Materiály na bázi biocharu v různých složkách životního prostředí; odlišné modelovací přístupy

Ing. Petr Ouředníček

Disertační práce

Biochar based amendments in the environment; different modeling approaches

Anotace:

Tato práce předkládá souhrn studií materiálů na bázi biocharu (biouhel) prostřednictvím zkoumání jejich klíčových vlastností a použití vhodných modelovacích přístupů. Nejprve byl zkoumán vliv biocharu na hydraulické parametry kontrastních půd, přičemž se ukázaly významné rozdíly mezi půdami ošetřenými biocharem a kontrolní variantou, tj. zvýšení vodní kapacity, snížení objemové hmotnosti a nasycené hydraulické vodivosti. Pozorovaný proces lze vysvětlit interakcí molekul H2O s povrchem biocharu usnadněnou polárními vodíkovými vazbami skupin O─H a C─O─H. Tyto interakce způsobily intenzivní bobtnání i při vyšších dávkách biocharu. Aplikace biocharu do půdy se jeví jako vhodná pro řešení sucha, zvláště pak v písčitých půdách, které jsou na půdní sucho náchylné. Následující části studie byly zaměřeny výzkum a zlepšování sorpčních parametrů při použití materiálů na bázi biocharu, které jsou rovněž nezbytné pro modelování a také pro posouzení využitelnosti materiálů obecně. Za tímto účelem byly syntetizované kompozity oxidů Mn a biocharu (AMOchar), které byly schopny odstranit z vodných roztoků signifikantně větší množství studovaných (polo)kovů, zejména při poměru 2:1 (AMO:biochar), ve srovnání s čistým biocharem. Kombinace AMO a biocharu vedla k výraznému snížení uvolňování Mn z materiálu, které je běžně pozorováno po aplikaci AMO. Snížení loužení Mn bylo pozorováno jak u kompozitu AMOchar, tak i u směsi AMO + biochar. Za účelem zvýšení proveditelnosti přípravy materiálů na bázi AMO pro inženýrské aplikace byla v další části práce provedena náhrada původních reaktantů levnějšími (sacharóza, melasa) a byly provedeny testy těchto materiálů vůči různým (polo)kovům. Přestože AMO na bázi glukózy (původní) vykazovalo vyšší sorpční efektivitu pro As(V), sorpční efektivita vůči Zn(II) a Cd(II) nebyla významně odlišná ve srovnání s původními AMO. Nahrazení glukózy melasou jako redukčního činidla při syntéze AMO dramaticky snížilo celkové náklady na finální materiály, což naznačuje, že takto připravené (modifikované) materiály na bázi biocharu by mohly představovat nadějnou alternativu ke standardním sanačním technologiím. V poslední části práce byly do půdy přidány materiály na bázi biocharu, které byly testovány v dynamickém systému (kolonové experimenty) v prostředí s kompetitivní sorpce dvou kontrastních kovů ( Pb(II) a Zn(II) ). Výsledky prokázaly významné snížení vyplavování kovů z půdy ošetřené studovanými materiály. Následně byl sestaven speciační model v programu PHREEQC, který objasnil dominantní formy hlavních prvků a možné srážení minerálních fází. Nakonec byl úspěšně kalibrován model Hydrus 1D, což ukazuje, že v dobře definovaném systému při konstantním pH lze i dynamické procesy částečně modelovat jednoduchým modelem rovnovážného transportu rozpuštěných látek. Takový přístup může být přínosný pro jednoduché experimenty. Pro budoucí studie je v plánu používat komplexnější geochemický reakčně-transportní model (PHREEQC + HYDRUS) s implementací modelu vazby huminových iontů VII (WHAM VII).

Abstract:

This thesis presents a compilation of work on biochar based amendments through the investigation of their key properties and the application of suitable modeling approaches. Initially, the effect of biochar on the hydraulic parameters in contrasting soils was investigated, showing significant differences between biochar-treated soils and the control variant, i.e., an increase in water holding capacity, and bulk density and saturated hydraulic conductivity decrease. The effect can be explained by the interaction of H2O molecules with the biochar surface facilitated by polar hydrogen bonds of O─H and C─O─H groups. These interactions caused intense swelling even at higher doses of biochar. The application of biochar to soils appears to be broadly suitable for addressing drought in drought-prone sandy soils. Other parts of the study were focused on the investigation and improvement of sorption parameters using biochar based materials, which are also necessary for subsequent modelling and general usability of materials. To this end, synthesized Mn oxide-biochar composites (AMO-char) were able to remove significantly greater quantities of various metal(loid)s from the aqueous solutions, especially at a ratio 2:1 (AMO:biochar), compared to pristine biochar. The combination of AMO and biochar resulted in a significant reduction of Mn leaching that is commonly observed after AMO application. The reduced Mn leaching was observed for both AMOchar composite and also AMO + biochar mixture. In order to increase the feasibility of AMO-based materials preparation for subsequent engineering applications, the replacement of the original reactants with less expensive ones and testing of materials against different metal(loid)s was performed in the next part of the thesis. Here, lower water content and different sugars (glucose, sucrose, and molasses) were used. Despite the fact that glucose-based AMOs (original) presented higher sorption efficiency for As(V), similar sorption efficiency toward Zn(II) and Cd(II) was observed, compared to the original AMO. Replacing glucose by molasses as a reducing agent during AMO synthesis dramatically decreased the total cost of the final materials, which suggested that such prepared (modified) biochar amendments could represent bespoke alternatives to standard remediation technologies. In the last part of the thesis, biochar based amendments were added to soil and tested in a dynamic system (column experiments) during single metal and bimetal competitive sorption experiment using two contrasting metals, i.e., Pb(II) and Zn(II),showing a significant reduction of metal leaching from the treated soil. Subsequently, a speciation model in PHREEQC was constructed to elucidate dominant forms of major elements and the possible precipitation of mineral phases. Finally, the Hydrus 1D model was successfully calibrated, demonstrating that in a well-defined system at a constant pH, even dynamic processes can be partly modeled by a simple equilibrium solute transport model. Such an approach may be beneficial for straightforward experiments. However, a more comprehensive geochemical reaction-transport model (PHREEQC + HYDRUS) with the implementation of the Humic Ion-Binding Model VII is recommended and planned for future studies.

Klíčová slova

modifikace biocharu, sorpce, kovy, modelování, biochar

Keywords

modified biochar, sorption, metals, modeling, biochar

Jazyk práce: čeština

Datum vytvoření / odevzdání či podání práce: 21. 2. 2022

Obhajoba závěrečné práce

• Vedoucí: doc. Mgr. Lukáš Trakal, Ph.D.
• Oponent: Radka Kodešová, CSc., prof. Ing., Domenico Morabito, externi

Česká zemědělská univerzita v Praze

Fakulta životního prostředí

Doktorský studijní program / obor:
Krajinné inženýrství / Environmentální modelování