Summary
Biokol är en kolrikt material som används som jordförbättring med förmågan att på ett hållbart sätt binda koldioxid, förbättra substratkvalitet och Sorb föroreningar. Detta protokoll beskriver de 17 analysmetoder som används för karakterisering av biokol, som krävs innan storskalig implementering av dessa ändringar i miljön.
Abstract
De fysiska och kemiska egenskaper biokol varierar beroende på råmaterial källor och produktionsförhållanden, vilket gör det möjligt att konstruera biochars med specifika funktioner (t.ex. kolbindning, förbättringar markkvalitet, eller förorenings sorption). År 2013, den internationella Biochar Initiative (IBI) göras allmänt tillgänglig deras Standardiserad Produkt Definition och produkttester riktlinjer (version 1.1), som fastställer standarder för fysiska och kemiska egenskaper för biokol. Sex biochars gjorda av tre olika råvaror och vid två temperaturer analyserades för egenskaper i samband med deras användning som jordförbättring. Protokollet beskriver analyser av utgångsmaterial och biochars och omfattar: katjonbyteskapacitet (CEC), specifik ytarea (SSA), organiskt kol (OC) och fuktprocent, pH, partikelstorleksfördelning, och i närheten av och ultimat analys. Också beskrivs i protokollet är analyserna av råvaror och biokols för främmande ämnen, inklusive polycykliska aromatiska kolväten (PAH), polyklorerade bifenyler (PCB), metaller och kvicksilver samt näringsämnen (fosfor, nitrit och nitrat och ammonium som kväve). Protokollet innehåller också de biologiska testmetoderna, daggmask undvikande och grobarhet analyser. Baserat på kvalitetssäkring / kvalitetskontroll (QA / QC) resultaten av råämnen, dubbletter, standarder och referensmaterial, alla metoder bestäms lämplig för användning med biokol och råvarumaterial. Alla biochars och råvaror var väl inom det kriterium som fastställts av IBI och det fanns små skillnader mellan biochars, utom i fallet med biokol framställts av byggavfallsmaterial. Denna biokol (kallas Gamla biochar) var fast besluten att ha förhöjda halter av arsenik, krom, koppar och bly, och misslyckats daggmask undvikande och grobarhet analyser. Baserat på dessa resultat, skulle Gammal biokol inte vara lämpligt för användning som jordförbättring för kol sequestration, substratkvalitetsförbättringar eller sanering.
Introduction
Biokol är en kolrika biprodukt produceras under pyrolys av organiskt material 1. Räntor, både offentligt och akademiskt, att lägga biokol till jordar, härrör från dess förmåga att förbättra jordkvaliteten och växters tillväxt 2, 3, hållbart binda kol 4, och sorb skadliga föroreningar 2, 3, 5-7 samtidigt som erbjuder alternativ för avfall förvaltning och energiproduktion genom pyrolys.
Biochars produceras av många företag och organisationer över hela världen via olika pyrolyssystem. Material som används för biokol produktion omfattar (men är inte begränsade till) flis, stallgödsel och byggavfall 1. Dessa skillnader förväntas förändra biochars fysiska och kemiska egenskaper och därmed deras förmåga att förbättra substrat, främja långsiktig stabilitet och öka sorption kapacitet. Dessutom, under pyrolysprocessen den bioträkol may blir oavsiktligt förorenad med metaller, PAH och PCB som ett resultat av förorenade råvaror eller olämpliga pyrolysförhållanden. Därför, innan biokol kan tillämpas i stor skala till miljön som jordförbättring, noggrann karakterisering av biokol för föroreningar, specifik yta, katjonbyteskapacitet, daggmask undvikande och groning och andra som föreslagits av International Biochar Initiative (IBI) måste utföras. År 2013, det första standardiserad produkt Definition och produkttester Riktlinjer för Biochar, som sätter normer för biokol fysikaliska och kemiska egenskaper, publicerades och göras allmänt tillgänglig.
Forskning har visat att biokol produceras vid en kommersiell växthus i Odessa, ON, har Kanada förmågan att avsevärt förbättra växternas tillväxt i intensivt förstörd mark och Sorb ihållande organiska föroreningar (POP) som PCB 2, 3. Denna biokol producerats från treolika råvaror (dvs. organiskt material källor) via ett pannsystem där värmen används för att värma sina växthus drift under vintermånaderna.
Denna studie ger karakteriseringsdata relevanta för produktion av biokol i en biobränslepanna, och användning av biokol som jordförbättring. Syftet med denna studie är att grundligt karakterisera de fysikaliska, kemiska och biologiska egenskaper sex biochars enligt normer som fastställts av IBI i deras Standardiserad produkt Definition och produkttester riktlinjer (version 1.1) (2013). Dessa egenskaper kommer att kopplas om möjligt till utförandet av varje biokol som ändringar jordbruks- och deras förmåga att sorbera föroreningar.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
OBS: Kemiska analyser utfördes vid Analytisk Services Unit (ASU) vid Institutionen för miljöstudier vid Queens University (Kingston, ON). ASU är ackrediterat av den kanadensiska föreningen för Laboratory Accreditation (CALA) för specifika tester som anges i tillämpningsområdet för ackreditering. Övriga analyser, däribland växthusförsök, utfördes vid The Royal Military College of Canada (Kingston, ON) vid Institutionen för kemi och kemiteknik.
1. Allmänna överväganden
- För att säkerställa kvalitetssäkring och kvalitetskontroll, analysera en analytisk tomt och ett analytiskt exemplar, ett prov duplikat och en standardreferensmaterial med varje sats av prover (max satsstorlek 10) för de metoder i protokollet.
- Upprätta dubbelprov vid under provtagning från det ursprungliga urvalet och gå igenom samma förberedelser som okända prover. Se till att dubblettvärden ligger inom 20% av varjeandra eller upprepa analysen. Se till att analysresultaten hos ämnena ligger under gränsvärdena för motsvarande metod detektions. Standardreferensmaterial gränser beroende på den individuella metoden men se till att de är i allmänhet inom 15-30% av det förväntade värdet.
OBS: I många av de metoder som beskrivs i protokollet, är uppgifter som ingår i den föreslagna ordningen provanalys inklusive kalibrerings, ämnen, höga och låga standarder och okända prov. Detta för att säkerställa att ingen korskontaminering mellan prover och säkerställa en hög standard till QA / QC.
OBS: Sex biochars producerades vid ett kommersiellt växthus och analyserades för kemiska, fysikaliska och biologiska parametrar. Namnen på varje biokol återspeglar deras produktionsparametrar eller råmaterial källa (tabell 1).
2. Test Kategori A: Grundläggande Biochar Utility Properties
- Fukt och organiskt material
- Använd glödgningsförlust förfarandet utkantad av Nelson och Sommers (1996).
- Inkludera en prov duplikat och standardreferensmaterial (Ottawa Sand) för varje 10 okända prover.
- Märk 50 ml bägare med värmetålig markör, ugn torka dem vid 105 ° C, låt dem svalna sedan spela i vikt.
- Väg 2 g lufttorkat provet i ugnstorkad bägare. Torrt prov vid 105 ° C under 24 timmar, sedan bort från ugnen och låt svalna.
- När cool, väger bägaren och provet (X = vikt av torkade provet - vikten av bägaren).
- Placera provet i muffelugnen och värme under 16 timmar täcker vid 420 ° C. Ta provet från ugnen och låt svalna. Väg bägaren med provet igen och notera vikten (Y = vikt av föraskas prov - vikt av bägare).
- Utför följande beräkningar:
i) Glödgningsförlust = XY
ii)% Fukt = ((Sample Vikt - X) / Provvikt) x 100%
iii)% Organisk Matter = (Glödgningsförlust / X) x 100%
- Använd glödgningsförlust förfarandet utkantad av Nelson och Sommers (1996).
- Proximate och Ultimate Analysis
OBS: För proximate / ultimat analys har fyra prover analyse: Låg, Hög, Standard Bränsle och High 2. PAH-analys utfördes på Låg, Hög, och Standard Fuel. Dessa valdes som representant för de biochars producerats sedan 2012.- Genomföra Proximate och Ultimate analyser vid en kommersiell anläggning baserad på metoder: ASTM D3172-13 8 och D3176-09, Standard praxis för Proximate och Ultimate 9 Analys av kol och koks, respektive.
