بخشی از مقاله
چکیده
بیوچار - زغال گیاهی - از جمله محصولات جانبی فرایند گرماکافت است که بعنوان منبعی از کربن و به دلیل خصوصیات ساختاری ویژه می تواند در کاهش تصاعد گازهای گلخانه ای و لذا حفظ و بهبود شرایط مطلوب زیست محیطی موثر باشد. متاثر از درجه حرارت فرایند گرماکافت و نیز خصوصیات زیتوده آلی مورد استفاده، بیوچارهای با خصوصیات مختلفی تولید می شود.
لذا به منظور بررسی تاثیرات درجه حرارت بر فرایند گرماکافت این پژوهش بر پایه طرح بلوک کاملا تصادفی در 3 تکرار، با 3 دمای گرماگافت 400 - ، 700 و 900 درجه سانتیگراد - بر تغییرات خصوصیات شیمیایی بیوچار EC - ، pH، نسبت C به N، سطح ویژه، CEC، گروه های عاملی - تهیه شده از نی انجام شد و در این ارتباط از تکنیک FTIR جهت بررسی تغییرات گروه های عاملی متاثر از دمای گرماکافت استفاده شد.
نتایج نشان داد که با افزایش دمای گرماکافت از 400 به 900 درجه سانتی گراد، هدایت الکتریکی - - EC، سطح ویژه، نسبت کربن به نیتروژن - - C/N بیوچار افزایش معنی داری - سطح 5 درصد - نشان می دهد. نتایج طیف سنجی مادون قرمز نشان داد که با افزایش دمای گرماکافت از فراوانی گروههای عاملی غیرآروماتیک - O-H - کاسته و بر آروماتیسیته بیوچار افزوده می شود.
مقدمه
اساسا مدیریت ضایعات و پسماندها از اهمیت و جایگاه ویژه ای برخوردار است که هم از جهت زیست محیطی و هم از ابعاد اقتصادی می تواند برای مدیران و تصمیم گیران حائز اهمیت باشد. در این ارتباط مواد مختلفی وجود دارد که از آنجمله می توان به بیوچار اشاره نمود. بیوچار مادهایی غنی از کربن و گروههای آروماتیک است که در اثر هیدرولیز حرارتی مواد آلی تحت شرایط محدود اکسیژن و در دماهای بالا تولید می شود و در برابر تجزیه شیمیایی و میکروبی مقاوم است در نتیجه سبب می شود کربن برای مدت صدها هزار سال غیر فعال شود.
همچنین شامل عناصر دیگری - Si، P، S، N، H، O، K، کاتیون های بازی و فلزات سنگین - با نسبت های مختلف می باشد. بیوچار در درجه اول از حلقه آروماتیک کربنی تک و فشرده تشکیل شده است و با توجه به سطح بالا در واحد جرم و چگالی بار بالای آن در مقایسه با مواد آلی، ظرفیت بالاتری در جذب کاتیونها را دارد.
دو فرایند مهم در تولید بیوچار شامل گرماکافت1 و گازسازی2 است. ممکن است گرماکافت منجربه تولید بیوچاری گردد که نسبت به تجزیه مقاوم است
فرایند گرماکافت تا حدی ویژگیهای بیوچار و پتانسیل استفاده از آن در کشاورزی و محیط زیست را تحت تأثیر قرار می دهد. فرایند گرماکافت بر اساس محدوده دما به سه کلاس : پایرولیز آهسته، پایرولیز سریع و پایرولیز خیلی سریع تقسیم میشود
هر فراوردهای به شکل گاز یا نفت میتواند به همراه بیوچار تولید گردد، که انرژی تولید شده برای مصارف دیگر قابل بازیافت بوده و یا میتواند به سادگی سوزانده شده و به شکل گرما آزاد شود. علاوه برآن بیوچار میتواند از تودههای زیستی گوناگون تهیه شود. در نتیجه، سیستمهای بسیار مختلف تولید بیوچار در مقیاس های مختلفی تولید شده اند. ممکن است این سیستمها از تکنولوژی جدیدی استفاده کنند که همچون بیوچار، انرژی قابل بازیافتی تولید کرده و یا نکنند که این سیستمها بسیار متنوع بوده و از واحدهای کوچک خانگی تا کارخانههای برق انرژی زیستی بزرگ را شامل میشوند
روشهای نامبرده شده میتوانند انرژی خالص را به شکل گاز و یا روغن همراه با بیوچار تولید کنند. ممکن است که این انرژی برای مصارف دیگر قابل بازیافت باشند. بیوچار به عنوان یک ماده آلی می تواند به بهبود خصوصیات فیزیکی و لذا شیمیایی خاک کمک نماید لذا استفاده از آن ضمن بهبود خصوصیات خاک در تحقق اهداف مدیریت پایدار نیز موثر می باشد.
همچنین این ماده علاوه بر بخش سخت دارای یک بخش کاملا پویا - لایبل - می باشد که قادر به شرکت در واکنش های شیمیایی و بیولوژیکی با فاز محلول و تبادلی خاک است که این امر سبب می شود بعضا تاثیرات مثبت بیوچار در کوتاه مدت نیز مشاهده گردد.
از دیگر اثرات سودمند بیوچار بهبود نگهداری آب در خاک، افزایش ظرفیت تبادل کاتیونی و تعامل با چرخه مواد غذایی خاک از طریق تعدیل pH خاک و کاهش آبشویی عناصر غذایی در خاک میباشد. طی فرایند دو هزار ساله مواد آلی درون خاک تبدیل به هوموس کشاورزی میشود که میتواند کربن را حفظ کرده، امنیت تغذیه را افزایش دهد و مانع از جنگل زدایی شود. این پژوهش با هدف تاثیر دمای گرماکافت بر روند تغییرات بیوچار تهیه شده از نی انجام شد.
