Многомасштабная визуализация структурных и характерных изменений биоугля осадка сточных вод, ориентированная на потенциальные агрономические и экологические последствия.

Научные отчеты, том 5, Номер статьи: 9406 (2015) Цитировать эту статью

7765 Доступов

117 цитат

1 Альтметрика

Подробности о метриках

Биоуголь осадка сточных вод был получен при различных температурах пиролиза от 300°С до 900°С и проанализированы их макро- и микромасштабные свойства. Доступные для растений питательные вещества и гумусоподобные вещества в водоэкстрагируемой фазе биочара, а также фиксированные питательные вещества в твердой фракции были оценены на предмет их потенциального агрономического значения. Методы FT-IR, Raman, XRD, XPS и SEM использовались для исследования химической структуры, функциональных групп и микрокристаллической структуры на поверхности биоугля. Результаты выявили незначительные химические изменения и резкую потерю массы биоугля, полученного при 300–500°C, тогда как значительные химические изменения в биоугле были получены при 600–900°C. Концентрации доступных для растений питательных веществ, а также материалов, подобных фульво- и гуминовым кислотам, снизились в образцах биоугля, полученных при более высоких температурах. Эти результаты подразумевают, что образцы биоугля, пиролизованные при 300–500 ° C, могут быть прямым источником питательных веществ и использоваться для нейтрализации щелочной почвы. Площадь поверхности и пористость образцов биоугля увеличивались с увеличением температуры, что увеличивало их адсорбционную способность. Перегруппировка произошла при более высокой температуре (600–900 ° C), в результате чего биоуголь стал все более полиароматическим, а его графитоподобный углерод стал организованным.

Биоочистка городских и промышленных сточных вод неизбежно приводит к образованию значительного количества осадка. Для обработки осадка сточных вод пиролиз является многообещающим способом1,2,3. Пиролиз осадка сточных вод — это термическое разложение осадка в отсутствие воздуха или в атмосфере с дефицитом кислорода, в результате которого органические вещества осадка превращаются в биогаз, бионефть и углеродистый биоугольный остаток. По сравнению с сырым илом биоуголь осадка имеет минимальное количество болезнетворных микроорганизмов и запаха и способен концентрировать тяжелые металлы4 (за исключением ртути и кадмия). Исследования, сравнивающие биоуголь ила с сырым илом, показали, что свойства почвы улучшались после внесения в почву биоугля в качестве поправки5,6,7. Поэтому растет интерес к использованию биоугля осадка для обогащения почвы и связывания углерода в твердой форме длительного хранения. Агрономические характеристики и эффективность биоугля, такие как доступные питательные вещества, существенно зависят от его характеристик, а на физические и химические свойства биоугля осадка сильно влияют условия пиролиза, преимущественно самая высокая температура обработки (HTT).

В процессе пиролиза биоуголь осадка претерпевает различные физические, химические и молекулярные изменения. Некоторые из задокументированных изменений включают изменения в урожайности, содержании летучих веществ, pH, электропроводности (EC), твердости, объемной плотности и элементном составе, которые связаны с преимуществами макропитательных веществ для агроприменения1,8,9. Другая часть исследований посвящена поведению тяжелых металлов при низкотемпературном пиролизе осадков сточных вод при 500°С4, 300–700°С10, 300–500°С11 и 400–450°С12, которые связаны с токсичность для агроприменения. Эти две части исследований редко объединялись и одновременно уравновешивали плюсы и минусы биоугля осадка. Кроме того, концентрации тяжелых металлов могут снижаться при более высокой температуре13. Следовательно, это вызывает потребность в исследованиях сценария более высоких температур и систематических сравнениях в более широком диапазоне температур (например, 300–900°C в настоящем исследовании). Между тем, существующие исследования о том, при какой температуре пиролиза биоуголь может быть наиболее полезным, неоднозначны и всеобъемлющи. Например, сообщается14, что биоуголь, полученный при 600°C, более эффективно снижает выбросы CO2 из почвы по сравнению с биоуглем, полученным при 400°C. Принимая во внимание, что Сонг12 продемонстрировал, что чеснок, посаженный в почву, обогащенную биоуглем, полученным при 450 ° C, содержит самый низкий уровень тяжелых металлов по сравнению с чесноком, посаженным в почву, обогащенную другим биоуглем, полученным при 500–550 ° C. Эту неопределенность в применении биоугля следует объяснить недостаточным описанием изученного биоугля, т.е. были зафиксированы только макромасштабные характеристики. Фактически, внешние свойства по существу определяются внутренней структурой и составом образцов биоугля. Следовательно, необходимо исследовать макро- и микромасштабные свойства конечного биоугля осадка сточных вод, а затем систематически дифференцировать их для облегчения категоризации и лучшей оценки потенциального агрономического применения биоугля осадка сточных вод на основе вышеупомянутого исследования.