarse para estos fines.
Prueba Categoría C: Análisis Avanzado biochar y las propiedades del suelo de mejora
Biochars que contienen una alta concentración de amonio y de nitrato pueden ser aplicados a suelos agrícolas para compensar los requisitos para los abonos sintéticos. Sin embargo, si biochar contiene un exceso de estos compuestos de nitrógeno entonces la aplicación a gran escala podría aumentar la atmosférica N 2 O concentración y contaminar fuentes de agua potable con nitratos. Ninguno de los biochars estudiados contenía cantidades elevadas de amonio o nitrato.
El fósforo es un componente esencial para muchos procesos fisiológicos relacionados con la utilización de la energía en las plantas y los animales. Biochars con cantidades moderadas de fósforo disponible actuarán fertilizantes para plantas como importantes. En Ontario, los suelos que contienen fósforo de 15-30 mg / kg se consideran bajos, 31-60 mg / kg moderada y 61-100 mg / kg alta. Antiguo biochar fue más alta en fósforo disponiblea 850 mg / kg y puede no ser adecuado para añadir a los suelos ya clasificados como de alto contenido de fósforo. Sin embargo, todos los demás biochars ensayadas tiene una cantidad mucho menor de fósforo disponible y no se espera que cause problemas cuando se añade a velocidades de hasta 10% (w / w).
Los componentes del biochar (excepto la humedad) que se liberan durante la pirólisis se hace referencia a la materia como volátil. Estos componentes son típicamente una mezcla de hidrocarburos de cadena corta y larga, hidrocarburos aromáticos con cantidades menores de azufre. La materia volátil se determinó mediante análisis inmediato que también determina el contenido de humedad y cenizas de biochars (sección 2.2). El contenido volátil afecta a la estabilidad del material 29, la disponibilidad de N y el crecimiento de la planta 30. En teoría, biochars alto contenido de materia volátil son menos estables y tienen una mayor proporción de carbono lábil que proporciona energía para el crecimiento microbiano y limita la disponibilidad de nitrógeno necesario paracrecimiento de las plantas. Un estudio realizado por Deenik et al., (2010) consideró 35% de materia volátil a ser alta (inducir deficiencia de nitrógeno), y 10% de materia volátil a ser baja. Todos biochar en este informe contenía menos de 20% de materia volátil, y por lo tanto no se espera que para limitar el crecimiento de la planta. Determinación análisis proximal de la materia volátil es más importante para biochars con bajas concentraciones de ceniza, como las producidas en el invernadero comercial.
Área superficial específica (SSA) es una medida de la porosidad de un biocarbón. Incluye no sólo el área de superficie biochar externo, sino también el área de superficie dentro de los espacios de los poros y es una característica importante que se utiliza para predecir la capacidad de un biocarbón para absorber contaminantes orgánicos. Sorción de contaminantes se ha atribuido a las interacciones-π π (unión atractivo, no covalente) entre el anillo aromático (s) del contaminante y los de la biochar 31. El carbón activado (AC) es una estera de carbón vegetal comoerial que es tratado durante su producción para maximizar su porosidad y por lo tanto cuenta con acuerdos de servicios especiales más altos que la mayoría de biochars. Aunque todos los de biochars presentados en este informe tienen acuerdos de servicios especiales en el rango de 300 m 2 / g (es decir, mucho menos que el de AC; ~ 800 m 2 / g), según ha informado en Denyes et al, 2012 y 2013, los biochars. , Antiguo y Nuevo, tienen tanto potencial significativo demostrado servir como una enmienda del suelo para la remediación de PCB.
