بخشی از مقاله
چکیده
بیوچار یک فرآورده جامد سرشار از کربن حاصل از فرآیند پیرولیز مواد آلی میباشد. در این پژوهش قابلیت بیوچارهای حاصل از باگاس و شاخ و برگ حاصل از هرس درختان که در دمای 400 درجه سانتی گراد پیرولیز شده بودند، در جذب فلزات سنگین سرب، کادمیم و نیکل از محلول آبی حاوی مخلوط فلزات فوق مورد بررسی قرار گرفت. نتایج نشان داد که هر دو بیوچار تولید شده در جذب فلزات سنگین از محلول قابلیت بالایی از خود نشان دادند. راندمان حدف فلزات سنگین با استفاده از بیوچار باگاس بالای 96 درصد و در مورد بیوچار شاخ و برگ درختان بالای 80 درصد بوده است. بر مبنای نتایج حاصل از این پژوهش و پژوهشهایی کهقبلاً در این زمینه انجام شدهاند ، نوع ماده اولیه مورد استفاده در تولید بیوچار نقش مهمی در قابلیت جذب فلزات سنگین توسط آن ایفا مینماید.
واژههای کلیدی: باگاس، بیوچار، تصیفه آب ، سرب، شاخ وبرگ درختان، کادمیم، نیکل.
مقدمه
استفاده از زیستتوده به عنوان منبع انرژی و همچنین برای تولید محصولات شیمیایی مختلف، توجه بسیاری از محققان را در سراسر جهان به خود جلب کرده است. زیست توده تنها منبع تجدیدپذیر انرژی حاوی کربن محسوب میشود که از مواد زیستی به دست میآید - لهمن و جوزف، . - 2009 از زیست توده میتوان به عنوان منبع تولید انرژی، ترسیب کربن در خاک و افزایش حاصلخیزی خاک استفاده کرد - لیو و همکاران، . - 2012 مشکل اساسی در رابطه با بسیاری از موارد مصرف آن، به ناهمگنی زیاد زیست توده در شکل، ساختار و مقدار آب موجود در ترکیب آن مربوط میشود؛ از این رو اجرای عملیاتی نظیر خشک کردن زیست توده به منظور تسهیل مصرف، حمل و نقل و ذخیره آن لازم است.
لهمن و جوزف بیوچار را به عنوانمحصولی سرشار از کربن، حاصل از فرآیند پیرولیز مواد آلی در دمای نسبتاً پایین - <700 œC - تعریف نمودهاند - لهمن و جوزف، . - 2009 تجزیه مواد آلی در حضور گرما در یک محیط مایع و یا گاز بدون استفاده از واکنشدهندههای دیگر، پیرولیز نامیده میشود. نتیجه فرآیند پیرولیز تبدیل مواد آلی به سه جزء مختلف میباشد، که این سه جزء عبارتند از گاز، مایع و جامد، با نسبتهای مختلفی که به نوع ماده اولیه مورد استفاده و شرایط حاکم بر فرآیند بستگی دارد. جزء جامد باقیمانده پس از پیرولیز، ذغال چوب است که اگر هدف از تولید آن بهبود خصوصیات خاکهای کشاورزی باشد، بیوچار نامیده میشود. بیوچار یک ماده کربنی است که دارای هیدروکربنهای آروماتیک چندحلقهای با آرایشی از گروههای عاملی سطحی است - اسمیت و نوآک، . - 2000
خصوصیات فیزیکی و شیمیایی چار تولیدی بسته به نوع ماده آلی مورد استفاده، مقدار اکسیژن موجود در طی اجرای این فرآیند، دمای نهایی و همچنین فرآیندهای گوناگون موجود برای تولید آن تغییر میکند - چن و همکاران، . - 2007 این امر به این دلیل است که ترکیب عناصر هر ماده آلی با دیگری متفاوت است و بر این اساس واکنش آنها نیز در دماهای مختلف تغییر میکند. بافتهای مختلف گیاهی شامل چوب، شاخ و برگ درختان و بقایای گیاهی و مواد زائد آلی مانند کودهای حیوانی در تولید بیوچار مورد استفاده قرار میگیرند - لهمن و جوزف، . - 2009امروزه توجه زیادی نسبت به کاربرد بیوچار به عنوان راه حلی برای ذخیره و ترسیب کربن در خاک، کاهش انتشار دی اکسیدکربن به اتمسفر و همچنین به عنوان یک مکمل خاک مبذول میشود - چن و همکاران، . - 2007
نتایج پژوهشهای مختلف حاکی از آن است که استفاده از بیوچار در خاک اغلب باعث افزایش بهرهوری میگردد.فلزات سنگین خطر مهمی برای سلامت جامعه محسوب میشوند زیرا علاوه بر اینکه بسیار سمی میباشند در طبیعت تجزیه پذیر نمیباشند و گونههای مختلفی از آنها در محیط وجود دارد. سرب، مس، جیوه، کادمیم و نیکل سمیترین و سرطانزاترین فلزات سنگین هستند که مشکلات بهداشتی و زیست محیطی بسیار زیادی را به وجود میآورند.تاکنون روشهای مختلفی مانند ترسیب، تبادل یونی و فیلتراسیون برای کاهش غلظت فلزات سنگین مورد استفاده قرار گرفتهاند. بیشتر این روشها عملکرد مناسبی از خود نشان میدهند اما هزینه بسیار بالایی دارند و مشکل دفع لجنها و مواد زائد ایجاد شده طی اجرای این فرآیندها مسئله مهمی به شمار میرود.
