بخشی از مقاله
چکیده:
فعالیت های انسانی در دهه های اخیر اثرات منفی بر کیفیت محیط زیست داشته است. سوزاندن ضایعات کشاورزی بهجامانده پس از برداشت محصول باعث انتشار گازهایی نظیر مونواکسیدکربن، دی اکسیدکربن، اکسید نیتروژن و سایر گازهای گلخانه ای به اتمسفر شده که از عوامل اصلی آسیب رساننده به لایه ازن، گرمایش جهانی و تغییر اقلیم هستند. راهکارهای نوینی برای کاهش دی اکسید کربن اتمسفر ارایه شده است که یکی از آنها تثبیت کربن مواد آلی بهوسیله ی تولید بیوچار است. بیوچار یک ترکیب کربنی است که از فرایند پیرولیز - حرارت دهی در غیاب و یا کمبود اکسیژن محیط - حاصل می گردد. با توجه به مشکلات سوزاندن بقایا در کشور و اهمیت ارایه یک راهکار مناسب جایگزین، این مطالعه با هدف تبدیل کاه گندم و سبوس برنج به بیوچار و بررسی پتانسیل آنها به عنوان جاذب فلزات سنگین در محیط های آبی انجام شد.
ضایعات کشاورزی در ابتدا از طریق کورهی پیرولیز با اتمسفر گاز نیتروژن در سه دمای 300، 400 و 500 درجه سانتی گراد به بیوچار تبدیل و سپس پارامترهای مختلفی نظیر درصد بازدهی تولید بیوچار، رطوبت، خاکستر، مواد فرار و کربن تثبیت شده، همچنین pH بیوچارهای تولید شده و مواد اولیه اندازه گیری شد. سپس آزمایش جذب پیمانه ای برای جذب سرب و کادمیم - غلظت 2 و 10 میلی گرم بر لیتر - بهوسیله ی بیوچار های تولید شده در دماهای مختلف انجام شد. با افزایش دمای تولید بازدهی تولید بیوچار، درصد رطوبت و مواد فرار در انواع بیوچارهای تولید شده کاهش و درصد خاکستر و کربن تثبیت شده افزایش یافت. همچنین pH بیوچارهای تولید شده با افزایش دمای تولید، افزایش یافت و ماهیت بیوچارها به سمت قلیایی شدن تغییر یافت. نتایج آزمون جذب بیانگر توانایی بهتر بیوچار حاصل از کاه گندم در حذف فلزات سنگین سرب و کادمیم از محلولهای آبی نسبت به بیوچار سبوس برنج بود.
واژه های کلیدی: بیوچار، تغییرات اقلیم، ضایعات کشاورزی، جذب سطحی، فلزات سنگین
مقدمه
افزایش جمعیت کرهی زمین باعث تغییر کاربری زمین، تخریب جنگلها، افزایش فعالیتهای کشاورزی و دامداری و تولید ضایعات جامد و مایع گردیده که یکی از تبعات مختلف آن پدیدهی تغییر اقلیم1 است که بواسطه انتشار روزافزون گازهای گلخانهای است.[Lehmann, J and S. Joseph. 2009] مجموع انتشار دی اکسید کربن اتمسفری فعلی در سطح جهان حدود 30 گیگاتن 30 - میلیارد تن - در سال است. این رقم 10 برابر میزان نفتی است که روزانه در کل جهان جابجا می شودForster, P., ] .[et al. 2007 بی تردید، انتظار نمی رود میزان انتشار فعلی به صفر برسد و یا یک فناوری به تنهایی قادر به انجام آن باشد، اما نمایی از اندازه مشکل را به ما ارائه می کند. امروزه راهکارهای فراوانی برای کاهش تغییرات اقلیم مورد استفاده قرار میگیرد که استفاده از مواد تثبیت کنندهی کربن نظیر بیوچار یکی از آنهاست.