- pH
- Kalibrera pH-sond dagligen före användning med kalibreringsstandarder.
- Lägg 0,25 g biokol till 25 ml destillerat, avjoniserat vatten.
- Skaka manuellt under 2 minuter, centrifugera sedan i 3000 xg under 5 minuter.
- Samla supernatanten i provrör och mått pH.
- Partikelstorleksfördelning
- Analysera alla prover i triplicate via progressiv torrsiktning anpassad från ASTM D5158-98 10 med sju amerikanska Standard Siktar och pan (4,7, 2,0, 1,0, 0,50, 0,25, 0,15 och 0,0075 mm)
- Notera vikten av varje tomt sil och stapla sållen i ordning från pannan till 4,7 mm med 4,7 mm sikt vara i topp.
- Placera 60 g biokol i 4,7 mm sikt, placera locket på toppen och säkra bunten med såll på shaker.
- Skaka i 10 min och notera vikten av varje sikt. Rapport data i en Excel-fil som procent kvar i varje sikt.
- Analysera alla prover i triplicate via progressiv torrsiktning anpassad från ASTM D5158-98 10 med sju amerikanska Standard Siktar och pan (4,7, 2,0, 1,0, 0,50, 0,25, 0,15 och 0,0075 mm)
3. Test Kategori B: toxisk rapportering
- Grobarhetsprov
- Använd frögroning testmetod beskrivs av Solaiman et al. (2012) 11.
- Använd filterpapper och planteringsjord som positiva kontroller.
- Se till att de respektive vikter av varje behandling är 3 g biochar, 10 g av planteringsjord, och en bit av filter papper.
OBS: Dessa värden är baserade på volym i petriskålen så att varje maträtt är ~ 50% full (volym). - In i petriskålar (8,5 cm i diameter), placera fem Cucurbita pepo spp. Pepo (pumpa) frön och 50 Medicago sativa (alfalfa) frön i varje behandling.
- Med hjälp av en graderad cylinder tillsätt 15 ml vatten till alla petriskålar, sedan täcka dem med sina respektive lock.
- Placera petriskålar för groning under 14:10 h (dag: natt) fluorescerande fotoperiod och bibehålla temperaturen vid 27 ºC (± 6 ºC).
- Efter sju dagar registrera antalet frön grodda. Rapportera resultaten som% grott per petriskål. Mät rotlängd av grodda frön med hjälp av en linjal. Rapport rot längder som en summa för varje petriskål (cm / petriskål).
- Använd frögroning testmetod beskrivs av Solaiman et al. (2012) 11.
- Earthworm Undvikande
- Förvara Dyngmask i en frisk jord matris bestående av torv och ingjutningjord och underhålla markfuktighet vid ~ 30%.
- Använd daggmask undvikande metod som beskrivs av Li et al. (2011). Välj maskar sträcker 0,3-0,6 g i storlek.
- För denna analys använder sex undvikande hjul (figur 1) eller liknande struktur som de som beskrivs i miljö Kanadas Akut Undvikande Test (Environment Canada, 2004).
- Mix biochars separat med en spade och hink med krukväxtjord med en hastighet av 2,8% (i vikt).
- Fyll varje av de sex fack med 120 g jord eller jord / biokol blandning, med alla andra fack som fungerar som en icke ändrade kontroll (Figur 1) dvs jord utan biokol. Lägg 10 maskar till den runda mittfacket.
- Exponera maskar i 48 timmar hålla undvikande hjulet täckt med aluminiumfolie för att förhindra masken flykt. Behåll temperaturförhållanden för undvikande hjulen mellan 20-25 ° C. Övervaka markfuktighet och hålls kvar vid ~ 30%. Efter 48 h avlägsna maskarna och registrera deras placering i undvikande hjulet, dvs om de är i i) ändras eller ii) inte ändrats fack. Återanvänd inte maskar för framtida tester.
- Polycykliska aromatiska kolväten (PAH)
- Analysera PAH genom lösningsmedelsextraktion och GC-MS baserat på EPA 8270 12.
- Polyklorerade bifenyler (PCB) Koncentration
- Torra prover (10 g) över natten vid 25 ° C under 18-24 h mala dem sedan till ett fint pulver (partikelstorlek <0,15 mm) med 10 g natriumsulfat och 10 g Ottawa-sand.
- Inkludera en analytisk tomt (Ottawa sand), en styrning (en känd mängd PCB standard) och en analytisk dubbelprov för varje 10 okända prover.
- Placera 2 g prov i Soxhlet fingerborg och lägga 100 pl decachlorobiphenyl (DCBP) som en intern surrogat standard.
- Extrahera prover i en Soxhlet-apparat under 4 h vid 4-6 cykler per timme i 250 ml diklormetan.
- Med hjälp av en gaskromatograf utrustad med en mikro- 63 Ni elektroninfångningsdetektor (GC / μECD), en kapillärkolonn av kvarts (30 m, 0,25 mm ID × 0,25 um filmtjocklek) och lämplig mjukvara analyserar biokol extrakt för totala Aroclors. Använd helium som bärargas vid en flödeshastighet av 1,6 ml / min. Använda kväve som tillsatsgas för elektroninfångningsdetektor (ECD). Rapportera värden som ug / g torrvikt.
- Analys Metall
- Lufttorka prover för 18-24 h och mala till ett fint pulver (partikelstorlek <0,15 mm) med en mortel och mortelstöt.
- Använda reagenskvalitet koncentrerade syror, värme 0,5 g av provet i 2 ml 70% (vikt / vikt) salpetersyra och 6 ml 38% (vikt / vikt) saltsyra, tills volymen reducerats till 2/1 ml. Sedan smink lösningen till 25 ml i en mätkolv med destillerat, avjoniserat vatten, filtreras genom ett Whatman nr 40 filter paper.
- Analysera prover med hjälp av en samtidig induktivt kopplad plasma atomemissionsspektrometer (ICP-AES) med följande standarder / kontroller (se steg 3.5.3.1). Analysera flera element ICP standarder och kolla% fel och korrelationskoefficienter av kalibreringskurvorna. Standarder köps i anpassade blandningar med många element i varje standard. Varje element har en 3 poäng kalibreringskurva (t.ex. kadmium körs vid 0, 0.1, 1.0 och 5 ppm). Verifiera kurvor med kalibreringskontroll standarder. Kalibrera ungefär var 18 prover.
- Lägg interna standarder (indium och skandium) "på rad" med prover för att kontrollera instrument stabilitet. Analysera prover med standarder ytterligare kvalitetskontroll inklusive certifierade referensmaterial (Bush, grenar och löv, vitkål och spenat), metodämnen (lägg syror till ett tomt matsmältning rör och behandla dem som beskrivs i 3.5.2 ovan), analytiska dubbletter, och fält dubbletter.
- Kvicksilver
- Se till instrumente uppfyller kriterierna i US EPA Method 7473 och möjliggör direkt mätning kvicksilver
- Väg 100 mg marklufttorkad biokol (partikelstorlek <0,15 mm) i kvarts eller nickel väger båtar.
- Använd en ICP-AES-förrådslösning av 1000 ug / ml Hg och 5% saltsyra i dubbel avjoniserat vatten (DDI) för att göra driftlager (5 | ig / ml, 1 | ig / ml, 0,1 | ig / ml, 0,01 | ig / ml) och kalibreringsstandarder.
- Använd en rengjord tom båt som metod tomt. Analysera prover som börjar med en metod tom, låg QC (20 ng Hg - 20 pl 1 ug / ml Hg), Blank, Hög QC (200 ng Hg - 40 pl 1 ug / ml Hg), Blank, Blank, Standard Reference Material (MESS-3), Blank, MESS-3, Blank, prov 1, Blank, Prov 2, Blank, Prov 2 DUP, Blank, prov 3, Blank, etc.
- Placera båtarna i instrumentkammaren där provet termiskt sönderdelas i en continuligt flöde av syre.