Capacidad de intercambio catiónico (CEC) es una medida del número de cationes (iones cargados positivamente) que una partícula de suelo es capaz de mantener a un pH dado. La capacidad del suelo para retener cationes es debido a las interacciones electrostáticas con sitios cargados negativamente en la superficie de una partícula, tales como hidroxilo (OH -) y carboxilo (COO -). Grupos 32, 33 La CIC del suelo puede vincularse a la capacidad del suelo para retener nutrientes y retener cationes de los fertilizantes que son essential para el crecimiento vegetal. Además, muchos contaminantes ambientales, tales como el plomo, el cadmio y el zinc tienen cargas positivas; Por lo tanto, los suelos con un alto CEC pueden funcionar para evitar la filtración de estos contaminantes en fuentes de agua potable. Biochars se han reportado para aumentar la CCA de los suelos, debido a la lenta oxidación de la superficie biochar que aumenta el número de sitios de carga negativa, y por lo tanto pueden reducir los requerimientos de fertilizantes e inmovilizar contaminantes cargados positivamente en los suelos 32. Típicamente, los suelos arenosos tienen una CCA entre 1.5 cmol / kg, suelos franco 15.5 cmol / kg, los suelos arcillosos> 30 cmol / kg y orgánicos materia 200-400 cmol / kg. Los métodos para determinar la CCA de biochar están todavía en su infancia y, por tanto, deben ser considerados en términos relativos. La CIC de los biochars producidos en el invernadero son más altos que la CCA de los suelos contaminados con PCB (Denyes et al., 2012), pero menor que el compost modificado suelos.
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Figura 1. Lombriz rueda de evitación. Las ruedas se fabrican a partir de acero y los gusanos se les permite moverse a través de los compartimentos a través de múltiples agujeros que son aproximadamente 5 cm de diámetro.
Figura 2. Lombriz ensayo de evitación del Antiguo y Nuevo biochars tipo. El biochar titulado "Viejo" fue producido a través de residuos de construcción, mientras que los títulos de biochar "Nuevo" se produjo a partir de materiales de aserrín. * Indica una diferencia significativa entre la tierra de la maceta sin modificaciones y tierra para macetas modificado con 2,8% de cualquiera de biochar (p <0,05).
Figura 3. Porcentaje de germinación de las dos especies de plantas diferentes. Calabaza (Cucurbita pepo spp. Pepo) y alfalfa (Medicago sativa) se cultivaron por triplicado en diversas biochars producidos en un invernadero comercial durante siete días. Antiguo y Nuevo refieren a biochars hechos de diferentes materias primas, mientras que Baja y Alta se refieren a diferentes temperaturas de pirólisis. * Indica significativamente diferencia de los controles (tierra para macetas y papel de filtro).
| Muestra | Materia prima | Pirólisis de Temperatura | Materia Orgánica (LOI) | pH | CCA | PSD | PSD | SSA |
| Grueso | Multa | |||||||
| ° C | % | cmol / kg | % | % | m 2 / g | |||
| Viejo | 1 | > 700 | 63.2 | 9.3 | 34.8 | 51.7 | 48.3 | 373.6 |
| Nuevo | 2 | 700 | 97.8 | 9 | 16 | 98.7 | 1.3 | 324.6 |
| Baja Temperatura | 2 | 500 | 96.7 | 8.7 | 15.9 | 86.2 | 13.8 | 336.9 |
| Alta Temperatura0; | 2 | > 700 | 97.9 | 8.4 | 11.1 | 98.1 | 1.9 | 419.5 |
| Tercer materia prima | 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: Pérdida por ignición, CEC: Capacidad de intercambio catiónico, PSD: Tamaño de partícula Distribución, SSA: Superficie específica | ||||||||
Tabla 1. tipo de materia prima, la temperatura de pirólisis y características físicas de los seis biochars.
