بخشی از مقاله
چکیده
هدف این مطالعه بررسی اثر دمای گرماکافت بر خصوصیات بیوچار و پس از آن اثر بیوچار تولید شده بر میزان انتشار دی اکسید کربن از خاک بود. بیوچار مورد استفاده از بقایای ذرت به عنوان ماده اولیه در سه دمای 200، 400 و 600 درجه سانتیگراد تولید گردید. خصوصیات بیوچار شامل pH و شوری، میزان بیوچار تولید شده، سطح ویژه، درصد خاکستر، و ترکیب عنصری آن مورد اندازه گیری قرار گرفت. نتایج نشان داد با افزایش دمای تولید بیوچار pH و EC، درصد خاکستر، میزان کربن، میزان عناصیر پتاسیم، فسفر، کلسیم، منیزیم، آهن، روی، مس و منگنز افزایش یافته ولی میزان اکسیژن، هیدروژن و نسبت هیدروژن به کربن، اکسیژن به کربن، هیدروژن به اکسیژن کاهش یافت. همچنین با افزایش دمای تولید بیوچار خروج دی اکسید کربن از خاک به دلیل کاهش چشمگیر ترکیبات آسان تجزیه پذیر و فرار - یا افزایش درجه آروماتیکی - موجود در بقایای ذرت کاهش محسوس یافت.
مقدمه
بیوچار - Biochar - یک ماده متخلخلکربنی ا ست که از تجزیه گرمایی بقایای آلی در دماهای ن سبتاً پایین و در یک محیط بدون اک سیژن یا با میزان اکسیژن محدود به دست میآید - لهمان و جوزف، . - 2009 تجزیه گرمایی بیوماس در یک محیط فاقد اکسیژن را گرماکافت - Pyrolysis - میگویند - یانگ و شنگ، . - 2012 عموماً بیوچار برای بهبود شرایط خاک، کاهش تغییرات اقلیمی و تولید انرژی تهیه و مصرف میشود - رودریگز، . - 2010 دمای تولید بیوچار از عوامل مهم و مؤثر بر رفتار بیوچار است. علیرغم اهمیت این متغیر مطالعه اندکی روی اثرات آن بر خ صو صیات بیوچار وجود دارد. خ صو صیات فیزیکی و شیمیایی بیوچار واب سته به دمای تولید آن بوده و دماهای بالاتر باعث افزایش سطح ویژه و تخلخل - موهانتی و همکاران، - 2013، pH قلیاییتر و نسبت کربن به نیتروژن بالاتر - رونس و همکاران، - 2013 و کربن آلی محلول کمتر - یوشیمایا و همکاران، - 2011 می گردد. مصرف بیوچار، بسته به نوع بافت خاک و میزان مواد آلی خاک می تواند باعث تغییرات قابل توجه خصوصیات فیزیکی و شیمیایی خاک گردد - گل و همکاران، . - 2015 بیوچار ترکیب بسیار پایداری داشته و در مقابل تجزیه مقاوم است. نتایج مطالعات مختلف نشان دهنده خروج مقادیر بسیار کم و ناچیز کربن بیوچار پس از مصرف آن در خاک است - زیمرمن و همکاران، 2011؛ بامینگر و همکاران، . - 2014 فانگ و همکاران - 2014 - پایداری بیوچار تولید شده در دماهای 450 و 550 درجه سانتیگراد را در 4 خاک مختلف مورد برر سی قرار دادند. نتایج آنها ن شان داد که پس از گذ شت یک سال تنها 0/3-3/71 در صد کربن بیوچار معدنی شده و با افزایش دمای گرماکافت، پایداری کربن بیوچار افزایش مییابد. بامینگر و همکاران - 2014 - در یک مطالعه انکوباسیونی پایداری بیوچار را در دو خاک جنگلی و زراعی مورد آزمایش قرار دادند. در این آز مایش دو نوع بیوچار سیلاژ ذرت تهیه شده از گرماکافت در 600 درجه سانتیگراد و کربنی شدن آب گرم - hydrothermal carbonization - در 200 درجه سانتیگراد مورد آزمایش قرار گرفتند. نتایج این آزمایش نشان داد میزان کربن خارج شده از بیوچار 2 تا 3 درصد بود در حالی که این میزان در هیدروچار - Hydrochar - - محصول به دست آمده از کربنی شدن آب گرم - 20 تا 40 درصد بود. بنابراین بیوچار می تواند برای افزایش سطح ماده آلی خاک ترکیب مناسبی باشد. از این رو، هدف این مطالعه بررسی اثر دماهای مختلف بر خصوصیات شیمیایی و فیزیکی بیوچار و تصاعد دی اکسید کربن از خاک است. آزمایش کنونی جهت آزمون این فرضیهها که دمای تولید بیوچار اثر مهمی بر تغییرات خصوصیات شیمیایی و ویژگیهای آن دارد و بیوچار باعث کاهش تصاعد دی اکسید کربن از خاک می شود به مرحله اجرا درآمد.