OBS: kommer De förbränningsprodukter sedan föras bort i syrgasflödet och sedan vidare sönderdelas i en varm katalysatorbädd. Kvicksilverångor kommer att fastna på en guld amalgamator rör och därefter desorberas för spektrofotometrisk kvantifiering vid 254 nm.
4. Test Kategori C: Biochar Avancerad Analys och Soil Enhancement Properties
- Ammonium som Kväve
OBS: Metoden använder sig av Berthelot reaktion där ammoniumsalter i lösningen reagerar med fenoxid. Tillsats av natriumhypoklorit orsakar bildning av en grön-färgad förening. Natriumnitroprussid tillsättes för att intensifiera färgen.- Väg 5 g mald lufttorkat prov (partikelstorlek <0,15 mm) till en 125 ml-Erlenmeyerkolv. Tillsätt 50 ml av 2 M (0,01% (vol / vol) KCl. Placera kolvarna på en roterande skakare under 1 timme vid 200 rpm. Efter omskakning är klar, filtrera proverna genom Whatman nr 42 filterpapper in i 100-ml plastic injektionsflaskor.
- Förbered reagenslösningar:
- Alkaline Fenol - mått 87 ml flytande fenol i 1-L volymetriska fyllde 2/3 med DDI vatten. Lägg 34 g NaOH, fyll till märket med DDI vatten.
- Hypokloritlösning - med 100 ml mätglas mått 31,5 ml kommersiellt blekmedel (5-10%) och fyll till 100 ml med DDI vatten. Överför till flaska och tillsätt 1,0 g NaOH-pelletar och tillåta dem att upplösas.
- EDTA-lösning - lös upp 32 g di-natrium-EDTA och 0,4 g NaOH i en 1-L volymetriska fyllde 2/3 med DDI vatten. Lägg 0,18 g nitroprussid och lös upp genom skakning. Fyll till märket med DDI vatten och tillsätt 3 ml Triton (10%).
- Gör kalibreringsstandarder (0,1, 0,2, 0,3, 0,5, 1,0, och 2,0 | ig / ml N Koncentration) med användning av reagenskvalitet NH4CI och DDI vatten. Förbered QC referensstandard från en reagenskvalitet källa ammoniumklorid skiljer sig från den källa som används för att göra standarderna.Använd dubbla avjoniserat vatten som tomrummen.
- Börja köra autoanalysator. Designa varje körning att börja med hög standard (2,0 mikrogram / ml N) x 2, Kalibrerings Standards (högt till lågt), Metod Blank, Hög Standard, Låg Standard (0,1 mikrogram / ml N) x 2, Wash Vatten, QC Referens Prov x 2, Prov, prov exemplar, och hög standard., och tvättvattnet.
OBS: Den autoanalysator programvara kommer automatiskt beräkna koncentrationerna i extraktet. - Beräkna Biochar Koncentration = (Utdrag Koncentration x 50 ml (KCl)) / 5 g Biochar Prov.
- KCl Extractable nitrit och nitrat från Autoanalyzer
OBS: Griess Ilosvay kolorimetriska metoden utnyttjar reaktionen av nitritjoner med sulfanilamid under sura betingelser för bildning av en diazoförening. Föreningen reagerar vidare med N -1-naftyletylendiamin dihydroklorid att bilda en magenta azofärg. Nitrat i provet omvandlas till nitrit genom exponering för ett reducerande medel(I detta fall en koppar-kadmium reducerande kolumnen). Detta ger ett mått på nitrat + nitritkoncentrationen i provet.- Väg 5 g mald lufttorkat prov (partikelstorlek <0,15 mm) i 125 ml-Erlenmeyerkolv. Tillsätt 50 ml av 2 M (0,01% (V / V)) KCl. Placera kolvarna på en roterande skakare under 1 timme vid 200 varv per minut. Efter skakning är klar, filtrera proverna genom Whatman nr 42 filterpapper in i 100-ml plastflaskor.
- Låt reagens (ammoniumklorid och färgreagens) för att värmas till rumstemperatur.
- Slå på kolorimeter för att låta lampan värmas upp. Lagras i auto analysatorn är reagens linjer märkta Ammoniumklorid, Färg Reagens och Vatten; starta pumpen och låt vattnet rinna genom systemet, kontrollera alla pump slangarna för korrekt funktion.
- När systemet har till jämvikt, placera linjer i respektive reagens och låt den gå i 5-10 min. Slå på skrivare. Vänta baslinjen stabiliseras, och inställd på 10: e
- Bered 100 pg / ml nitrat och nitrit QC Stock Standards från KNO3 och nano 2 och DDI vatten, respektive. För att göra en 10 ug / ml Intermediate Standard, tillsätt 5 ml 100 mikrogram / ml stamlösning till 50 ml mätkolv och späd till märket med 0,01% KCl. För att göra kalibreringsstandarder kombinera 0,01% KCl och 10 | ig / ml intermediär standard framställd i 25 ml mätkolvar för att göra kalibreringsstandarder (0,05, 0,2, 0,5, 1,0, 1,5, 2 | ig / ml NR 3 eller NO 2). Använd KCl för metodämnen.
- Förbered spikar som använder 5 g Ottawa-sand (inert material) och tillsätt 0,05 ml av den lämpliga 1000 | ig / ml QC-standarden för ett slutresultat av 10 mg N / kg prov. Gör en kombinerad NO 3 + NO2 spik genom tillsatta ett enda prov med 0,025 ml av varje 1.000 ng / ml QC standard lager. Förbered ett prov spik per körning genom spetsning 5,0 g av det okända bioträkol provet med 0,025 ml av den lämpliga 1,000 mikrogram / ml QC standard lager.
- Börja köra analys. Inkludera en full uppsättning av kalibreringsstandarder, två QC referensprover, minst två KCl ämnen, och åtminstone två Nitrit Standards, en uppsättning av Ottawa Sand Spikes och ämnen samt en exempel Spike i varje körning.
OBS: Standarder kan köra som markörer mellan varje 5 okända prover och kontrollera värdena för beredning av standardkurvan. - Upprepa 2,0 | ig / ml standard vid slutet av varje körning. Kör dubbla prover vid en minsta hastighet av 10%. Nitrat Analys Kör Nitrit + först, följt av Nitrit analys.
- Spela på Nitrit Nitrat Blad topphöjder på alla nivåer, QC kontroller och prover. Använd antalet diagram heter som mätning av höjden. För att kalibrera instrument, använder de relativa höjder normerna. Se till att värdet på R2 ligger över 0,99, om inte köra normerna.
- Beräkna koncentrationen av proverna använda Formula:
Utdrag Koncentration = (topphöjd - Intercept av kalibreringskurvan / Kalibrering kurvlutning) x Späd
Biochar Koncentration = (Utdrag Koncentration x 50 ml (KCl)) / 5 g Biochar Prov - Subtrahera uppskattade nitritkoncentrationen från nitrat plus nitrit koncentration för att beräkna nitrat.
- Extraherbar Fosfor (2% myrsyra Extraction)
OBS: Den automatiska analysator programvara beräknar koncentrationer automatiskt. Programvaran rapporter kalibreringsinformation, godhet passning av kalibreringskurvan, koncentrationer för alla prover, kalibrerings, ämnen och QC prover som har körts.- Före analys lagra prover i en ren glasbehållare eller steril plastpåse. Håll prover kylda och analysera inom två veckor eller hålla frysta i upp till ett år.
- Gör alla normer och QC-standarden med samma utvinning vätska som används för proven. Använd Estuarine Sediment som en standard REFEREiou material och i varje bad av prover inkluderar två ämnen som skall extraheras.
- Med hjälp av en 1-L volymetriska fylls till 750 ml med DDI vatten, tillsätt 20 ml (98-99%) myrsyra och fyll till märket med DDI vatten.
- Lägg 1,0 g mald lufttorkat prov (partikelstorlek <0,15 mm) i en 125 ml-Erlenmeyerkolv. Tillsätt 50 ml av 2% myrsyralösning. Placera kolvarna på sonikator under 10 min, sedan överföra på roterande skakare under 1 timme vid 200 varv per minut. Efter skakning filterprov med användning av Whatman nr 42 filterpapper in i en annan uppsättning av 125-ml Erlenmeyer-kolvar.