| Requisito | IBI | El biochar | Rango de materia prima | Unidad | |
| Criterios | Alcance | ||||
| Categoría Prueba A: Básicos biochar Propiedades Utilidad - Requeridos para Todos biochars | |||||
| Humedad | Declaración | <0,1-4,3 | % | ||
| Carbono Orgánico | Clase 1> 60% | 96,2-97,8 (LOI) | % | ||
| Clase 2> 30% | 92,44-97,93 (Pro / Ult) | ||||
| Clase 3> 10 <30% | |||||
| H: C org | 0.7 max | 0,01-0,02 | Proporción | ||
| Ceniza total | Declaración | 1,38-2,26 | % | ||
| N total | Declaración | 0,28-1,06 | % | ||
| pH | Declaración | 08.04 a 09.06 | pH | ||
| Distribución de Tamaño de Partícula | Declaración | 86-98 | % Grueso | ||
| 1,3-14 | % | ||||
| Multa | |||||
| Prueba de categoría B: Tóxico Reporting- requerido para todos los materiales de alimentación | |||||
| Germinación | Pasa / Falla | Pass | |||
| Lombriz Evasión | Declaración | Sin Evasión | |||
| Los hidrocarburos aromáticos policíclicos (HAP) | 6-20 | <2.0 | mg / kg | ||
| Los bifenilos policlorados (PCB) | 0,2-0,5 | <0,1 | mg / kg | ||
| Arsénico | 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 | |
| Cobre | 63-1,500 | 03.06 a 06.05 | <2,0-5,9 | mg / kg | |
| Plomo | 70-500 | <2,0-2,7 | <2,0-8,1 | mg / kg | |
| Mercurio | 1,000-17,000 | <5,0 a 294 | ng / g | ||
| Molibdeno | 5-20 | <2.0 | <2.0 | mg / kg | |
| Selenio | 1-36 | <10 | <10 | mg / kg | |
| Zinc | 200-7,000 | 5,6-56,2 | 7,8-30,5 | mg / kg | |
| Cloro | Declaración | mg / kg | |||
| Sodio | Declaración | 137-878 | <75-770 | mg / kg | |
| Prueba de categoría C: El biochar Análisis Avanzado y Suelo Mejora Propiedades- opcional para Todos biochars | |||||
| El N mineral (amonio y nitrato) | Declaración | <0,2-6,1 | mg / kg | ||
| Fósforo total | Declaración | 69,5-276 | 52,5-74 | mg / kg | |
| Fósforo disponible | Declaración | 9-80 | mg / kg | ||
| La materia volátil | Declaración | 12,47-19,09 | % | ||
| Superficie específica | Declaración | 244-428 | m 2 / g | ||
| Cation Exchange Capacidad | Declaración | 11,1-17,1 | cmol / kg | ||
Tabla 2. Criterios y Características de resumen para Nuevo, Alta, Baja, Tercera y High-2 biochars y materias primas. Todos biochars aparecen en esta tabla son producidos a partir de materias primas similares en la misma instalación de pirólisis.
| Requisito | IBI | Rango biochar | Rango de materia prima | Unidad |
| Criterios | ||||
| Prueba Categoría A- básicos biochar Propiedades Utilidad - Requeridos para Todos biochars | ||||
| Humedad | Declaración 20 | % | ||
| Carbono Orgánico | Clase 1> 60% | 63.2 (LOI) | % | |
| Clase 2> 30% | ||||
| Clase 3> 10 <30% | ||||
| H: C org | 0.7 max | Proporción | ||
| Ceniza total | Declaración | % | ||
| N total | Declaración | % | ||
| pH | Declaración | 9.3 | pH | |
| Distribución de Tamaño de Partícula | Declaración | 52 | % Grueso | |
| 48 | Fine% | |||
| prueba de categoría B: Tóxico Reporting- requerido para todos los materiales de alimentación | ||||
| Germinación | Pasa / Falla | Fallar | ||
| Lombriz Evasión | Declaración | Evitó | ||
| Los hidrocarburos aromáticos policíclicos (HAP) | 6-20 | mg / kg | ||
| Los bifenilos policlorados (PCB) | 0,2-0,5 | 1.2 | mg / kg | |
| Arsénico | 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 | |
| Cobre | 63-1,500 | 558 | <5.0 | mg / kg |
| Plomo | 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 |
| Zinc | 200-7,000 | 498 | <15 | mg / kg |
| Cloro | Declaración | mg / kg | ||
| Sodio | Declaración | 6460 | <75 | mg / kg |
| PruebaCategoría C: El biochar Análisis Avanzado y Suelo Mejora Propiedades- opcional para Todos biochars | ||||
| El N mineral (amonio y nitrato) | Declaración | 2.6 | mg / kg | |
| Fósforo total | Declaración | mg / kg | ||
| Fósforo disponible | Declaración | 850 | mg / kg | |
| La materia volátil | Declaración | % | ||
| Superficie específica | Declaración | 373.6 | m 2 / g | |
| Capacidad de intercambio catiónico | Declaración | 34.8 | cmol / kg | |
Tabla 3. Criterios Resumen y Características del Old biochar y materia prima. La lista biochared en esta tabla se produce a partir de residuos de la construcción en la misma instalación de pirólisis como los biochars enumerados en la Tabla 2.
