Summary

汚染サイトの修復のために製造シックスBiocharsの物理的、化学的および生物学的特性評価

Published: November 28, 2014
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Summary

バイオ炭は、持続可能な基板の品質と収着汚染物質を向上させる、炭素を隔離する能力を持つ土壌改良として使用される炭素が豊富な材料である。このプロトコルは、以前の環境ではこれらの改訂の大規模な実装に必要とされるバイオ炭の特徴付けに使用17分析方法について説明します。

Abstract

炭の物理的および化学的特性は、それが可能な特定の機能( 例えば炭素隔離、土壌の質の改善、または汚染物質の収着)でbiocharsを設計すること、原料源および製造条件に基づいて変化する。 2013年には、国際バイオ炭イニシアティブ(IBI)がバイオ炭のための物理的および化学的特性のための基準を設定し、その標準化された製品定義および製品テストガイドライン(バージョン1.1)を公的に利用可能になる。三つの異なる原料から、および2つの温度で行わ六biocharsは、土壌改良剤としてのそれらの使用に関連した特性について分析した。プロトコルは、原料とbiocharsの分析を説明し、含ま:陽イオン交換容量(CEC)、比表面積(SSA)、有機炭素(OC)及び水分率、pHは、粒子サイズ分布、および近接及び元素分析を。また、原料の分析とバイオ炭は、プロトコルの中で説明されている多環芳香族炭化水素(PAH)を含む汚染物質のための、ポリ塩化ビフェニル(PCB)、金属、水銀などの栄養素(リン、亜硝酸とアンモニア窒素など)。プロトコルはまた、生物学的な試験手順、ミミズ回避と発芽アッセイが含まれる。品質保証/品質管理(QA / QC)ブランク、重複、標準および標準物質の結果に基づいて、すべての方法は、炭と原料物質との使用に適して決定した。すべてのbiocharsと原料はIBIが設定した基準内に十分だったとbiochars間の少しの違いは、建設廃材から生産バイオ炭の場合を除き、ありました。 (旧炭と呼ばれる)この炭は、ヒ素、クロム、銅、鉛の上昇したレベルを有すると決定された、およびミミズ回避発芽アッセイを失敗した。これらの結果に基づいて、オールド·炭は炭素sの土壌改良として使用するのに適切ではないequestration、基板の品質の向上や改善。

Introduction

炭は、炭素に富む副産物有機物1の熱分解中に生成される。興味、両方公にと学問、土壌に炭を追加する際に、土壌の質及び植物成長2,3を改善するその能力から生じる、持続的に廃棄物を同時に提供する代替案ながらカーボン4、および収着有害な汚染物2、3、5-7を封鎖熱分解による管理とエネルギー生産。

Biocharsは、異なる熱分解系を介して、世界中の多数の企業や組織によって生産されている。炭の製造に使用される材料は、木材チップ、動物の糞尿や建設廃棄物1を含む(が、これらに限定されない)。これらの違いはbiochars「物理的及び化学的特性を変化させるため、基板を改善する能力、長期安定性を促進し、吸着能力を増加することが予想される。さらに、熱分解プロセス中のバイオ炭のMAyが意図せずに汚染された原料油や不適切な熱分解条件の結果として、金属、PAH類やPCBで汚染さ。したがって、バイオ炭は土壌改良として環境中に大規模に適用する前に、国際バイオ炭イニシアティブによって示唆汚染物質、比表面積、カチオン交換容量、ミミズ回避発芽などのため炭の注意深い特徴付け(IBI)行われなければならない。 2013年にバイオ炭物理的および化学的特性のための基準を設定バイオ炭ための、最初の標準化された製品定義および製品テストガイドライン、公開され、一般に公開されました。

リサーチカナダはかなり激しく劣化した土壌や、PCBの2、3のような収着残留性有機汚染物質(POPs)で植物の成長を改善する能力を持って、オデッサ、ONの商業温室で生産そのバイオ炭を示している。このバイオ炭は3から製造されている発生した熱は冬の間彼らの温室操作を温めるために使用され、ボイラシステムを介して異なる原料油( すなわち有機物源)。

