مقاله تاثیر دمای پیرولیز بر خصوصیات و ترکیب شیمیایی بیوچارهای تولید شده از ضایعات هرس سیب و انگور و کاه و کلش گندم

بخشی از مقاله

چکیده

بیوچار ضایعات هرس سیب - AB - ، هرس انگور - GB - و کاه و کلش گندم - SB - در دماهای مختلف 350 - و 500 درجه سلسیوس - بهمنظور بررسی تاثیر آنها بر خصوصیات و ترکیب شیمیایی بیوچارها، توسط پیرولیز آهسته تولید شدند. نتایج نشان دادند که با افزایش دمای پیرولیز، محتوای خاکستر، pH، EC، مقادیر کل C، K، Na وP در همه بیوچارها افزایش یافتند. در حالیکه عملکرد تولید بیوچار، مقدار کل N، H، نسبت H/C و CEC کاهش یافتند. مقدار CEC در دمای پیرولیز 350درجه سلسیوس در مقایسه با 500 درجه سلسیوس در بیوچارهای ضایعات هرس سیب، ضایعات هرس انگور و کاه و کلش گندم به ترتیب 23/33، 10/15 و 45/49 درصد افزایش نشان داد. بطورکلی به دلیل pH و EC کمتر برای استفاده کشاورزی دمای 350 درجه سلسیوس و برای ترسیب کربن بیوچار 500 درجه سلسیوس پیشنهاد میشود.

واژه های کلیدی: بیوچار، پیرولیز، ضایعات هرس، کاه و کلش گندم

مقدمه

یکی از مشکلات کشاورزی در ایران، وجود بقایای گیاهی پس از برداشت محصولات زراعی است که مزاحمتهای فراوانی برای کشاورزان ایجاد میکند. یکی از راهکارهای استفاده از بقایای کشاورزی که اخیراً مورد توجه ویژهای قرار گرفته است، پیرولیز است . - Pattiya, 2011 - تجزیهی زیست توده در اثر حرارت را پیرولیز - Pyrolysis - گویند و هنگامی که این فرآیند در شرایط بدون اکسیژن یا با مقادیر خیلی جزئی اکسیژن رخ دهد، بیوچار تولید میشود. بیوچار - Biochar - زغال تهیه شده از زیست تودههای گیاهی و ضایعات کشاورزی است. به عبارت دیگر بیوچار یک بقایای جامد تولید شده توسط تجزیه حرارتی بیوماس در یک ظرف بسته تحت شرایط اکسیژن محدود و در دماهای متوسط - <700 ℃ - میباشد . - Sukiran et al., 2011 -

بیوچار به عنوان مادهای که توانایی بهبود پدیده گرمایش زمین را دارد، توجهات زیادی را به خود جلب نموده است، زیرا این ماده ظرفیت زیادی برای کاهش گازهای گلخانهای دارد و میتواند کربن را برای دورههای طولانی مدت در خاک ذخیره کند. - Lehmann and Rondon, 2006 - مواد اولیه برای تولید بیوچار میتواند شامل مواد چوبی - ضایعات درختان - ، ضایعات کشاورزی مانند کاه و کلش و بقایای ذرت، کودهای حیوانی و دیگر مواد آلی باشد . - Ding et al., 2007 - در طی فرآیند پرولیز یا اکسیداسیون که بیوچار تولید می-شود، حرارت سبب تصعید برخی از عناصر غذایی، بهخصوص در سطح ماده میشود. درجه حرارت، مدت زمان نگهداری و نرخ حرارت دادن بهطور مستقیم خصوصیات شیمیایی بیوچار را تحت تأثیر قرار میدهند. در طی فرآیند حرارت دادن عناصر پتانسیل از دست رفتن به اتمسفر، تثبیت شدن با اشکال مقاوم و یا آزاد شدن به صورت اکسیدهای محلول را دارا میباشند.

هرچه دمای پیرولیز افزایش مییابد از درصد تولید بیوچار کاسته میشود و به تدریج به درصد گاز و مایع تغلیظ شده افزوده میشود. بیوچارهای تولید شده در دماهای بالاتر با توجه به داشتن مقادیر بالای کربن، ساختار کربن آروماتیکی آنها فشردهتر است، درنتیجه مقاومتشان در برابر تجزیهی زیستی بیشتر بوده و نیمه عمر طولانیتری دارند، در حالیکه بیوچارهای تولید شده در دماهای پایین - 250-400 درجه سانتیگراد - دارای مقادیر بیشتری از گروههای عاملی اکسیژندار و هیدروژندار می-باشند و قدرت تبادل کاتیونی آنها بیشتر است. ساختار این بیوچارها را بیشتر ترکیبات آلیفاتیک و سلولوتیک کربن تشکیل میدهند، درنتیجه نسبت به بیوچارهای تولید شده در دمای بالا، در برابر تجزیهی زیستی مقاومت کمتری دارند. تولید بیوچار با دمای پایین از نظر وزنی نسبت به مادهی اولیه آن عملکرد بیشتری دارند . - Novak et al., 2009 -