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Discussion
Todos los métodos enumerados en el protocolo han sido cuidadosamente validado y ampliamente utilizado para los suelos. Como caracterización biochar es todavía en su infancia, la eficacia de estos métodos para el sustrato rico en carbono era en gran parte desconocido. Por lo tanto, aunque estos mismos métodos no son nuevos, su aplicación para caracterizar de forma rutinaria biochar es. En términos de control / garantía de calidad, no hubo problemas entre cualquiera de los métodos con respecto a los espacios en blanco que son inferiores a los límites de detección o las recuperaciones siendo correcta para los materiales de referencia estándar. Esto indica que estos métodos son adecuados para ser utilizados para la caracterización de biocarbón y otros materiales de carbón similares. Muchos métodos diferentes se han utilizado para caracterizar biochars en la literatura 20, 34-41 sin embargo, como el biocarbón se acepta cada vez más como un aditivo para el suelo, se requieren métodos de rutina.
Capacidad de intercambio catiónico fue el único method en el que surgió dificultad. El método para calcular la CCA de una muestra depende en el peso de la muestra y la concentración de sodio en la que el peso dado. Biochar tiene una densidad muy baja y por lo tanto no granular en la parte inferior del tubo después de la centrifugación, como el suelo hace. Por lo tanto, al decantar y desechar el sobrenadante en los pasos 6 y 7 del método (4.4), es importante no perder ninguna de la muestra biochar. Medir con una pipeta la solución de la centrífuga era necesaria para evitar cualquier pérdida de muestra.
Otros métodos de análisis fueron adaptados fácilmente a partir de métodos de suelo. Ultimate y análisis inmediato es específico para el biochar y productos similares, como el carbón, y por lo tanto normalmente no es posible en los laboratorios que analizan de forma rutinaria los suelos. Otro método (D1762 ASTM) está disponible, para la determinación de humedad, materia volátil y cenizas en carbón hecho específicamente de madera. Este método podría también haber sido también conveniente para analys próximases. Cuando la determinación de la pérdida por ignición para el porcentaje de materia orgánica y por ciento de humedad algunos pueden elegir para llevar a cabo estos análisis a temperaturas superiores a 420 ° C, especialmente si los biochars en cuestión se producen a través de muy altas temperaturas de pirólisis. En el caso de este estudio en particular 420 ° C fue suficiente para carbonizar todos biochars, y aunque no se ha discutido esta temperatura era suficientemente alta a la ceniza de carbono incluso activado.