این معایب منجر به ایجاد نیاز به گسترش روشهای کم هزینه و جایگزین در تصفیه آب برای حذف فلزات سنگین شده است .زمانی که از مواد اولیه ارزان قیمت مانند بقایای گیاهی برای تولید بیوچار استفاده شود، هزینه تولید بیوچار بسیار کاهش مییابد. استفاده از بیوچار به عنوان یک جاذب ارزان قیمت برای حذف فلزات سنگین از محلولهای آبی یک روش مناسب در تصفیه آب و فاضلاب بهشمار میرود. بیوچارهای حاصل از چوب درختان، کود حیوانی و بقایای کشاورزی برای جذب فلزات سنگین سرب، نیکل و کادمیم مورد استفاده قرار گرفته است - کاو و همکاران، 2009؛ آچیمیا و همکاران، . - 2011
باگاس تفالهای است که پس از استخراج شکر از نیشکر، حاصل میشود. همچنین شاخ و برگ حاصل از هرس درختان به عنوان بقایای گیاهی محسوب میشود که استفاده از آن برای تولید بیوچار از نظر اقتصادی مقرون به صرفه است.در این پژوهش پس از اینکه با استفاده از پیرولیز باگاس و شاخ و برگ حاصل از هرس درختان در دمای 400درجه سانتی گراد، بیوچارهای مورد نظر تهیه گردید، راندمان جذب فلزات سنگین کادمیم، سرب و نیکل با استفاده از این بیوچارها مورد بررسی قرار گرفت. هدف اصلی این پژوهش مقایسه مقدار راندمان جذب این فلزات در یک محلول آبی توسط دو بیوچار تهیه شده از مواد اولیه متفاوت در دمای یکسان میباشد.
مواد و روشها
تهیه بیوچار
برای تهیه بیوچار لازم است ماده اولیه مورد استفاده خشک گردد؛ مواد اولیه ابتدا هوا خشک شده و سپس 24 ساعت به منظور کاهش بیشتر رطوبت در دمای 50 درجه سانتیگراد درون آون قرار گرفتند. پس از خشک شدن مواد اولیه، بقایا با استفاده از دستگاه آسیاب خرد شده و برای پیرولیز آماده شدند. محفظه بستهای با یک در مجهز به ورودی گاز بیاثر و یک خروجی گازهای تولیدی تهیه گردید. محفظه مورد نظر برای تولید بیوچار درون کوره الکتریکی قرار گرفت. طی پیرولیز بقایای گیاهی جریان گاز نیتروژن در محیط برقرار بود. بقایای گیاهی در دمای 400 درجه سانتی گراد و با نرخ افزایش دمای 5 درجه سانتی گراد در دقیقه به مدت 2 ساعت پیرولیز شدند. دمای 400 درجه سانتیگراد برمبنای نتایج حاصل از سایر پژوهشهای مشابه،که برای جذب فلزات سنگین بهترین نتیجه از بیوچار حاصل شده در این دما بدست آمده بود، انتخاب گردید.
پس از تهیه بیوچار برخی از خصوصیات آن اندازه گیری گردید. pH و EC آن با استفاده از ترکیب 1 به 5 بیوچار و آب مقطر پس از همزدن به مدت 1 ساعت و نگهداشت سوسپانسیون برای ترسیب مواد به مدت 1 ساعت به ترتیب با استفاده از دستگاه pH سنج مدل Metrohm و EC متر مدل elmetron cc-401 اندازه گیری شد. همچنین غلظت عناصر موجود در بیوچار با استفاده از دستگاه آنالیز عنصری مدل Vario - EL III - اندازه گیری شد. مقدار خاکستر و مواد فرار به روش - D-1762-84 - ASTM اندازه گیری گردید. بدین ترتیب که برای اندازه گیری مقدار خاکستر بیوچار به مدت 4 ساعت در دمای 105 درجه سانتیگراد و 6 ساعت در دمای 750درجه سانتی گراد قرار گرفت و برای اندازه گیری مواد فرار بیوچار به مدت 6 دقیقه در دمای 850 درجه سانتیگراد قرار داده شد.
جذب فلزات سنگین
با استفاده از محلول مخلوط فلزات سنگین کادمیم، سرب و نیکل، ارزیابی اولیهای از جذب فلزات سنگین توسط بیوچار انجام گرفت. غلظت هر فلز سنگین در محلول در حد 0.1 mmol/L تنظیم گردید. حدود 0,1 گرم از بیوچار به یک فلاسک 68 میلی لیتری حاوی 50 میلی لیتر محلول حاوی فلزات سنگین در دمای اتاق اضافه شد. فلاسک حاوی محلول به مدت 12 ساعت در دمای ثابت در دستگاه تکان دهنده - شیکر - با سرعت 180 دور بر دقیقه قرار داده شد و سپس 30 دقیقه با سرعت 500 دور بر دقیقه سانترفیوژ شد. سپس سوسپانسیون
