فعالیت های انسانی در دهه های اخیر اثرات منفی بر کیفیت محیط زیست داشته است. سوزاندن ضایعات کشاورزی بهجامانده پس از برداشت محصول باعث انتشار گازهایی نظیر مونواکسیدکربن، دی اکسیدکربن، اکسید نیتروژن و سایر گازهای گلخانه ای به اتمسفر شده که از عوامل اصلی آسیب رساننده به لایه ازن، گرمایش جهانی و تغییر اقلیم هستند. راهکارهای نوینی برای کاهش دی اکسید کربن اتمسفر ارایه شده است که یکی از آنها تثبیت کربن مواد آلی بهوسیله ی تولید بیوچار است. بیوچار یک ترکیب کربنی است که از فرایند پیرولیز (حرارت دهی در غیاب و یا کمبود اکسیژن محیط) حاصل می گردد. با توجه به مشکلات سوزاندن بقایا در کشور و اهمیت ارایه یک راهکار مناسب جایگزین، این مطالعه با هدف تبدیل کاه گندم و سبوس برنج به بیوچار و بررسی پتانسیل آنها به عنوان جاذب فلزات سنگین در محیط های آبی انجام شد. ضایعات کشاورزی در ابتدا از طریق کورهی پیرولیز با اتمسفر گاز نیتروژن در سه دمای ۳۰۰، ۴۰۰ و ۵۰۰ درجه سانتی گراد به بیوچار تبدیل و سپس پارامترهای مختلفی نظیر درصد بازدهی تولید بیوچار، رطوبت، خاکستر، مواد فرار و کربن تثبیت شده، همچنین pH بیوچارهای تولید شده و مواد اولیه اندازه گیری شد. سپس آزمایش جذب پیمانه ای برای جذب سرب و کادمیم (غلظت ۲ و ۱۰ میلی گرم بر لیتر) بهوسیله ی بیوچار های تولید شده در دماهای مختلف انجام شد. با افزایش دمای تولید بازدهی تولید بیوچار، درصد رطوبت و مواد فرار در انواع بیوچارهای تولید شده کاهش و درصد خاکستر و کربن تثبیت شده افزایش یافت. همچنین pH بیوچارهای تولید شده با افزایش دمای تولید، افزایش یافت و ماهیت بیوچارها به سمت قلیایی شدن تغییر یافت. نتایج آزمون جذب بیانگر توانایی بهتر بیوچار حاصل از کاه گندم در حذف فلزات سنگین سرب و کادمیم از محلولهای آبی نسبت به بیوچار سبوس برنج بود.

واژه های کلیدی: بیوچار، تغییرات اقلیم، ضایعات کشاورزی، جذب سطحی، فلزات سنگین

×

×

مقدمه

افزایش جمعیت کرهی زمین باعث تغییر کاربری زمین، تخریب جنگلها، افزایش فعالیتهای کشاورزی و دامداری و تولید ضایعات جامد و مایع گردیده که یکی از تبعات مختلف آن پدیدهی تغییر اقلیم۱ است که بواسطه انتشار روزافزون گازهای گلخانهای است.[Lehmann, J and S. Joseph. 2009] مجموع انتشار دی اکسید کربن اتمسفری فعلی در سطح جهان حدود ۳۰ گیگاتن ۳۰) میلیارد تن) در سال است. این رقم ۱۰ برابر میزان نفتی است که روزانه در کل جهان جابجا می شودForster, P., ] .[et al. 2007 بی تردید، انتظار نمی رود میزان انتشار فعلی به صفر برسد و یا یک فناوری به تنهایی قادر به انجام آن باشد، اما نمایی از اندازه مشکل را به ما ارائه می کند. امروزه راهکارهای فراوانی برای کاهش تغییرات اقلیم مورد استفاده قرار میگیرد که استفاده از مواد تثبیت کنندهی کربن نظیر بیوچار یکی از آنهاست. بیوچار۲ یک باقیماندهی جامد حاوی کربن است که در شرایط گرمایی ویژه و در شرایط محدود اکسیژن و درجه حرارت پایین ۷۰۰) درجه سانتیگراد(< تولیدشده که این فرایند تحت عنوان پیرولیز در دمای کم است و مادهی جامد حاصل از آن دارای زی تودهی غنی از کربن است.[Xu, X., et al. 2013] به طور کلی تقرباًی نیمی از وزن زی تودهی خشک گیاهی مواد آلی را کربن خالص تشکیل میدهد که اگر در هوای آزاد تجزیه شود تقرباًی تمام کربن آن به اتمسفر آزاد میشود. در طی پیرولیز حدود %۵۰ از زی تودهی کربن به بیوچار تبدیل میشود و %۵۰ بقیه به صورت انرژی مفید از نظر محیط زیست، آزاد میشود. انواع مختلف مواد اولیه مانند ضایعات چوب، کودهای حیوانی و بقایای محصولات میتواند برای تولید بیوچار استفاده شود. این مزیت بیوچار که از گسترهی وسیعی از زی تودهها قابل تولید است و همچنین توانایی گوناگون آن باعث شده که بیوچار به عنوان یک ماده سودمند زیستمحیطی و باصرفهی اقتصادی برای مدیریت محیطزیست مطرح میباشد .[Tong, X.-j., et al. 2011]