- Förbered Standarder och Spikes:
- Förbered en 1.000 ng / ml QC Stock Standard från kaliumdiväteortofosfat och DDI vatten. Använd QC Stock Standard att göra kalibreringen Standards (5 mikrogram / ml, 1 mikrogram / ml, 0,5 mikrogram / ml, 0.2 g / ml, 0,1 mikrogram / ml). Använd 0,100 ml av QC Standard att göra QC Spike. För att göra en QC Standard Check, till 0,100 ml av QC Stock Standard till en 50-ml volumetric kolv och fyll upp till märket med KCl.
OBS: Detta är en 0,2 | ig / ml spädningskoncentration. - Använd Estuarine sediment som QC referensprov. Använd 0,01% KCl som metoden tomt.
- Förbered en 1.000 ng / ml QC Stock Standard från kaliumdiväteortofosfat och DDI vatten. Använd QC Stock Standard att göra kalibreringen Standards (5 mikrogram / ml, 1 mikrogram / ml, 0,5 mikrogram / ml, 0.2 g / ml, 0,1 mikrogram / ml). Använd 0,100 ml av QC Standard att göra QC Spike. För att göra en QC Standard Check, till 0,100 ml av QC Stock Standard till en 50-ml volumetric kolv och fyll upp till märket med KCl.
- Analysera på autoanalysator systemet. Ställ prover upp som Primer (Hög Standard (0,5 mikrogram / ml), kalibrerings (5 mikrogram / ml, 1 mikrogram / ml, 0,5 mikrogram / ml, 0.2 g / ml, 0,1 mikrogram / ml), Blank, Null, Hög Standard ( 0,5 | ig / ml), Liten Standard (0,1 | ig / ml), Liten Standard (0,1 pg / ml), NULL, QC (referensprov / Estuarine Sediment), QC (referensprov / Estuarine Sediment), metod Blank, Prov 1, Prov 2, prov 2 Dup, prov 3 mm, Hög Standard, Null.
- I varje sats av prover också extrahera två ämnen: en är en kalibreringsämnet och den skall placeras i standardrack av autosampler, den andra är en metod tom och den skall placeras i provfacket.
- Specifik ytarea
OBS: analysis för Brunauer-Emmett-Teller (BET) yta fördes i kemikalie Biological Radio Nuclear (CBRN) Skydd Lab på RMC. Metoden utnyttjar N2-gas sorption analys vid 77 K i en relativ tryckområde från 0,01 till 0,10 efter avgasning vid 120 ° C under minst 2 h. Ett duplikat prov analyserades för varje 6 okända prover. Prover malda till pulverform före analys.
OBS: Avgasningstider och tryck är specifika för instrumenttillverkaren och den metod som har validerats tidigare med hög temperatur aktivt kol. - Katjonbyteskapacitet (CEC)
- Följ natriumacetat metod för CEC beskrivs av Laird och Fleming (2008) för att beräkna CEC.
- Inkludera en analytisk tomt (DDI vatten), standardreferensmaterial (Ottawa Sand) och duplicera för varje 10 prover.
- Bered mättar lösning (1 M NaOAc pH 8,2) genom att lösa 136,08 g NaOAC. 3H 2 Oi 750 ml destillerat, avjoniserat vatten. Justera pH till 8,2 genom tillsats av ättiksyra eller natriumhydroxid. Späd till 1 L med DDI vatten.
- Bered första skölj lösning (80% isopropanol (IPA)) genom att kombinera 800 ml IPA med 200 ml destillerat, avjoniserat vatten. Förbered sedan andra sköljlösningen (100% IPA).
- Förbered ersätter lösning (0,1 M NH4CI) genom att lösa 5,35 g NH4CI i 1 L destillerat, avjoniserat vatten.
- Väg 0,2 g av provet (lufttorkad, malda) i en 30-ml centrifugrör. Samtidigt, väger 0,5 g av samma lufttorkades provet i en i förväg vägd aluminiumtorkpanna. Placera provet i aluminiumtorkpannan i ugnen på 200 ° C under 2 timmar, låt det svalna i en exsickator och väg igen för att bestämma vattenhalten i den lufttorkade provet. Använd detta prov för att beräkna vattenhalten korrektionsfaktor, F (steg 4.4.1.10).
- Lägg 15 ml av mättlösningen, virvel, centrifugera sedan vid 3.000xg under 5 minuter. Dekantera och försiktigt kassera supernatanten att säkerställa att inget prov förlorad. Upprepa detta steg två gånger.
- Lägg 15 ml av den första sköljlösningen. Vortexa och centrifugera vid 3000 xg under 5 minuter. Dekantera och försiktigt kassera supernatanten. Upprepa detta steg flera gånger, varje gång mätning av den elektriska ledningsförmågan för supernatantlösningen. När ledningsförmågan hos supernatanten sjunker under konduktiviteten NaOAc mättad med IPA (~ 6 iS / cm), växla till den andra sköljlösningen. Fortsätt att spola provet tills konduktiviteten av supematanten sjunker under 1 | iS / cm.
- Låt provet lufttorka i ett dragskåp, tillsätt sedan 15 ml av den ersättande lösning. Vortexa och centrifugera vid 3000 xg under 5 minuter. Dekantera och spara supernatanten i en 100 ml mätkolv. Upprepa detta steg tre gånger, varje gång spara supernatanten i samma mätkolv. Sedan föra volymetriska till 100 ml med destillerat, avjoniserat waTer.
- Analysera natriumhalten via induktivt kopplad plasma-atomemissionsspektrometri (ICP-AES) såsom tidigare beskrivits.
- Utför följande beräkningar:
F = (vikt av ugnen torkade, lufttorkad prov - vikt av lufttorkad prov)
C = Na koncentration (mg / L) i 100 ml-mätkolv
W = vikt (g) av luft-torrt prov sattes till centrifugrör
CEC = (C x 0,435) / (B x F) (cmol / kg)
- Följ natriumacetat metod för CEC beskrivs av Laird och Fleming (2008) för att beräkna CEC.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
En sammanfattning av alla resultat, inklusive en jämförelse med de kriterier som fastställts av IBI 13 återfinns i tabell 1 (sammandrag), 2 (Ny, hög, låg, Tredje råmaterial och High-2 biochars) och 3 (Gamla biochar). Alla biochars och råvaror som används i 2012 och 2013 (tabell 2) var väl inom det kriterium som fastställts av IBI och det fanns små skillnader mellan biochars. Gamla biokol (tabell 3), den första biokol undergår provning, gjordes från begagnade fraktpallar och byggavfall och var fast besluten att ha förhöjda nivåer av metaller arsenik, krom, koppar och bly. Gammal biokol hade också de lägsta nivåerna av organiskt kol (63,2%) som bestäms av glödgningsförlust. Denna biokol hade de högsta nivåerna av extraherbart fosfor (850 mg / kg) och CEC (34,8 cmol / kg), samt den högsta andelen av fina partiklar (<0,5 mm, 48%). Gammal biokol var också den enda biokol tillmisslyckas groningen testet (Figur 3) och det bestämdes att Dyngmask (jord ryggradslös) undvek signifikant 2,8% Gamla biokol ändring, medan de föredrog ändring 2,8% av den nya biokol (Figur 2).
Test Kategori A: Grundläggande Biochar Utility Properties
Biochar produktion via pyrolys är i huvudsak pyrolys av biomassa. Den förkolning process möjliggör omvandlingen av strukturerade organiska molekyler av trä- och cellulosamaterial till kol eller kol-innehållande rester, som ofta aromatisk natur 14-18. Förkolning erhålls genom eliminering av vatten och flyktiga ämnen från bioråvara, på grund av inverkan av värme under pyrolysprocessen 19. Samtliga biochars produceras vid den kommersiella växthus innehöll en relativt låg fuktprocent (<5%) med undantag för gamlabioträkol. Alla biochars kategoris av IBI som klass A (> 60%) i termer av deras sammansättning av organiskt kol som en följd av fullständig förkolning av råmaterialet via pyrolys. Alltså på grund av den höga andelen organiskt kol, alla biochars produceras har en låg andel av aska (<2,5%), vilket är den oorganiska eller mineralkomponent i biokol 13. Även om dessa låga aska biochars inte ge betydande mängder näringsämnen direkt till jorden som gör sitt höga aska biokol (ofta tillverkade av gödsel och ben) motsvarigheter; innehållet i dessa biochars kol är mycket högre och därför har de högre långa behålla närings förmågor 20-22.