Trabajar con los organismos biológicos, como plantas y gusanos a menudo puede ser un reto. Selección de los organismos de estudio apropiados es de particular importancia. El invertebrado tierra Eisenia fétida se utiliza con frecuencia como un organismo modelo en experimentos terrestres de contaminación ya que esta especie es capaz de sobrevivir a altas concentraciones de contaminantes orgánicos, está muy bien documentado y es ecológicamente relevante en muchas áreas del mundo 2, 28, 42 -46. Invertebrados del suelo jueganun papel importante en la matriz del suelo, ya que degradan la materia orgánica, nutrientes de ciclo, y el agua de transferencia. Las especies de plantas de alfalfa '(M. sativa) y calabaza (Cucurbita pepo) fueron elegidos para los ensayos de germinación, ya que se cultivan comúnmente en Canadá y se han utilizado en nuestro trabajo de cortesía en la remediación contaminante 2, 3, 47. Las condiciones de invernadero para semillas en germinación deben ser monitoreados cuidadosamente para asegurar el correcto funcionamiento de la iluminación y evitar fluctuaciones extremas de temperatura.
La caracterización de biochar es esencial para su aplicación exitosa como parámetros medidos indican la efectividad de diferentes biochars para diferentes aplicaciones (es decir, si un biochar es apropiado para el secuestro de contaminantes, mejora la calidad del suelo, remediación de contaminantes, etc.). Debido a que los métodos detallados aquí están ampliamente disponibles para el análisis de suelos, que son un medio rentable para characterization de biochars, y debe ser ampliamente utilizado antes de la aplicación a gran escala de biochar en el campo.
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Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Biochar | Burt's Greenhouses | All six biochars were produced at Burt's Greenhouses via BlueFlame Boiler system | |
| NaOAc | Fisher Scientific | E124-4 | Dissolving 136.08 g of NaOAC.3H2O in 750 ml distilled, deionized water (DDI water) |
| Acetic Acid | Fisher Scientific | A38-212 | |
| Sodium Hydroxide | Fisher Scientific | SS284-1 | |
| Isopropanol | Fisher Scientific | A416P4 | 80% IPA: 800 ml IPA with 200 ml DDI water. |
| NH4Cl | Fisher Scientific | A649500 | Dissolving 5.35 g NH4Cl into 1 L DDI water. |
| Alumminum Drying Pan | Fisher Scientific | 08-732-110 | |
| Drying Oven | Fisher Scientific | 508N0024 | 200 °C for 2 hr. |
| Desiccator | Fisher Scientific | 08-595A | |
| Balance | Mettler | 1113032410 | |
| Saturating Solution | Fisher Scientific | 06-664-25 | |
| Vortex | Barnstead/Thermolyne | 871000536389 | |
| Centrifuge | International Equipment Company | 24372808 | 3,000 x g for 5 min. |
| Rinsing Solution | Fisher Scientific (Ricca Chemistry Company) | 06-664-24 | |
| Conductivity Meter | WESCAN | 88298 | |
| Replacing Solution | Fisher Scientific | 06-664-24 | |
| ICP-AES | Varian | EL00053841 | |
| ASAP 2000 Surface Area Analyser | Cavlon | 885 | Degassing at 120 °C for a minimum of 2 hr. |
| Muffle Furnace | Fisher Scientific | 806N0024 | Heat for 16 hr covering at 420 °C. |
| pH Meter | Fisher Scientific | 1230185263 | |
| Sieve | Fisher Scientific | 2288926 | 4.7 mm sieve being at the top. |
| Sieve Skaker | Meinzer II | 0414-02 | Shake for 10 min. |
| Sodium Sulphate | VWR | EM-SX0761-5 | |
| Ottawa Sand | Fisher Scientific | S23-3 | |