بیوچار تولیدشده توانایی کاهش دی اکسید کربن اتمسفری را دارد، بنابراین میتواند به کاهش انتشار گازهای گلخانهای کمک کند. علاوه بر این بیوچار یک مادهی غنی از کربن است که به سادگی از بقایای زی تودهی کم ارزش قابل تولید است و با اضافه کردن به خاک سبب افزایش حاصلخیزی خاک میشود. علاوه براین، بیوچار تواناییهای امیدبخشی در بسیاری از کاربردهای

Climate change Biochar

۱

۲

زمینهی محیطزیست شامل تثبیت کربن، بهبود خاک، تصفیهی آب و اصلاح محیطزیست فراهم نموده استXue, Y., et al. ] .[2012 از طرف دیگر، آلودگی رو به افزایش فاضلابهای شهری و صنعتی دارای ترکیبات سمی حاصل از توسعه و رشد صنایع مسئله بسیار نگرانکننده ای است. فلزات سنگین به لحاظ ماهیت غیرقابل تجزیه، سمیت شدید، تجمع پذیر و سرطانزا بودن نه تنها حیات آبزیان منابع آب را به مخاطره میاندازد بلکه آبهای پذیرنده را جهت مصارف مختلف از جمله آشامیدن نامطلوب میسازد.[Ulmanu, M., et al. 2003 ] فاضلاب بسیاری از فرآیندهای صنعتی همچون آبکاری، عکاسی، صنایع هوانوردی، تسهیلات انرژی اتمی و صنایع پتروشیمی در اثر تخلیه به منابع آبی آلودگی آنها را سبب میشود. فلزات سنگین مثل سرب و کادمیم به واسطهی تحرک و خاصیت تجمع پذیری، سرطانزایی و جهش زایی، حتی در غلظتهای پایین نیز برای موجودات زنده تهدید جدی به شمار می روند.[Holan ZR, V.B. 1994]

از آنجا که فلزات سنگین به دلیل برخورداری از خاصیت تجمع پذیری در بافتهای مختلف و عدم تجزیهپذیری و نیز مقاومت در برابر تغییرات بیولوژیکی پس از ورود به محیط قادرند در چرخهی حیات به حرکت چرخه ای خود ادامه داده و به تدریج در بافتهای چرب مصرفکنندگان ذخیره گردند و از این راه موجب بروز خطرات عدیده سمی حاد، مزمن و اثرات ژنتیکی گردند بررسی و پیگیری نحوهی ورود و روشهای کنترل این عناصر از طریق منابع مختلف شهری، صنعتی و کشاورزی به منابع پذیرندهی آب، خاک و غذا توجه بسیاری از محققین محیطزیست را به خود جلب نموده است ,[Demirak, A., et al. 2006] .[Pizzichini, M., et al 2002] روشهای متنوعی برای حذف فلزات سنگین شامل تهنشینی، فیلتراسیون، اکسیداسیون و احیاء، تبادل یونی و جداسازی غشایی وجود دارد. البته این روشها وقتی فلزات در حجم زیاد و غلظت کم محلول موجود باشند کارایی پایین و اغلب هزینهی بالایی را در بر خواهد داشت.[Lee, H.and J. Suh. 2000] ,[Blanco, A., et al. 1999]