Väteförhållandet kol (H: C) är en term som ofta används för att mäta graden av aromatisk och mognad av biokol, som har kopplats till deras långsiktiga stabilitet i miljön 18. För bioråvara innehåller cellulosa and lignin, de H: C-förhållanden är cirka 1,5. Emellertid är pyrolys av dessa material vid temperaturer över 400 ° C förväntas producera biochars med H: C-förhållanden <0,5. Det har rapporterats att en H: C-förhållande <0,1 indikerar en grafitliknande struktur i bioträkol 23. Alla biochars i denna rapport har H: C-förhållanden mindre än 0,02, vilket tyder på att dessa biochars är mycket aromatisk karaktär och kommer att ha en långsiktig stabilitet i miljön.
Markens pH är ett mått på markens surhetsgrad, och tyvärr många jordbruksmarken i Kanada och i hela världen är sura (pH <7), vilket innebär att de inte är idealiska för grödornas tillväxt. Biochars med ett alkaliskt pH (7>), såsom de som produceras vid växthuset, kan sättas till sura jordar för att öka markens pH till nivåer som är mer lämpade för växternas tillväxt.
En annan viktig mark karakteristisk för växternas tillväxt är partikelstorleksfördelning (PSD). Biochars som har en högre procentandel av grova partiklar kan gynnsamt öka jordluftning och förhindra bioträkol rörelse in i alv över tid, vilket därigenom ökar den tid bioträkol ger fördelar för växttillväxt 24. Men mindre partikelstorlekar gynnade för biochars som produceras för saneringsändamål med avsikt att sorbera föroreningar och minimera deras biotillgänglighet, som föroreningar är lättare kunna komma åt porutrymmet för bindning 3,25, 26. Även mindre partiklar storlekar ökar antalet biochar partiklar per volymenhet jord, vilken är gynnsam för förorenings sorption 27. Som i en tidigare studie 3, är fina partiklar definieras som de <0,25 mm och grova partiklar som> 0,5 mm. De biochars heter Ny-, hög- och Tredje Råvara har en hög andel grova partiklar (~ 98%), och en låg andel fina partiklar (~ 2%). Den biologiskachar produceras vid en något lägre temperatur, hade 89% grova och 11% fina partikelstorlekar. Alla dessa biochars kan erbjuda avsevärda förbättringar jordart och luftning särskilt i degraderade eller lera typ jordar. Gamla bioträkol hade en PSD som väsentligen avviker från de andra, med 52% grov och 48% fina partiklar. En biokol med denna PSD kan vara att föredra för användning vid förorenade områden där förorenings sorption är den primära fokus.
Test Kategori B: toxisk rapportering
Biologisk testning av biokol är viktigt att bedöma toxiciteten (om någon) av dessa material till jordryggradslösa djur och växter. Hittills finns det lite befintlig litteratur om de potentiella effekterna av biokol på landlevande organismer och deras tillhörande svar, och ofta den litteratur som existerar presenter motstridiga resultat. Exponering för föroreningar kan hämma daggmaskar förmåga att utföra viktiga funktioner mark såsom decomposition, närings mineralisering, och markstruktur förbättringar 28. Ny biokol visade inga skadliga effekter på daggmask Dyngmask enligt bedömning av daggmask undvikande, men maskar undvek signifikant Gamla biokol (Figur 2). Groning analyser är en teknik som används för att utvärdera toxiciteten av ett särskilt material för växter. Planteringsjord fungerade som en bättre kontroll än filterpapper som filterpapper ofta uppmuntrat mögelbildning. Pumpa och alfalfa frön grodde väl med 67% ± 12% och 81% ± 6% grobarhet, respektive. Rötter frodats också väl med genomsnittliga längder efter sju dagar är 14 cm ± 0,6 cm och 55 cm ± 8 cm för pumpor och alfalfa, respektive. Som med daggmask undvikande studier Gamla biokol visade toxicitet för växter och alla andra biochars utvärderade visade inga skadliga effekter för frögroning mätt som procent groning och rot längd efter sju dagar (Figur 3
Även om vissa typer av biokol har potential att sorbera organiska föroreningar och minska deras giftighet i miljön, är noggrann karakterisering av biokol som krävs för att säkerställa att den inte innehåller skadliga föroreningar som PAH, PCB och metaller som en följd av förorenade råvaror eller pyrolysförhållanden. Ingen av biochars produceras vid växthuset hade PAH koncentrationer överstigande IBI riktlinjer. Gammal biokol bestämdes ha förhöjda halter av PCB och metaller arsenik, krom, koppar och bly, men ingen av de biochars framställts från de andra två material biomassa innehöll metaller ovanför IBI riktlinjer. Gammal biokol producerades från begagnade fraktpallar och byggavfall som sannolikt källan till föroreningen metallen. Även Gamla biokol inte skulle vara lämplig för användning i jordbruksmark eller hem trädgårdar, kunde alla andra biochars användas för dessa ändamål.
Test Cateblodiga C: Biochar Avancerad Analys och Soil Enhancement Properties
Biochars innehåller en hög koncentration av ammonium och nitrat kan tillämpas på jordbruksmark för att kompensera kraven för konstgödsel. Men om biokol innehåller ett överskott av dessa kväveföreningar sedan ansökan i stor skala skulle kunna öka den atmosfär N2O koncentration och förorena dricksvattentäkter med nitrater. Ingen av biochars studerade innehöll förhöjda mängder av ammonium eller nitrat.
Fosfor är en viktig komponent för många fysiologiska processer relaterade till riktig energiutnyttjandet i både växter och djur. Biochars med måttliga mängder av tillgängliga fosfor kommer att fungera som viktiga växtgödningsmedel. I Ontario, är jordar som innehåller 15-30 mg / kg fosfor anses låg, 31-60 mg / kg moderat, och 61-100 mg / kg hög. Gammal biokol var högst i tillgängligt fosforvid 850 mg / kg och får inte vara lämpliga för att lägga till jordar redan klassificerats som hög i fosfor. Emellertid alla andra biochars testades hade en mycket lägre mängd tillgängligt fosfor och skulle inte förväntas orsaka problem när de läggs i hastigheter på upp till 10% (vikt / vikt).
Komponenterna i biochar (förutom fukt) som publiceras under pyrolys kallas flyktigt material. Dessa komponenter är normalt en blandning av korta och långkedjiga kolväten, aromatiska kolväten med mindre mängder svavel. Flyktiga ämnen bestämdes via proximate analys som också bestämmer fukt- och askhalt av biochars (avsnitt 2.2). Den flyktiga innehållet påverkar stabiliteten i materialet 29, N tillgänglighet och växternas tillväxt 30. I teorin biochars hög i flyktiga ämnen är mindre stabila och har en högre andel av labil kol som ger energi för mikrobiell tillväxt och begränsar tillgången på kväve som behövs förplanttillväxt. En studie av Deenik et al., (2010) ansåg 35% flyktiga ämnen för att vara hög (inducerande kvävebrist), och 10% flyktiga ämnen som låg. Allt biokol i denna rapport innehöll mindre än 20% flyktiga ämnen, och därmed skulle inte förväntas begränsa växters tillväxt. Proximate analys bestämning av flyktiga ämnen är viktigast för biochars med låga aska koncentrationer såsom de som produceras vid den kommersiella växthus.