| Soxhlet Apparatus | Fisher Scientific (Pyrex) | 09-557A | 4 hr at 4–6 cycles/hr. |
| DCBP | Suprlco Analytical | 48318 | |
| Dichloromethane | Sigma Aldrich | 40042-40855-U | |
| 6890 Plus Gas Chromatograph Micro 63 Ni ECD | Agilent | US00034778 | |
| Helium | AlphaGaz | SPG-NIT1AL50SMART | |
| Nitrogen | AlphaGaz | SPG-HEL1AL50SMART | |
| Mortor and Pestle | Fisher Scientific (CoorsTeh) | 12-948G | |
| Nitric Acid | Fisher Scientific | 351288212 | |
| No. 40 Filter Paper | Fisher Scientific (Whatman) | 09-845A | |
| Quartz/Nickel weigh boats | Fisher Scientific | 11-474-210 | |
| DMA-80 | ATS Scientific | 5090264 | |
| 98–99% Formic Acid | Sigma Aldrich | 33015-1L | 1 L volumetric filled to 750 ml with DDI water add 20 ml formic acid and fill to volume with DDI water. |
| Sonicator | Fisher Sientific | 15338284 | |
| Rotating Shaker | New Brunswick Scientific (Innova 2100) | 14-278-108 | 1 hr at 200 rpm. |
| No. 42 Filter Paper | Fisher Scientific (Whatman) | 09-855A | |
| WhirlPacks | Fisher Scientific | R55048 | |
| Potassium Dihydrogen Orthophospahte | Fisher Scientific | 181525 | |
| 2 M KCl | Fisher Scientific | P282100 | |
| Plastic Vials | Fisher Scientific | 03-337-20 | |
| Ammonium Chloride | Fisher Scientific | PX05115 | Allow to warm up to room temperature |
| Colour Reagent | Fisher Scientific | 361028260 | Allow to warm up to room temperature |
| Colorimeter | Fisher Scientific | 13-642-400 | Turn on to let the lamp warm up and run for 5 min. |
| ASEAL Auto Analyzer 2 | SEAL | 4723A12068 | |
| Liquified Phenol | Fisher Scientific | MPX05115 | Alkaline Phenol: Measure 87 ml of liquefied phenol into 1-L volumetric filled 2/3 with DDI water. Add 34 g NaOH, make up to volume with DDI water. |
| NaOH | Fisher Scientific | S318-3 | |
| Commercial Bleach | Retail Store | Hypochlorite Solution: Using 100-ml graduated cylinder measure 31.5 ml of commercial bleach and fill to 100 ml with DDI water. | |
| NaOH Pellets | Fisher Scientific | S320-1 | |
| Disodium EDTA | Sigma Aldrich | E5124 | |
| Sodium Hyprchlorite | Fisher Scientific | SS290-1 | |
| Triton (10%) | Fisher Scientific | BP151-100 | |
| Sodium Nitroprusside | Fisher Scientific | S350-100 | |
| Ammonium Salts | Fisher Scientific | A637-10 | |
| Phenoxide | Fisher Scientific | AC388611000 | |
| Eisenia Fetida | The Worm Factory | ||
| Spade | Retail Store | ||
| Bucket | Retail Store | ||
| Potting Soil | Retail Store | ||
| Avoidance Wheel | Environment Canada | Constructed by a modified design from Environment Canada’s Acute Avoidance Test. | |
| Alumminum Foil | Fisher Scientific | 01-213-100 | |
| Petri Dishes | Fisher Scientific | 08-757-11 | 8.5 cm in diameter. |
| Pumpkin Seeds | Ontario Seed Company (OSC) | 2055 | |
| Alfalpha Seeds | Ontario Seed Company (OSC) | 6675 | |
| Centrifuge Tubes (30 ml) | Fisher Scientific | 22-038-906 | |
| Beakers (50 ml) | Fisher Scientific (Pyrex) | 02-540G | Oven dry at 105 °C. |
| Beakers (30 ml) | Fisher Scientific (Pyrex) | 20-540C | |
| Erlenmeyer Flasks (125 ml) | Fisher Scientific (Pyrex) | S76106C | |
| Volumetric Flask (100 ml) | Fisher Scientific (Pyrex) | 10-211C | |
| Estuarine Sediment | National Insititute of Standards | 1546A | Standard Reference Material |
| Bleach | Clorox Ultra (5–10% sodium hypochlorite) |
References
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