حذف یونهای فلزات سنگین از محلولهای آبی از طریق جذب یک روش آسان و نسبتا کم هزینه است. البته کارایی حذف فلزات سنگین از طریق جذب سطحی به طور عمدهای به انتخاب جاذب به کار گرفته شده وابسته است. بنابراین در سالهای اخیر توجه زیادی به انتخاب مواد با هزینهی کم وگزینش پذیری بالا برای حذف یونهای فلزات سنگین از محلول های آبی معطوف گردیده است. بیوچارهای تولیدشده طی فرآیند پیرولیز میتواند به عنوان یک جاذب کم هزینه برای جذب فلزات سنگین و آلایندههای آلی استفاده شود.[Chun, Y., et al 2004 ] ,[Cao, X., et al. 2009] در این تحقیق، ابتدا تولید بیوچار از ضایعات کشاورزی مانند کاه و کلش گندم و سبوس برنج در دماهای مختلف بررسی شده است. در مرحله بعد کارایی بیوچارهای تولیدشده در جذب فلزات سنگین سرب و کادمیم از محلولهای آبی باهم مقایسه شده است.

مواد و روش

برداشت و جمعآوری ضایعات کشاورزی

بقایا و ضایعات کشاورزی از مزارع شهر درچه در استان اصفهان جمعآوری شدهاند که این ضایعات شامل کاه گندم و سبوس برنج بود. نمونهها بعد از جمعآوری به آزمایشگاه منتقلشده و در آزمایشگاه به وسیلهی دستگاه خردکن آسیاب شد. سپس نمونههای خورد شده به منظور همگن شدن اندازهی ذرات از الک ۱ میلی متری عبور داده و سپس برای تولید بیوچار استفاده شد.

تولید بیوچار

ابتدا ۲۵ گرم از هر کدام از نمونه های آمادهشده (کاه گندم و سبوس برنج) را به طور جداگانه در ظرف استیلی مخصوص قرار داده

æ سپس نمونه های مذکور در کوره ی پیرولیز (شکل (۱ در سه دمای ۳۰۰، ۴۰۰ و ۵۰۰ درجهی سانتیگراد با گاز عبوری نیتروژن

æ زمان ماند ۱ ساعت به بیوچار تبدیل شد.

شکل -۱ کوره پیرولیز مورد استفاده برای تولید بیوچار در آزمایشگاه آلودگیهای محیطزیست دانشگاه صتعتی اصفهان

مشخصه یابی بیوچارهای تولیدشده

• بازدهی تولید بیوچار۱

بازدهی تولید بیوچار بوسیله ی پیرولیز وابسته به پارامترهای زیادی نظیر مادهی اولیه و دما است. میتوان گفت دما مهمترین پارامتری است که مقدار بیوچار تولیدشده را تحت تأثیر قرار میدهد.[Tang, J., et al. 2013] درصد بیوچار تولیدشده در این تحقیق طبق معادلهی ۱-۳ در هر دما محاسبه شد.[Tong, X. -j., et al. 2011]

(معادله(۱ × Biochar yield% =

در این معادله، = Biochar yield% بازدهی تولید بیوچار، =Mb مقدار بیوچار تولیدشده بر حسب گرم و=Mo مقدار اولیهی مادهی اولیه است.

• آنالیز تقریبی

الف) مقدار رطوبت۲

رطوبت در واقع مقدار آب موجود در نمونه است. مقدار رطوبت نمونه به شیوه زیرو براساس روش ASTM D2974 تعیین شد که مراحل آن به شرح زیر است.