Specifik ytarea (SSA) är ett mått på porositeten hos en bioträkol. Det inkluderar inte bara den yttre biochar ytarean, men även ytarean inom porutrymmena och är en viktig egenskap som används för att förutsäga förmågan hos en bioträkol att sorbera organiska föroreningar. Miljögifts sorption har tillskrivits π-π interaktioner (attraktiv, icke-kovalent bindning) mellan den aromatiska ringen (er) av föroreningen och de av biokol 31. Aktivt kol (AC) är en träkol liknande mattaerial som behandlas under dess produktion för att maximera sin porositet och därmed har högre SSA än de flesta biochars. Även om alla av biochars presenteras i denna rapport har SSA i 300 m 2 / g intervall (dvs mycket mindre än för AC, ~ 800 m 2 / g), som rapporterats i Denyes et al, 2012 och 2013, de biochars. , gamla och nya, har båda visat betydande potential att fungera som en jordförbättring för sanering av PCB.
Katjonbyteskapacitet (CEC) är ett mått på antalet katjoner (positivt laddade joner) som en jordpartikel är i stånd att hålla vid ett givet pH. Förmågan av jorden för att hålla katjoner beror på elektrostatiska interaktioner med negativt laddade ställen på ytan av en partikel, såsom hydroxyl (OH -) och karboxyl (COO -). Grupperna 32, 33 CEC av jorden kan kopplas till förmågan hos jorden för att hålla näringsämnen och behålla katjoner från gödningsmedel vilka essential för växternas tillväxt. Även många miljögifter som bly, kadmium och zink har positiva laddningar; Därför jordar med hög CEC kan fungera för att förhindra läckage av dessa föroreningar i dricksvattentäkter. Biochars har rapporterats öka CEC av jordar, på grund av den långsamma oxidation av biokol yta som ökar antalet negativt laddade platser, och därmed kan minska kraven gödselmedel och immobilisera positivt laddade föroreningar i jord 32. Vanligtvis sandjordar har en CEC mellan 1-5 cmol / kg, lerjord jordar 5-15 cmol / kg, lera typ jordar> 30 cmol / kg och organiska materia 200-400 cmol / kg. Metoderna för att bestämma CEC av biokol är fortfarande i sin linda och därför bör övervägas i relativa termer. CEC av biochars produceras vid växthuset är högre än CEC av PCB-kontaminerat jordar (Denyes et al., 2012), men lägre än kompost ändrad jordar.
ass = "jove_content" fo: keep-together.within-page = "always"> 
Figur 1. Daggmask undvikande hjulet. Hjulen är tillverkade av stål och maskarna tillåts flytta hela facken via flera hål som är ungefär 5 cm i diameter.
Figur 2. Earthworm undvikande analys av gamla och nya typer biochars. Den biokol titeln "Gamla" producerades via byggavfall, medan biokol titlarna "Nya" producerades från sågspångsmaterial. * Anger en signifikant skillnad mellan utan ändringar krukjord och krukjord ändras med 2,8% av antingen bioträkol (p <0,05).
Figur 3. Procentuell groning av två olika växtarter. Pumpkin (Cucurbita pepo spp. Pepo) och alfalfa (Medicago sativa) odlades i tre exemplar i olika biochars produceras vid en kommersiell växthus i sju dagar. Gamla och Nya avser biochars gjorda av olika råvaror, medan Låg och Hög hänvisar till olika temperaturer på pyrolys. * Indikerar signifikant skillnad från kontrollerna (planteringsjord och filterpapper).
| Prov | Råvara | Pyrolys Temperatur | Organiskt material (LOI) | pH | CEC | PSD | PSD | SSA |
| Grov | Böter | |||||||
| ° C | % | cmol / kg | % | % | m 2 / g | |||
| Gammal | 1 | > 700 | 63,2 | 9,3 | 34,8 | 51,7 | 48,3 | 373,6 |
| Ny | 2 | 700 | 97,8 | 9 | 16 | 98,7 | 1,3 | 324,6 |
| Låg Temp | 2 | 500 | 96,7 | 8,7 | 15,9 | 86,2 | 13,8 | 336,9 |
| Hög temp0; | 2 | > 700 | 97,9 | 8,4 | 11,1 | 98,1 | 1,9 | 419,5 |
| Tredje Råvara | 3 | 700 | 96,2 | 9,6 | 13,2 | 97,6 | 2,4 | 244,4 |
| Hög Temp-2 | 3 | > 700 | 97,1 | 9,1 | 17,1 | 97,9 | 1,9 | 428 |
| LOI: Glödgningsförlust, CEC: katjonbyteskapacitet, PSD: Partikelstorleksfördelning, SSA: Specifik Surface Area | ||||||||
Tabell 1. Råvara typ, pyrolystemperatur och fysikaliska egenskaperna hos de sex biochars.
| Krav | IBI | Biochar | Råvara Range | Enhet | |
| Kriterier | Range | ||||
| Test Kategori A: Grundläggande Biochar Utility Properties - krävs för alla Biochars | |||||
| Fukt | Deklaration | <0,1-4,3 | % | ||
| Organiskt kol | Klass 1> 60% | 96,2-97,8 (LOI) | % | ||
| Klass 2> 30% | 92,44-97,93 (Pro / Ult) | ||||
| Klass 3> 10 <30% | |||||
| H: C org | 0,7 max | 0,01-0,02 | Förhållande | ||
| Total aska | Deklaration | 1,38-2,26 | % | ||
| Total N | Deklaration | 0,28-1,06 | % | ||
| pH | Deklaration | 8,4-9,6 | pH | ||
| Partikelstorleksfördelning | Deklaration | 86-98 | % Grov | ||
| 1,3-14 | % | ||||
| Böter | |||||
| Test Kategori B: toxisk Reporting- Krävs för Alla Insatsvaror | |||||
| Groning | Pass / Fail | Pass | |||
| Earthworm Undvikande | Deklaration | Ingen Undvikande | |||
| Polyaromatiska kolväten (PAH) | 6-20 | <2,0 | mg / kg | ||
| Polyklorerade bifenyler (PCB) | 0,2-0,5 | <0,1 | mg / kg | ||
| Arsenik | 12-100 | <1,0 | <1,0 | mg / kg | |
| Kadmium | 1,4-39 | <1,0 | <1,0 | mg / kg | |
| Krom | 64-1,200 | <2,0 | <2,0-2,6 | mg / kg | |
| Kobolt | 40-150 | <1,0 | <1,0 | mg / kg | |
| Koppar | 63-1,500 | 3,6-6,5 | <2,0-5,9 | mg / kg | |
| Bly | 70-500 | <2,0-2,7 | <2,0-8,1 | mg / kg | |
| Kvicksilver | 1,000-17,000 | <5,0-294 | ng / g | ||
| Molybden | 5-20 | <2,0 | <2,0 | mg / kg | |
| Selen | 1-36 | <10 | <10 | mg / kg | |
| Zink | 200-7,000 | 5,6-56,2 | 7,8-30,5 | mg / kg | |
| Klor | Deklaration | mg / kg | |||
| Natrium | Deklaration | 137-878 | <75-770 | mg / kg | |
| Test Kategori C: Biochar Avancerad Analys och Soil Enhancement Properties Valfri för Alla Biochars | |||||
| Mineral N (ammonium och nitrat) | Deklaration | <0,2-6,1 | mg / kg | ||
| Total Fosfor | Deklaration | 69,5-276 | 52,5-74 | mg / kg | |
| Tillgänglig Fosfor | Deklaration | 9-80 | mg / kg | ||
| Flyktiga ämnen | Deklaration | 12,47-19,09 | % | ||
| Specifik ytarea | Deklaration | 244-428 | m 2 / g | ||
| Katjon ExcHange Kapacitet | Deklaration | 11,1-17,1 | cmol / kg | ||
Tabell 2. Sammanfattning Kriterier och egenskaper för New, Hög, Låg, Tredje och High-2 Biochars och Insatsvaror. Alla biochars anges i denna tabell produceras från liknande råvaror på samma pyrolysanläggning.