この研究は、特性評価のバイオマスボイラーにおけるバイオ炭の生産に関連するデータ、および土壌改良としてのバイオ炭の使用を提供する。本研究の目的は、徹底的に標準化された製品定義および製品テストガイドライン(1.1版)(2013)にIBIが設定した基準に従って6 biocharsの物理的、化学的および生物学的特性を特徴付けることである。これらの特性は、農業修正各炭の性能および汚染物質を収着する能力、可能な場合、リンクされます。

Protocol

注:化学は、クイーンズ大学(キングストン、ON)での環境学の学校での分析サービスユニット(ASU)で行われた分析する。 ASUは、認定範囲に記載されている特定のテストのために試験所認定のためのカナダの協会(CALA)の認定を受けています。温室効果試験を含む他の分析は、化学と化学工学学科のカナダ王立軍事大学(キングストン、ON)で行った。 1.一般的な考慮?…

Representative Results

IBI 13によって設定された基準との比較を含め、すべての結果の概要を表1(サマリー)、2(新、ハイ、ロー、第三原料およびHigh-2 biochars)、 図3(旧バイオ炭)で見つけることができます。 2012年と2013年( 表2)で使用されるすべてのbiocharsと原料はIBIが設定した基準内に十分だったとbiochars間の少しの違いがありました。古い炭( <st…

Discussion

プロトコールに記載されているすべてのメソッドは、慎重に検証され、広く土壌のために使用されている。バイオ炭の特性は、まだ始まったばかりであるため、炭素が豊富な基質のためのこれらの方法の有効性はほとんど知られていなかった。これらの方法自体は小説ではありませんが、そのため、日常的にバイオ炭を特徴づける彼らのアプリケーションです。品質保証/品質管理の面では、…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

This work was funded by the Government of Canada’s Federal Economic Development Agency (FedDev) Applied Research and Commercialization Extension to Queen’s University (Dr. Allison Rutter and Dr. Darko Matovic). Sincerest thank you to Burt’s Greenhouses (Odessa, ON) for providing the biochars. Special thanks to Yuxing Cui of the CBRN Protection Group at RMC and staff of the ASU and Zeeb Lab for their ongoing support.

