Biouhel - prostředek pro remediace a zvýšení kvality půd

Bc. Zuzana Dvořáková

Master's thesis

Biochar - a promising tool for remediation and soil quality enhancement

Abstract:

Biouhel (z angl. biochar) lze připravit pyrolýzou (spalováním za nedostatku vzduchu) odpadní biomasy. Vzniklá pevná látka je bohatá na uhlík a další prvky a při jejím smíchání s půdou by mělo dojít k několika pozitivním aspektům jako lepšímu zadržování živin, vody a vyvázání v půdě přítomných kontaminantů. Z tohoto důvodu je přídavek biouhlu do půdy navrhován jako vhodná strategie nejen pro zvýšení kvality půdy, ale také jako prostředek pro remediaci kontaminovaných půd. Uchovávání uhlíku ve formě biouhlu lze také označit za jednu ze strategií, jak dále nenavyšovat, ale naopak snižovat produkci oxidu uhličitého, známého skleníkového plynu. Použití biouhlu by tedy mělo představovat účinnou strategii, jak se vyrovnat se stále klesající kvalitou zemědělské půdy, vysokými požadavky na potravinovou soběstačnost, rizikem přítomnosti kontaminantů v půdách a hrozbou skleníkového efektu. V teoretické části jsou shrnuty základní poznatky o biouhlu, jeho výrobě a aplikaci. Dále jsou popsány biologické vlivy biouhlu na faunu a floru. Praktická část předložené diplomové práce pak zkoumá interakce mezi modelovými biouhly a v současné době používanými pesticidy (tebukonazol, epoxykonazol) před a po aplikaci biouhlů do zemědělských půd. Paralelně je také řešen potenciál těchto modelových biouhlů pro remediaci půd kontaminovaných modelovým analytem dichlorodiphenyldichloroethylene (p,p´-DDE), který přestavuje zátěž pro životní prostředí v důsledku historického použití pesticidu DDT. Cílem praktické části práce bylo charakterizovat fyzikální, chemické a sorpční vlastnosti modelových biouhlů vyrobených z různých surovin a různými procesy od vysoce kontrolovaných po méně kontrolované. Popis a porovnání biouhlů je v předložené práci realizován pomocí prvkové analýzy, spektrální metody, a analýzy spekter vývoje oxidu uhličitého CO2. Sorpční vlastnosti biouhlů, resp. sorpční koeficienty sledovaných látek, byly stanoveny dle normy OECD 602 jako podíl analytu v pevné a vodné fázi v rovnováze. Sorpční vlastnosti čistých biouhlů byly porovnání se sorpčními charakteristikami biouhlů v přítomnosti půdy. Porovnáním tří studovaných biouhlů pomocí spekter vývoje CO2 byly odhadnuty teploty pyrolýzy výchozího materiálu, které byly vztaženy k sorpčním koeficientům. Podle grafu vývoje CO2 v závislosti na teplotě byl biouhel ze dřeva (směs měkkých a tvrdých dřevin) připraven při teplotě cca 600 °C, biouhel z rýžových slupek při teplotě cca 600 °C a µ-biouhel (dřevní štěpka) při teplotě cca 700 –800 °C. Trend pyrolyzních teplot byl v souladu s trendem sorpčních koeficientů stanovených pro modelovou látku DDE: µ-biouhel (6.07), rýžový biouhel (5.43) a biouhel z dřeva (5.42). Toto ukazuje na možnost designování sorpčních vlastností biouhlů v závislosti na teplotě přípravy, kdy vysokoteplotní biouhly by nalézaly své uplatnění v oblasti remediací, zatímco nížeteplotní biouhly by mohly být vnášeny do zemědělských půd a při správném dávkování znatelně nesnižovat biodostupnost, a tedy účinnost pesticidů. Tato hypotéza však vyžaduje další zkoumání, neboť všechny použité biouhly vykazovaly až 1000x vyšší sorpční potenciál ke sledovaným látkám ve srovnání se zemědělskými půdami. Poznatky z předložené práce mají význam pro udržitelnost zemědělské praxe v podmínkách snižující se kvality zemědělské půdy a také v oblasti remediací a zpracování odpadní biomasy. Experimenty využívají moderní analytické metody a postupy, např. skenovací elektronovou mikroskopii a metody pasivního vzorkování.

Abstract:

Biochar is prepared by pyrolysis (combustion at low oxygen conditions) of (waste) biomass. The resulting solids are rich in carbon and other elements and when admixed to soil, several positive aspects occur such as improved nutrient retention, water retention, and control of contaminants. For this reason, the addition of biochar into soil is proposed as an appropriate strategy not only for soil quality improvement but also as a mean for remediation of contaminated soils. Carbon storage in the form of biochar also contributes to the reduction of carbon dioxide (greenhouse gas) release. The use of biochar can therefore present an effective strategy to cope with the decreasing quality of agricultural land, the high demands on food self-sufficiency, the risks of soil contamination, and the threat of the greenhouse effect. The theoretical part summarizes the basic knowledge about biochar, its production and application. The biological effects of biochar on fauna and flora are also described. The practical part of the present diploma thesis examines the interactions between model biochars and the currently used pesticides (tebuconazole, epoxiconazole) before and after the application of biochar to agricultural soils. In parallel, the potential of these model biochars to remediate soil contaminated by a model compound of dichlorodiphenyldichlorethylene (p, p'-DDE), representing an ecological burden due to the intensive historical use of DDT pesticide, was tested as well. The aim of the practical part was to characterize the physical, chemical and sorption properties of model biochars made from different raw materials and different processes from highly controlled to less controlled. The description and comparison of the tested biochars was performed by means of elementary analysis, spectral methods and thermal profiles of CO2 development. Sorption properties, i. e. sorption coefficients of the tested chemicals were determined according to OECD 106 Guideline as a ratio between the concentration of the analyte in solid and in the aqueous phases at equilibrium. The sorption properties of biochars were compared with the sorption characteristics of these biochars in the presence of soil to account for biochar fouling by soil components. The CO2 development-temperature relationships were used for the estimation of production temperatures of the tested biochars. Following the spectra, the wooden biochar was prepared at about 600 ° C, the rice-husk biochar at about 600 ° C and the μ-biouhel from wood chips at about 700-800 °C. Pyrolysis temperatures were in line with the sorption coefficients measured for DDE: μ-biochar (6.07) > rice husk biochar (5.43) = wood biochar (5.42). This indicates on a possibility of designing biochar sorption properties based on the applied pyrolysis temperature. High-temperature biochars may found their application in the field of remediation as they sorb compounds effectively. On the other hand, low-temperature biochars seems to be more suitable as agricultural soils´ amendments where if properly dosed no significant reduction pesticide bioavailability and thus efficiency should occur. This hypothesis, however, requires further investigation because all the tested biochars were shown to have up to 1000 times higher sorption potential when compared to agricultural soils. The findings of the submitted work are of importance for the sustainability of agricultural practice in terms of reducing the quality of agricultural land and also in the area of waste biomass disposal and treatment. In the experiments, state-of-the-art analytical methods and procedures were used, such as scanning electron microscopy and passive sampling.

Keywords

Biouhel, pyrolýza, sorpce, sorpční izotermy, conazolové fungicidy, epoxykonazol, tebukonazol, DDE

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 2. 1. 2018

Thesis defence

• Date of defence: 14. 2. 2018
• Supervisor: Mgr. Bc. Lucie Bielská, Ph.D.
• Reader: doc. RNDr. Zdeněk Šimek, CSc.

Masaryk University

Faculty of Science

Master programme / field:
Experimental Biology / Special Biology