| Krav | IBI | Biochar Range | Råvara Range | Enhet |
| Kriterier | ||||
| Test Kategori A Grundläggande Biochar Utility Properties - krävs för alla Biochars | ||||
| Fukt | Deklaration 20 | % | ||
| Organiskt kol | Klass 1> 60% | 63,2 (LOI) | % | |
| Klass 2> 30% | ||||
| Klass 3> 10 <30% | ||||
| H: C org | 0,7 max | Förhållande | ||
| Total aska | Deklaration | % | ||
| Total N | Deklaration | % | ||
| pH | Deklaration | 9,3 | pH | |
| Partikelstorleksfördelning | Deklaration | 52 | % Grov | |
| 48 | % Fin | |||
| Testa Kategori B: toxisk Reporting- Krävs för Alla Insatsvaror | ||||
| Groning | Pass / Fail | Fail | ||
| Earthworm Undvikande | Deklaration | Undvek | ||
| Polyaromatiska kolväten (PAH) | 6-20 | mg / kg | ||
| Polyklorerade bifenyler (PCB) | 0,2-0,5 | 1,2 | mg / kg | |
| Arsenik | 12-100 | 167 | <1,0 | mg / kg |
| Kadmium | 1,4-39 | <1,0 | <1,0 | mg / kg |
| Krom | 64-1,200 | 206 | <20 | mg / kg |
| Kobolt | 40-150 | 5,3 <5,0 | mg / kg | |
| Koppar | 63-1,500 | 558 | <5,0 | mg / kg |
| Bly | 70-500 | 314 | <10 | mg / kg |
| Kvicksilver | 1,000-17,000 | <5,0 | ng / g | |
| Molybden | 5-20 | <2,0 | <2,0 | mg / kg |
| Selen | 1-36 | <10 | <10 | mg / kg |
| Zink | 200-7,000 | 498 | <15 | mg / kg |
| Klor | Deklaration | mg / kg | ||
| Natrium | Deklaration | 6460 | <75 | mg / kg |
| TestKategori C: Biochar Avancerad Analys och Soil Enhancement Properties Valfri för Alla Biochars | ||||
| Mineral N (ammonium och nitrat) | Deklaration | 2,6 | mg / kg | |
| Total Fosfor | Deklaration | mg / kg | ||
| Tillgänglig Fosfor | Deklaration | 850 | mg / kg | |
| Flyktiga ämnen | Deklaration | % | ||
| Specifik ytarea | Deklaration | 373,6 | m 2 / g | |
| Katjonbytarkapacitet | Deklaration | 34,8 | cmol / kg | |
Tabell 3. Sammanfattande Kriterier och egenskaper för Old Biochar och råmaterial. Den bioträkol listaed i denna tabell producerades från byggavfall vid samma pyrolysanläggning som biochars som anges i tabell 2.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Alla de metoder som anges i protokollet har noggrant validerat och i stor utsträckning används för jordar. Som biokol karakterisering är fortfarande i sin linda, var hur effektiva dessa metoder för koldioxidrika substrat till stor del okända. Därför, även om dessa metoder själva inte romanen, är deras tillämpning på rutinmässigt karakterisera biokol. När det gäller kvalitetssäkring / kvalitetskontroll, det fanns inga frågor bland någon av de metoder med avseende på de ämnena vara under detektionsgränsen eller återkrav vara korrekta för standardreferensmaterial. Detta indikerar att dessa metoder är lämpliga för att användas för karakterisering av biochar och andra kol-liknande material. Många olika metoder har använts för att karakterisera biochars i litteraturen 20, 34-41 emellertid, som biochar blir alltmer accepterat som ett jordtillsatsmedel, är rutinmetoder krävs.
Katjonbyteskapacitet var den enda metod där svårigheter uppstod. Metoden för att beräkna CEC av ett prov är beroende av provets vikt och koncentrationen av natrium i det given vikt. Biochar har en mycket låg densitet och därför inte pelletisera på botten av röret efter centrifugering, såsom jord gör. Därför, när dekantering och kasta supernatanten i steg 6 och 7 av metoden (4,4), är det viktigt att inte förlora någon av bioträkol provet. Pipettera lösningen från centrifugen erfordrades för att undvika provförlust.
Andra analysmetoder var lätt anpassas från jordmetoder. Ultimate och proximate analys är specifik för biokol och liknande produkter såsom kol, och därmed normalt inte finns i laboratorier som rutinmässigt analysera jordar. En annan metod (ASTM D1762) är tillgänglig, för bestämning av fukt, flyktiga ämnen, och aska i kol gjord speciellt trä. Denna metod skulle också ha också varit lämplig för närbelägna analysär. Vid fastställande glödgningsförlust för procent organiskt material och procent fukt vissa kan välja att utföra dessa analyser vid temperaturer högre än 420 ° C, speciellt om de biochars i fråga är framställd via mycket höga temperaturer av pyrolys. I fallet var denna studie 420 ° C är tillräcklig för att helt aska alla biochars, och även om inte diskuterat denna temperatur var tillräckligt hög för att aska även aktivt kol.
Arbeta med biologiska organismer såsom växter och maskar kan ofta vara en utmaning. Välja lämpliga studieorganismer är av särskild betydelse. Jorden ryggradslös Dyngmask används ofta som ett markbundet organism modell föroreningsexperiment eftersom denna art kan överleva vid höga koncentrationer av organiska föroreningar, är mycket väl utforskade, och är ekologiskt relevanta i många områden i världen 2, 28, 42 -46. Jord invertebrater spelaen viktig roll i jorden matris, eftersom de bryts ned organiskt material, cykel näringsämnen, och överföring vatten. De växtarter 'alfalfa (M. sativa) och pumpa (C. pepo) valdes för groning analyser såsom de vanligtvis odlas i Kanada och har använts i våra gratis arbete på förorening sanering 2, 3, 47. Växthusbetingelser för groende frön måste noga övervakas för att säkerställa väl fungerande belysning och för att undvika extrema temperaturväxlingar.
Den karakterisering av biokol är avgörande för en framgångsrik tillämpning som uppmätta parametrar indikerar effektiviteten av olika biochars för olika tillämpningar (dvs. om en biokol är lämplig för förorenings kvarstad, kvalitetsförbättring jord, förorening sanering etc.). Eftersom de metoder som beskrivs här är allmänt tillgängliga för jordanalys, de är ett kostnadseffektivt sätt för characterization av biochars, och bör vara allmänt användas före storskalig tillämpning av biokol i fält.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Biochar | Burt's Greenhouses | All six biochars were produced at Burt's Greenhouses via BlueFlame Boiler system | |
| NaOAc | Fisher Scientific | E124-4 | Dissolving 136.08 g of NaOAC.3H2O in 750 ml distilled, deionized water (DDI water) |
| Acetic Acid | Fisher Scientific | A38-212 | |
| Sodium Hydroxide | Fisher Scientific | SS284-1 | |
| Isopropanol | Fisher Scientific | A416P4 | 80% IPA: 800 ml IPA with 200 ml DDI water. |
| NH4Cl | Fisher Scientific | A649500 | Dissolving 5.35 g NH4Cl into 1 L DDI water. |
| Alumminum Drying Pan | Fisher Scientific | 08-732-110 | |
| Drying Oven | Fisher Scientific | 508N0024 | 200 °C for 2 hr. |
| Desiccator | Fisher Scientific | 08-595A | |
| Balance | Mettler | 1113032410 | |
| Saturating Solution | Fisher Scientific | 06-664-25 | |
| Vortex | Barnstead/Thermolyne | 871000536389 | |
| Centrifuge | International Equipment Company | 24372808 | 3,000 x g for 5 min. |
| Rinsing Solution | Fisher Scientific (Ricca Chemistry Company) | 06-664-24 | |
| Conductivity Meter | WESCAN | 88298 | |
| Replacing Solution | Fisher Scientific | 06-664-24 | |
| ICP-AES | Varian | EL00053841 | |
| ASAP 2000 Surface Area Analyser | Cavlon | 885 | Degassing at 120 °C for a minimum of 2 hr. |
| Muffle Furnace | Fisher Scientific | 806N0024 | Heat for 16 hr covering at 420 °C. |
| pH Meter | Fisher Scientific | 1230185263 | |
| Sieve | Fisher Scientific | 2288926 | 4.7 mm sieve being at the top. |
| Sieve Skaker | Meinzer II | 0414-02 | Shake for 10 min. |
| Sodium Sulphate | VWR | EM-SX0761-5 | |
| Ottawa Sand | Fisher Scientific | S23-3 | |