مواد و روشها
برای انجام این پژوهش از ضایعات نی به عنوان بیوماس اولیه3 استفاده شد - شکل . - 1 این ضایعات در فرایند گرماکافت تحت تاثیر درجه حرارت های مختلف قرار گرفته و در نهایت بیوچار تولید گردید. به منظور تولید بیوچار، نمونه در شرایط فاقد اکسیژن را در جعبهایی از جنس آهن گالوانیزه به مدت 1 ساعت در کوره Muffle furnace مدل SEF-101 در سه سطح دمایی 400 درجه سانتی گراد، 700 درجه سانتی گراد و 900 درجه سانتی گراد قرار داده شدند. تا هر سه مرحله گرماکافت به خوبی انجام گیرد پس از پایان مدت زمان مذکور خصوصیات بیوچار حاصله اندازهگیری شد.
شکل -1 بیوماس نی - سمت چپ - و بیوچار تولید شده از ضایعات نی - سمت راست -
پس از انجام فرایند گرماکافت و تولید بیوچار یکسری از خصوصیات شیمیایی بیوچارهای تولید شده در درجه حرارت های مختلف اندازه گیری شد. خصوصیات اندازه گیری شده شامل pH ، EC، سطح ویژه - شکل - 2، ظرفیت تبادل کاتیونی - CEC - ، نسبت C به N و گروه های عاملی می باشند.
شکل -2 دستگاه اندازه گیری سطح ویژه
به منظور اندازه گیری EC و pH بیوچار تهیه شده از ضایعات نی با نسبت 1:10 با آب مقطر به مدت 30 دقیقه شیک شد، سپس pH آن با دستگاه pH سنج و هدایت الکتریکی با دستگاه EC سنج بر حسب دسی زیمنس بر متر - ds/m - قرائت گردید. اندازه گیری نیتروژن و کربن نمونه های بیوچار با استفاده از دستگاه آنالیز عنصری انجام شد. به منظور تعیین ظرفیت تبادل کاتیونی بیوچار، ابتدا 4 گرم نمونه بیوچار وزن گردید و درون لوله مخصوص ریخته شد. سپس 20 میلی لیتر محلول استات آمونیوم 1 مولار به آن اضافه شده و مدت 30 دقیقه بر روی دستگاه شیکر تکان داده سپس غلظت هر کدام از عناصر کلسیم ، پتاسیم، سدیم و منیزم نمونه اندازه گیری شد. ظرفیت تبادل کاتیونی بیوچار از جمع جبری غلظت کاتیونهای مذکور محاسبه گردید
اندازهگیری سطح ویژه بیوچار به روش BET انجام شد.این روش بر اساس سنجش حجم گاز نیتروژن جذب و واجذب شده توسط سطح ماده در دمای ثابت نیتروژن مایع کار میکند. اندازه گیری گروه عاملی بیوچار به روش طیف سنجی مادون قرمز - - FTIR انجام شد.
آنالیز داده ها
این پژوهش بر پایه طرح بلوک کاملا تصادفی در 3 تکرار ، با هدف تأثیر دمای گرماگافت 400 - ، 700 و 900 درجه سانتیگراد - بر روند تغییر خصوصیات شیمیایی بیوچار تهیه شده از نی انجام گرفت. آنالیز واریانس دادهها با استفاده از نرم افزار SPSS و مقایسه میانگین با آزمون چند دامنه ایی دانکن انجام شد.
نتایج و بحث
نتایج آنالیز آماری تاثیر دمای گرماکافت بر روند تغییر خصوصیات بیوچاردر جدول1 ارائه شده است. همانطور که مشاهده میشود تاثیر افزایش دمای گرماکافت بر خصوصیات بیوچار در سطح 5 درصد معنیدار شده است.
جدول -1 نتایج آنالیز آماری تاثیر دمای گرماکافت بر خصوصیات شیمیایی بیوچار
نتایج آنالیز تأثیر دمای گرماکافت بر خصوصیات شیمیایی بیوچار تهیه شده از نی در جدول 2 ارائه شده است. همانگونه که در جدول 2 مشاهده می شود با افزایش درجه حرارت فرایند گرماکافت میزان pH بیوچارهای تولید شده نیز افزایش یافته است به گونه ای که میزانpH بیوچار از 9/16 به 10/39 رسیده است. ولیکن تجزیه و تحلیل های آماری حاکی از عدم وجود اختلاف معنی دارد بین pH بیوچارهای مختلف تولید شده در درجه حرارت های 400، 700 و 900 درجه سانتیگراد می باشد
هدایت الکتریکی - - EC بیوچار با افزایش دمای گرماکافت از 400 به 900 درجه سانتیگراد از - 2/07 - ds/m به 4/26 - ds/m - رسیده است. آنالیزهای آماری انجام شده بیانگر وجود اختلاف آماری معنی دار بین تیمارهای حرارتی مختلف می باشد. طی پژوهشی بر روی بیوچارهای تولید شده از بیوماس های مختلف شامل نی، کلزا، ذرت، بادام زمینی و سویا تغییر در خصوصیات اسیدیته و هدایت الکتریکی بیوچارها را با افزایش دما گزارش نمودند
ظرفیت تبادل کاتیونی - CEC - با افزایش دمای گرماکافت کاهش یافته است. میزان اختلاف بین نمونه ها در سطح 5 درصد معنی دار شده است. با افزایش دما از 400 به 900 درجه میزان ظرفیت تبادل کاتیونی از 76/64 به 40/47 رسیده است.