بیوچار2 یک باقیماندهی جامد حاوی کربن است که در شرایط گرمایی ویژه و در شرایط محدود اکسیژن و درجه حرارت پایین 700 - درجه سانتیگراد - < تولیدشده که این فرایند تحت عنوان پیرولیز در دمای کم است و مادهی جامد حاصل از آن دارای زی تودهی غنی از کربن است.[Xu, X., et al. 2013] به طور کلی تقرباًی نیمی از وزن زی تودهی خشک گیاهی مواد آلی را کربن خالص تشکیل میدهد که اگر در هوای آزاد تجزیه شود تقرباًی تمام کربن آن به اتمسفر آزاد میشود. در طی پیرولیز حدود %50 از زی تودهی کربن به بیوچار تبدیل میشود و %50 بقیه به صورت انرژی مفید از نظر محیط زیست، آزاد میشود. انواع مختلف مواد اولیه مانند ضایعات چوب، کودهای حیوانی و بقایای محصولات میتواند برای تولید بیوچار استفاده شود. این مزیت بیوچار که از گسترهی وسیعی از زی تودهها قابل تولید است و همچنین توانایی گوناگون آن باعث شده که بیوچار به عنوان یک ماده سودمند زیستمحیطی و باصرفهی اقتصادی برای مدیریت محیطزیست مطرح میباشد .[Tong, X.-j., et al. 2011]
بیوچار تولیدشده توانایی کاهش دی اکسید کربن اتمسفری را دارد، بنابراین میتواند به کاهش انتشار گازهای گلخانهای کمک کند. علاوه بر این بیوچار یک مادهی غنی از کربن است که به سادگی از بقایای زی تودهی کم ارزش قابل تولید است و با اضافه کردن به خاک سبب افزایش حاصلخیزی خاک میشود. علاوه براین، بیوچار تواناییهای امیدبخشی در بسیاری از کاربردهای زمینهی محیطزیست شامل تثبیت کربن، بهبود خاک، تصفیهی آب و اصلاح محیطزیست فراهم نموده استXue, Y., et al. ] .[2012 از طرف دیگر، آلودگی رو به افزایش فاضلابهای شهری و صنعتی دارای ترکیبات سمی حاصل از توسعه و رشد صنایع مسئله بسیار نگرانکننده ای است. فلزات سنگین به لحاظ ماهیت غیرقابل تجزیه، سمیت شدید، تجمع پذیر و سرطانزا بودن نه تنها حیات آبزیان منابع آب را به مخاطره میاندازد بلکه آبهای پذیرنده را جهت مصارف مختلف از جمله آشامیدن نامطلوب میسازد.[Ulmanu, M., et al. 2003 ]
فاضلاب بسیاری از فرآیندهای صنعتی همچون آبکاری، عکاسی، صنایع هوانوردی، تسهیلات انرژی اتمی و صنایع پتروشیمی در اثر تخلیه به منابع آبی آلودگی آنها را سبب میشود. فلزات سنگین مثل سرب و کادمیم به واسطهی تحرک و خاصیت تجمع پذیری، سرطانزایی و جهش زایی، حتی در غلظتهای پایین نیز برای موجودات زنده تهدید جدی به شمار می روند.[Holan ZR, V.B. 1994]از آنجا که فلزات سنگین به دلیل برخورداری از خاصیت تجمع پذیری در بافتهای مختلف و عدم تجزیهپذیری و نیز مقاومت در برابر تغییرات بیولوژیکی پس از ورود به محیط قادرند در چرخهی حیات به حرکت چرخه ای خود ادامه داده و به تدریج در بافتهای چرب مصرفکنندگان ذخیره گردند و از این راه موجب بروز خطرات عدیده سمی حاد، مزمن و اثرات ژنتیکی گردند بررسی و پیگیری نحوهی ورود و روشهای کنترل این عناصر از طریق منابع مختلف شهری، صنعتی و کشاورزی به منابع پذیرندهی آب، خاک و غذا توجه بسیاری از محققین محیطزیست را به خود جلب نموده است ,[Demirak, A., et al. 2006] .[Pizzichini, M., et al 2002]
روشهای متنوعی برای حذف فلزات سنگین شامل تهنشینی، فیلتراسیون، اکسیداسیون و احیاء، تبادل یونی و جداسازی غشایی وجود دارد. البته این روشها وقتی فلزات در حجم زیاد و غلظت کم محلول موجود باشند کارایی پایین و اغلب هزینهی بالایی را در بر خواهد داشت.[Lee, H.and J. Suh. 2000] ,[Blanco, A., et al. 1999]حذف یونهای فلزات سنگین از محلولهای آبی از طریق جذب یک روش آسان و نسبتا کم هزینه است. البته کارایی حذف فلزات سنگین از طریق جذب سطحی به طور عمدهای به انتخاب جاذب به کار گرفته شده وابسته است. بنابراین در سالهای اخیر توجه زیادی به انتخاب مواد با هزینهی کم وگزینش پذیری بالا برای حذف یونهای فلزات سنگین از محلول های آبی معطوف گردیده است. بیوچارهای تولیدشده طی فرآیند پیرولیز میتواند به عنوان یک جاذب کم هزینه برای جذب فلزات سنگین و آلایندههای آلی استفاده شود.[Chun, Y., et al 2004 ] ,[Cao, X., et al. 2009] در این تحقیق، ابتدا تولید بیوچار از ضایعات کشاورزی مانند کاه و کلش گندم و سبوس برنج در دماهای مختلف بررسی شده است. در مرحله بعد کارایی بیوچارهای تولیدشده در جذب فلزات سنگین سرب و کادمیم از محلولهای آبی باهم مقایسه شده است.
مواد و روش