مواد و روشها
خاک مورد استفاده در این پژوهش از لایه سطحی 0 - تا 20 سانتیمتر - و از دو منطقه متفاوت نمونهبرداری گردید. نمونههای خاک به آزمایشگاه منتقل و به مدت یک هفته هواخشک شدند و سپس از الک 2 میلیمتر گذرانده شدند و مورد تجزیه فیزیکی و شیمیایی قرار گرفتند - جدول . - 1 بیوچار مورد استفاده در این تحقیق بقایای ذرت به عنوان ماده خام اولیه بود که در سه دمای 200، 400 و 600 درجه سانتی گراد با استفاده از تجزیه حرارتی در کوره الکتریکی در شرایط اکسیژن محدود و به مدت 2 ساعت تولید شد. پس از تهیه بیوچار یک زیرنمونه از بیوچارها برداشت و مورد تجزیه شیمیایی قرار گرفت - جدول . - 2 تیمارهای آزمایشی شامل شاهد - C - ، کلش ذرت - B00 - ، بیوچار 200 درجه سانتی گراد - B200 - ، بیوچار 400 درجه سانتی گراد - B400 - ، بیوچار 600 درجه سانتی گراد - B600 - بودند. تصاعد دی اکسید کربن از خاک به مدت 60 روز و هر سه روز یکبار به روش اندرسون - 1982 - اندازه گیری گردید.
جدول -1 برخی خصوصیات فیزیکی و شیمیایی خاکهای مورد مطالعه
جدول -2 تجزیه عنصری و خصوصیات بیوچارهای تولید شده
نتایج و بحث
اثر دما بر ویژگیهای بیوچار
با افزایش دما، محصول بیوچار از 80 درصد در دمای 200 درجه سانتیگراد به 30 درصد در دمای 600 درجه سانتیگراد کاهش یافت. این کاهش عملکرد عمدتاً بخاطر تخریب ساختار ترکیباتی از قبیل سلولز و همیسلولز و سوختن ترکیبات آلی با افزایش دمای گرماکافت است - نوواک و همکاران، 2009؛ کائو و هاریس، 2010؛ سینگ و همکاران، . - 2015 آستون و همکاران - 2013 - تأثیر دمای گرماکافت و نوع مواد اولیه را بر خصوصیات بیوچار مورد بررسی و نشان دادند با افزایش دمای گرماکافت محصول بیوچار در دامنه دمایی 350 تا 500 درجه به مقدار زیادی کاهش مییابد. یانگ و همکاران - 2004 - پیشنهاد دادند که رطوبت در دمای 220 درجه خارج میگردد، همی سلولز در دمای 220 تا 315 درجه و سلولز در دمای 315 تا 400 تجزیه میشود. درصد خاکستر بیوچار روند عکس داشت و با افزایش دما بر میزان خاکستر بیوچار افزوده شد و از 8 درصد در مواد اولیه خام به 39 درصد در دمای 600 درجه افزایش یافت. بطور کلی درصد بالای خاکستر موجود در بیوچارها به خاطر درصد ترکیبات سیلیکاتی زیاد و همچنین علفی بودن بقایای ذرت است که در مقایسه با بقایای خشبی خاکستر بیشتری تولید مینماید نتایج تجزیه نشان داد با افزایش دمای تولید، pH و EC بیوچار افزایش مییابد. علت افزایش pH بیوچار میتواند به دلیل تشکیل اکسیدهای فلزات و خروج دی اکسید کربن، دی اکسید نیتروژن و دی اکسید گوگرد در حین گرماکافت - سینگ و همکاران، - 2015، افزایش گروههای عاملی قلیایی و کاهش