| Soxhlet Apparatus | Fisher Scientific (Pyrex) | 09-557A | 4 hr at 4–6 cycles/hr. |
| DCBP | Suprlco Analytical | 48318 | |
| Dichloromethane | Sigma Aldrich | 40042-40855-U | |
| 6890 Plus Gas Chromatograph Micro 63 Ni ECD | Agilent | US00034778 | |
| Helium | AlphaGaz | SPG-NIT1AL50SMART | |
| Nitrogen | AlphaGaz | SPG-HEL1AL50SMART | |
| Mortor and Pestle | Fisher Scientific (CoorsTeh) | 12-948G | |
| Nitric Acid | Fisher Scientific | 351288212 | |
| No. 40 Filter Paper | Fisher Scientific (Whatman) | 09-845A | |
| Quartz/Nickel weigh boats | Fisher Scientific | 11-474-210 | |
| DMA-80 | ATS Scientific | 5090264 | |
| 98–99% Formic Acid | Sigma Aldrich | 33015-1L | 1 L volumetric filled to 750 ml with DDI water add 20 ml formic acid and fill to volume with DDI water. |
| Sonicator | Fisher Sientific | 15338284 | |
| Rotating Shaker | New Brunswick Scientific (Innova 2100) | 14-278-108 | 1 hr at 200 rpm. |
| No. 42 Filter Paper | Fisher Scientific (Whatman) | 09-855A | |
| WhirlPacks | Fisher Scientific | R55048 | |
| Potassium Dihydrogen Orthophospahte | Fisher Scientific | 181525 | |
| 2 M KCl | Fisher Scientific | P282100 | |
| Plastic Vials | Fisher Scientific | 03-337-20 | |
| Ammonium Chloride | Fisher Scientific | PX05115 | Allow to warm up to room temperature |
| Colour Reagent | Fisher Scientific | 361028260 | Allow to warm up to room temperature |
| Colorimeter | Fisher Scientific | 13-642-400 | Turn on to let the lamp warm up and run for 5 min. |
| ASEAL Auto Analyzer 2 | SEAL | 4723A12068 | |
| Liquified Phenol | Fisher Scientific | MPX05115 | Alkaline Phenol: Measure 87 ml of liquefied phenol into 1-L volumetric filled 2/3 with DDI water. Add 34 g NaOH, make up to volume with DDI water. |
| NaOH | Fisher Scientific | S318-3 | |
| Commercial Bleach | Retail Store | Hypochlorite Solution: Using 100-ml graduated cylinder measure 31.5 ml of commercial bleach and fill to 100 ml with DDI water. | |
| NaOH Pellets | Fisher Scientific | S320-1 | |
| Disodium EDTA | Sigma Aldrich | E5124 | |
| Sodium Hyprchlorite | Fisher Scientific | SS290-1 | |
| Triton (10%) | Fisher Scientific | BP151-100 | |
| Sodium Nitroprusside | Fisher Scientific | S350-100 | |
| Ammonium Salts | Fisher Scientific | A637-10 | |
| Phenoxide | Fisher Scientific | AC388611000 | |
| Eisenia Fetida | The Worm Factory | ||
| Spade | Retail Store | ||
| Bucket | Retail Store | ||
| Potting Soil | Retail Store | ||
| Avoidance Wheel | Environment Canada | Constructed by a modified design from Environment Canada’s Acute Avoidance Test. | |
| Alumminum Foil | Fisher Scientific | 01-213-100 | |
| Petri Dishes | Fisher Scientific | 08-757-11 | 8.5 cm in diameter. |
| Pumpkin Seeds | Ontario Seed Company (OSC) | 2055 | |
| Alfalpha Seeds | Ontario Seed Company (OSC) | 6675 | |
| Centrifuge Tubes (30 ml) | Fisher Scientific | 22-038-906 | |
| Beakers (50 ml) | Fisher Scientific (Pyrex) | 02-540G | Oven dry at 105 °C. |
| Beakers (30 ml) | Fisher Scientific (Pyrex) | 20-540C | |
| Erlenmeyer Flasks (125 ml) | Fisher Scientific (Pyrex) | S76106C | |
| Volumetric Flask (100 ml) | Fisher Scientific (Pyrex) | 10-211C | |
| Estuarine Sediment | National Insititute of Standards | 1546A | Standard Reference Material |
| Bleach | Clorox Ultra (5–10% sodium hypochlorite) |
References
- Lehmann, J. A handful of carbon. Nature. 447, 143-144 (2007).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- International. ASTM D3172-13. Standard Practice for Proximate Analysis of Coal and Coke. , (2013).
- International. D3176-09. Standard Practice for Ultimate Analysis of Coal and Coke. , (2013).
- International. D5158-98. Standard Test Method for Determination of Particle Size of Powdered Activated Carbon by Air Jet Sieving. , (2005).
- 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).
- Method 8270D Semivolatile Organic Compounds by GC/MS. , (2007).
- International Biochar Inititive (IBI). Standardized Product Definition and Product Testing Guidelines for Biochar that is Used in Soil IBI-STD-1.1. , (2013).
- Demirbas, A. Biorefineries: Current activities and future developments. Energy Conversion and Management. 50 (11), 2782-2801 (2009).
- Bakker, R. Advanced biofuels from lignocellulosic biomass. The Biobased Economy: 'Biofuels, Materials and Chemicals in the Post-oil Era'. , 165 (2012).
- 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).
- McBeath, A. V., Smernik, R. J. Variation in the degree of aromatic condensation of chars. Org. Geochem. 40 (12), 1161-1168 (2009).
- 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).
- Yaman, S. Pyrolysis of biomass to produce fuels and chemical feedstocks. Energy Conversion and Management. 45, 651-671 (2004).
- 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).
- Cantrell, K. B., Hunt, P. G., Uchimiya, M., Novak, J. M., Ro, K. S. Impact of pyrolysis temperature and manure source on physicochemical characteristics of biochar. Bioresour. Technol. 107 (0), 419-428 (2012).
- Enders, A., Hanley, K., Whitman, T., Joseph, S., Lehmann, J. Characterization of biochars to evaluate recalcitrance and agronomic performance. Bioresour. Technol. 114 (0), 644-653 (2012).
- Krull, E., Baldock, J. A., Skjemstad, J. O., Smernik, R. J. Characteristics of Biochar: Organo-chemical Properties. Lehmann, J., Joseph, S. , earthscan. London. 53-65 (2009).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Zimmerman, A. R. Abiotic and microbial oxidation of laboratory-produced black carbon (biochar). Environ. Sci. Technol. 44 (4), 1295-1301 (2010).
- 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).
- 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).
- Liang, B., et al. Black carbon increases cation exchange capacity in soils. Soil Sci. Soc. Am. J. 70, 1719-1730 (2006).
- 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).
- 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).
- Lee, J. W., et al. Characterization of biochars produced from cornstovers for soil amendment. Environ. Sci. Technol. 44 (20), 7970-7974 (2010).
- 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).
- Mohan, D., Sarswat, A., Ok, Y. S., Pittman, C. U. Jr Organic and inorganic contaminants removal from water with biochar, a renewable, low cost and sustainable adsorbent–A critical review. Bioresour. Technol. , In Press. (2014).
- 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).
- 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).
- Wu, W., et al. Chemical characterization of rice straw-derived biochar for soil amendment. Biomass Bioenergy. 47, 268-276 (2012).
- 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).
- 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).
- 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).
- Environment Canada (EC) Biological Test Method: Tests for Toxicity of Contaminated Soil to Earthworms ('andrei', 'Eisenia fetida', or 'Lumbricus terrestris) EPS1/RM/43. , (2007).
- 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).
- 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).
- Denyes, M. J., Button, M., BA, Z. eeb, Rutter, A., Weber, K. P. In situ remediation of PCB-contaminated soil via phytoextraction and activated carbon/biochar amendments- soil microbial responses. Journal of Hazardous Materialssubmitted. , (2014).