Materials

Name of Material/ Equipment Company Catalog Number Comments/Description
Biochar Burt's Greenhouses All six biochars were produced at Burt's Greenhouses via BlueFlame Boiler system
NaOAc Fisher Scientific E124-4 Dissolving 136.08 g of NaOAC.3H2O in 750mL distilled, deionized  water (DDI water)
Acetic Acid Fisher Scientific A38-212
Sodium Hydroxide Fisher Scientific SS284-1
Isopropanol Fisher Scientific A416P4 80% IPA- 800 mL IPA with 200 mL DDI water. 
NH4Cl Fisher Scientific A649500 Dissolving 5.35 g NH4Cl into 1 L DDI water. 
Alumminum Drying Pan Fisher Scientific 08-732-110
Drying Oven Fisher Scientific 508N0024 200°C for 2 hours.
Desiccator Fisher Scientific 08-595A
Balance Mettler 1113032410
Saturating Solution Fisher Scientific 06-664-25
Vortex Barnstead/Thermolyne 871000536389   
Centrifuge International Equipment Company 24372808 3000 g for 5 mins.
Rinsing Solution Fisher Scientific (Ricca Chemistry Company) 06-664-24
Conductivity Meter WESCAN 88298
Replacing Solution Fisher Scientific 06-664-24
ICP-AES Varian EL00053841
ASAP 2000 Surface Area Analyser  Cavlon 885 Degassing at 120°C for a minimum of 2 hours.
Muffle Furnace Fisher Scientific 806N0024 Heat for 16 hours covering at 420°C.
pH Meter Fisher Scientific 1230185263
Sieve Fisher Scientific 2288926 4.7 mm sieve being at the top.
Sieve Skaker Meinzer II 0414-02 Shake for 10 min.
Sodium Sulphate VWR EM-SX0761-5
Ottawa Sand Fisher Scientific S23-3
Soxhlet Apparatus Fisher Scientific (Pyrex) 09-557A 4 hours at 4–6 cycles per hour.
DCBP Suprlco Analytical 48318   
Dichloromethane Sigma Aldrich 40042-40855-U
6890 Plus Gas Chromatograph Micro 63 Ni ECD Agilent US00034778
Helium AlphaGaz SPG-NIT1AL50SMART
Nitrogen AlphaGaz SPG-HEL1AL50SMART
Mortor and Pestle Fisher Scientific (CoorsTeh) 12-948G
Nitric Acid Fisher Scientific 351288212
No. 40 Filter Paper Fisher Scientific (Whatman) 09-845A
Quartz/Nickel weigh boats Fisher Scientific 11-474-210
DMA-80 ATS Scientific 5090264
98-99% Formic Acid Sigma Aldrich 33015-1L 1L volumetric filled to 750 mL with DDI water add 20 mL formic acid and fill to volume with DDI water.
Sonicator Fisher Sientific 15338284
Rotating Shaker New Brunswick Scientific (Innova 2100) 14-278-108 1 hour at 200 rpm.
No. 42 Filter Paper Fisher Scientific (Whatman) 09-855A
WhirlPacks Fisher Scientific R55048
Potassium Dihydrogen Orthophospahte Fisher Scientific 181525
2M KCl Fisher Scientific P282100
Plastic Vials Fisher Scientific 03-337-20
Ammonium Chloride Fisher Scientific PX05115 Allow to warm up to room temperature
Colour Reagent Fisher Scientific 361028260 Allow to warm up to room temperature
Colorimeter Fisher Scientific 13-642-400 Turn on to let the lamp warm up and run for 5 minutes.
ASEAL Auto Analyzer 2 SEAL 4723A12068
Liquified Phenol Fisher Scientific MPX05115 Alkaline Phenol- Measure 87 mL of liquefied phenol into 1-L volumetric filled 2/3 with DDI water.  Add 34 g NaOH, make up to volume with DDI water.
NaOH Fisher Scientific S318-3
Commercial Bleach Retail Store Hypochlorite Solution- using 100-mL graduated cylinder measure 31.5 mL of commercial bleach and fill to 100 mL with DDI water.  
NaOH Pellets Fisher Scientific S320-1
Disodium EDTA Sigma Aldrich E5124
Sodium Hyprchlorite Fisher Scientific SS290-1
Triton (10%) Fisher Scientific BP151-100
Sodium Nitroprusside Fisher Scientific S350-100
Ammonium Salts Fisher Scientific A637-10
Phenoxide Fisher Scientific AC388611000
Eisenia Fetida The Worm Factory
Spade Retail Store
Bucket Retail Store
Potting Soil Retail Store
Avoidance Wheel Environment Canada Constructed by a modified design from Environment Canada’s Acute Avoidance Test.
Alumminum Foil Fisher Scientific 01-213-100
Petri Dishes Fisher Scientific 08-757-11 8.5 cm in diameter.
Pumpkin Seeds Ontario Seed Company (OSC) 2055
Alfalpha Seeds Ontario Seed Company (OSC) 6675
Centrifuge Tubes (30mL) Fisher Scientific  22-038-906
Beakers (50mL) Fisher Scientific (Pyrex) 02-540G Oven dry at 105oC.
Beakers (30mL) Fisher Scientific (Pyrex) 20-540C
Erlenmeyer Flasks (125mL) Fisher Scientific (Pyrex) S76106C
Volumetric Flask (100mL) Fisher Scientific (Pyrex) 10-211C
Estuarine Sediment National Insititute of Standards 1546A Standard Reference Material
Bleach Clorox Ultra (5-10% sodium hypochlorite)

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Cite This Article
Denyes, M. J., Parisien, M. A., Rutter, A., Zeeb, B. A. Physical, Chemical and Biological Characterization of Six Biochars Produced for the Remediation of Contaminated Sites. J. Vis. Exp. (93), e52183, doi:10.3791/52183 (2014).

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