کاربرد بیوچار در خاک به عنوان یک روش جهت جلوگیری از تغییرات آب و هوا از طریق ترسیب بلند مدت کربن در خاک پیشنهاد شده است . - Woolf et al ., 2010 - بیوچار دارای پتانسیل بازیافت مواد مغذی، تهویه خاک، صرفه اقتصادی، مدیریت سیستم پسماند و عاملی بلند مدت برای ترسیب اقتصادی و مطمئن کربن است. از دیگر اثرات سودمند کاربرد بیوچار در خاکهای کشاورزی به افزایش ماده آلی خاک، بهبود نگهداری آب درخاک، افزایش ظرفیت تبادل کاتیونی و تعامل با چرخه مواد غذایی خاک از طریق تعدیل pH خاک، افزایش حاصلخیزی خاک و کاهش آبشویی عناصر غذایی میتوان اشاره کرد . - Glaser et al., 2002 - بیوچار مادهای متخلخل با سطح ویژه بالاست که میتواند اثرات معنیداری بر رطوبت خاک و پویایی عناصر غذایی داشته باشد . - Lehmann et al., 2003 - مطالعات نشان میدهند که بیشتر بیوچارها به دلیل داشتن سطوح تبادلی زیاد میتوانند منجر به افزایش نگهداری عناصر غذایی در خاک شوند؛ افزودن بیوچار موجب میگردد که کارایی استفاده از عناصر غذایی افزایش یابد . - Major et al., 2010 -

بقایای گیاهی منبع تأمین کربن تازه برای تولید بیوماس میکروبی هستند که این امر موجب بهبود دانه بندی خاک میشود. میزان و نوع بقایای گیاهی تأثیر قابل توجهی بر ساختمان خاک و به تبع آن بر سایر خصوصیات فیزیکی خاک دارد - حیدری،. - 1383 با توجه به حجم بالای بقایای هرس درختان سیب و انگور در استان آذربایجان غربی، تبدیل آنها به بیوچار فرصتی را برای بهبود حاصلخیزی خاک برای استفاده درازمدت فراهم میسازد که یکی از ضروریات انجام این تحقیق میباشد. هدف اصلی این تحقیق بررسی تاثیر دمای پیرولیز بر کیفیت بیوچار تولید شده از ضایعات هرس سیب و انگور و کاه و کلش گندم در دماهای مختلف جهت استفاده در کشاورزی بود.

مواد و روشها تهیه بیوچار: برای انجام این آزمایش ضایعات هرس درختان میوهترجیحاً - شاخههای یک یا دو ساله - از باغات استانآذربایجان غربی شهرستان ارومیه جمع آوری گردید. برای تهیه بیوچار ضایعات هرس درختان سیب و انگور - اندازه 30-20 میلی متر - و کاه کش گندم - اندازه 10-20 میلی متر - با ایجاد تغییراتی در یک کوره الکتریکی، شرایط عدم حضور اکسیژن برای پیرولیز فراهم میگردد. به این منظور دو راکتور استوانهای از جنس استیل با ابعاد 7 سانتیمتر قطر، 31 سانتیمتر ارتفاع طراحی و در شرکت آذر خاک و آب ساخته شد و جهت پیرولیز در داخل کوره الکتریکی قرار گرفت.

راکتور دارای یک ورودی گاز و یک خروجی برای فاز گاز و مایع تولیدی بود. اطراف درِ محفظه دارای عایق حرارتی خواهد بود تا هدررفت گرمایی به حداقل برسد. بقایای اولیه بعد از خرد شدن، به مدت 2 روز در دمای 75 درجه سلسیوس داخل آون قرار داده شدند. سپس پیرولیز ضایعات هرس درختان سیب و انگور و کاه کش گندم به طور جداگانه در دماهای 350 و 500 درجه سانتیگراد و با نرخ افزایش دمای 3 درجه سانتیگراد در هر دقیقه انجام گردید. نمونهها به مدت 120 دقیقه در دمای مورد نظر نگه داشته شدند و سپس کوره به آرامی با تبادل گرمایی با محیط 2 - درجه سانتیگراد کاهش دما در دقیقه - برای رسیدن به دمای 100 درجه سانتیگراد یا کمتر خنک گردید . - Kim et al., 2012 -