گروههای عاملی اسیدی - الوابل و همکاران، - 2013، جدا شدن نمکهای قلیایی از ساختار موادآلی - یووان و ژو، - 2011 و افزایش نسبت عناصر قلیایی باشد. همچنین به دلیل تخریب ساختارهای مواد اولیه و آزاد شدن برخی از عناصر ساختمانی و خروج مواد فرار، EC بیوچار با افزایش دمای تولید افزایش مییابد شکل 2 تأثیر دمای گرماکافت بر نسبت عنصری بیوچار ذرت شکل -1 تأثیر دمای گرماکافت بر pH و EC بیوچار ذرت میزان کربن بیوچار با افزایش دما افزایش یافت. نتایج نشان داد که میزان کربن بیوچارهای 200 ، 400 و 600 درجه سانتی گراد به ترتیب 48/7، 56/4 و 63 درصد بود که به ترتیب افزایش 19، 38 و 54 درصدی کربن را نسبت به بقایای خام ذرت نشان داد. با افزایش دما، با خروج مواد فرار و ترکیبات سهل التجزیه درجه کربنی شدن افزایش مییابد که با افزایش میزان کربن و کاهش هیدروژن و اکسیژن بیوچار نشان داده میشود - یوشیمایا، . - 2011 بر اساس مطالعه یانگ و شنگ - 2012 - با افزایش دمای گرماکافت میزان کربن در دمای 350 و 600 درجه سانتیگراد از 17/3 درصد در مواد اولیه به ترتیب به 61/1 و 79/5 درصد افزایش یافت و میزان خاکستر در دمای 300 و 600 درجه 5 و 7 برابر آن در ماده اولیه بود. میزان نیتروژن بیوچار روند مشخصی نداشت که با نتایج مطالعات دیگران مطابقت دارد نتایج تجزیه بیوچار نشان داد با افزایش دمای تولید تا 400درجه، نسبت کربن به نیتروژن کاهش یافته و مجدداً در 600 درجه سانتیگراد افزایش مییابد. علت این امر می تواند بخاطر تجزیه ترکیبات نیتروژنی موجود در بافت گیاه و خروج گازهای نیتروژن دار باشد. به دلیل افزایش غلظت کربن در بیوچار، نسبت هیدروژن به کربن، و نسبت اکسیژن به کربن با افزایش دما همواره و به طور ثابت کاهش یافت. کاهش نسبت هیدروژن به کربن نشان دهنده فرایند آبزدایی و کاهش نسبت اکسیژن به کربن بیانگر واکنشهای کربوکسیلزدایی و هر دو نسبت، شاخص و یا درجه آروماتیکی شدن بیوچار - یا درجه تراکم بیوچار - را نشان می دهند. با کاهش این نسبتها کربن زود تجزیه پذیر کاهش مییابد - جیندو و همکاران، . - 2014 نسبت اکسیژن به کربن بالا روی سطوح بیوچار نشان دهنده حضور گروههای عامل اکسید شده مانند کربوکسیل است و با افزایش دمای تولید بیوچار ترکیبات aryl-C افزایش در حالیکه ترکیبات O-alkyl-C کاهش می یابند. طیف سنجی جذب مادون قرمز بیوچار نشان داد با افزایش دمای تولید بیوچار از میزان ترکیبات ساده موجود در ماده اولیه کاسته شده و بر میزان ترکیبات پیچیده افزوده می شود - شکل . - 4 افزایش میزان جذب در محدوده بین 800 تا 1500 سانتیمتر نشان دهنده تشکیل پیوندهای دوگانه و سه گانه و آروماتیکی شدن ساختمان بیوچار است.