تجزیه بیوچار مقدار عناصر غذایی بیوچار

کربن کل، نیتروژن کل و هیدروژن کل به روش سوزاندن خشک - BS EN 15104; SASTM D5291 - با دستگاه ECS 4010 CHNSO Analyzer اندازهگیری گردیدند. برای اندازهگیری مقادیر فسفر، سدیم و پتاسیم کل بقایای اولیه و بیوچارهای تولیدشده، مقدار یک گرم در کوره،در دمای 550 درجه سانتیگراد به مدت هشت ساعت حرارت داده شد. عصارهگیری از خاکستر با اسید کلریدریک 2 مولار صورت گرفت. ظرفیت تبادل کاتیونی بالقوه بیوچار، به روش استات آمونیوم اصلاح شده یک مولار - - pH= 7 اندازهگیری گردید . - Gaskin et al., 2008 -

pH و EC بیوچار

برای اندازهگیری pH وEC  بیوچار، از نسبت 1:20 بیوچار به آب استفاده شد. سپس نمونه تکان داده شده و پس از 24ساعت، pH  و EC آنها خوانده شد . - Rajkovich et al., 2012 -

خاکستر بیوچار

برای تعیین میزان خاکستر بیوچار، مقدار مشخصی از آن را وزن کرده و سپس به مدت 3 ساعت تحت دمای 550 درجه سانتی گراد قرار داده شد. سپس با استفاده از رابطه ذیل محتوای خاکستر حاصل شد . - Song and Guo, 2012 -
عملکرد بیوچار
عملکرد بیوچار از رابطه ذیل حاصل شد . - Song and Guo, 2012 -

نتایج و بحث pH و EC بیوچار

نتایج این مطالعه نشان داد، pH بیوچارهای تولید شده از ضایعات هرس سیب و انگور و کاه و کلش گندم بسته به دمای پیرولیز در محدوده بازی ضعیف تا قلیایی بودند - جدول . - 1 اختلاف در pH بیوچارها را می توان در انواع زیست توده نیز مشاهده کرد. در میان نمونههای بیوچار، کمترین مقدار - 7/11 - pH در بیوچار هرس سیب در دمای پیرولیز 350 درجه سانتیگراد مشاهده شد. کمترین و بیشترین مقدار pH در هر دو دمای 350 و 500 درجه سانتیگراد به ترتیب در بیوچار هرس سیب و بیوچار کاه کلش گندم مشاهده گردید. - Claoston Et al., - 2014 ، افزایش pH را در بیوچار شلتوک برنج با افزایش دمای فرآیند گرماکافت گزارش کردند. افزایشpH بهعلت جدا شدن مواد معدنی از بخش آلی در دمای بالاتر از 350 درجه سلسیوس می باشد . - Tsai et al., 2012 -

مقادیر هدایت الکتریکی - EC - بیوچارهای تولید شده در دماهای 350 و 500 درجه سانتیگراد به ترتیب 0/23 و 0/32 دسی زیمنس بر متر بود. کمترین مقدار EC در بیوچار ضایعات هرس سیب و بیشترین EC در بیوچار کاه و کلش گندم مشاهده شد - جدول . - 1 این نتایج همسو با یافتههای Sigh et al., - 2016 - است که بیان کردند بیوچارهای تولید شده از بقایای کاه و کلش و علفی EC بیشتری نسبت به بیوچارهای مشتق شده از بقایای چوبی دارند. همچنین با افزایش دمای پیرولیز مقدار EC افزایش یافت بهطوریکه بیوچار کاه و کلش گندم تولید شده در دمای 500 درجه سانتیگراد در مقایسه با 350 درجه سانتیگراد 23/63 درصد افزایش در مقدار EC نشان داد - جدول . - 1

ظرفیت تبادل کاتیونی - CEC - بیوچار

CEC بیوچارها با افزایش دمای پیرولیز کاهش یافت. بیشترین مقدار CEC در دمای 350 درجه سانتیگراد و کمترین مقدار آن در دمای 500 درجه سانتیگراد بدست آمد - جدول . - 1 برخی تحقیقات نشان می دهد که CEC بیوچار ابتدا با افزایش دمای پیرولیز افزایش و سپس کاهش مییابد . - Gaskin et al., 2008 - شواهد نشان داده است که CEC بسیاری از بیوچارهای پیرولیز شده در دمای پایین، ممکن است بهدلیل حضور موادآلی غیر کربونیزه افزایش یابند. این بخش غیرکربونیزه ممکن است تشکیل دهنده ذرات بیوچار باشد . - Mukherjee et al., 2011 - دلیل ظرفیت تبادل کاتیونی بالای بیوچار عبارتست از: -1 افزایش سطح موجوددر بیوچاربه دلیل تجزیه در اثرحرارت - معمولا درجه حرارت بالای500 درجه سانتیگراد-2“ افزایش بار منفی روی  سطح آن” این مسئله احتمالا به دلیل وجود گروههای عاملی  فراوان موجود در سطح بیوچار میباشد، که منجر به افزایش بار منفی موجود در آن میشود - . بهطور کلی مقدار بیوچار به نوع ماده اولیه و نیز به دمای پیرولیز بستگی دارد - Lehmann et al.,. - 2007