(۱ ابتدا ظرف خالی (B) و پس از اضافه کردن ۱۵ گرم نمونه ظرف با زی توده (C) وزن شد. (۲ ظرف حاوی زی توده در آون در دمای ۱۰۳ درجه سانتیگراد به مدت ۳ ساعت قرار داده شد. (۳ نمونه در دمای اتاق به مدت ۱۵ دقیقه در دسیکاتور قرار داده تا سرد شود.
(۴ نمونه با ظرف (D) وزن شد.

(۵ درصد رطوبت بر اساس معادله ۲-۳ تعیین شد.

(معادلهی = (۲ درصد رطوبت

ب) مقدار خاکستر۳

۱ Biochar yeild 2 Moisture 3 Ash

خاکستر باقیماندهای معدنی بعد از احتراق زی توده است. مقدار خاکستر بر اساس روش ASTM D2974 تعیین شد.

مراحل آن عبارت است از:

(۱ ابتدا ظرف خالی((B و پس از اضافه کردن ۱۵ گرم نمونه ظرف با زی توده((C وزن شد.
(۲ ظرف حاوی زی توده در کوره در دمای ۶۰۰ درجه سانتیگراد به مدت ۳ ساعت قرار داده شد. (۳ نمونه را در دمای اتاق به مدت ۱۵ دقیقه در دسیکاتور قرار داده تا سرد شود.
(۴ نمونه با ظرف((D وزن گردید.

(۵ درصد خاکستر بر اساس معادله ۳-۳ تعیین شد.

(معادلهی = ( ۳ درصد خاکستر

ج) مقدار مواد فرار۱

مواد فرار، گازها و بخارات ناشی از نمونه زیتوده طی فرآیندهای حرارتی است که بر اساس روش ASTM D2974 اندازهگیری شد.

مراحل آن در زیر شرح داده شده است. نکتهی قابلتوجه این است که برای تعیین مقدار مواد فرار باید از ظرف درب دار و بسته استفاده کرد و آزمایش در شرایط بدون حضور هوا انجام شود. مقدار نمونه مورد استفاده برای این آنالیز ۱۵ گرم از هر نمونه بوده است.

(۱ وزن ظرف خالی((B
(2 وزن ظرف با زی توده((C
(3 ظرف با زی توده در کوره در دمای ۹۰۰ درجه سانتیگراد به مدت ۷ دقیقه قرار داده شد. (۴ نمونه در دمای اتاق در دسیکاتور سرد گردید.
۵( نمونه با ظرف وزن شده (D ) و درصد مواد فرار((VM بر اساس معادله ۴-۳ و ۵-۳ محاسبه گردید. E درصد کاهش وزن است و F درصد رطوبت است.

(معادلهی (۴ E =

(معادلهی (۵ VM = E – F

۱ Volatile matter

د) مقدار کربن ثابت۱

مقدار کربن ثابت از طریق معادلهی ۶-۳ و به وسیلهی کم کردن درصد مقدار رطوبت، درصد مواد فرار و درصد خاکستر از عدد ۱۰۰ محاسبه گردید. عدد به دست آمده مقدار کربن ثابت حاضر در نمونه بر حسب درصد است.

(معادلهی (۶ (درصد خاکستر+ درصد مواد فرار + درصد رطوبت) – =۱۰۰ درصدکربن ثابت
نمونه

تعیین مقادیر pH

برای تعیین pH هر کدام از جاذبها ابتدا مقدار ۱/۲۵ میلیلیتر از ۰/۰۱ CaCl2 مولار با ۰/۲۵ گرم از هر جاذب مخلوط و به مدت زمان ۲ ساعت در دمای ۲۵ ±۱ درجه سانتی گراد روی همزن با سرعت ۱۲۵ دور در دقیقه هم زده شد. سپس مقادیر pH به وسیلهی pH متر قرائت گردید.[Page, A.L. 1982]

آزمون جذب۲

ابتدا ۰/۰۲۵ گرم از هر کدام از بیوچارها به صورت جداگانه به عنوان جاذب توزین شده و سپس به آن ۲۵ میلیلیتر محلول کادمیم با غلظت ۲ میلی گرم بر لیتر اضافه و به مدت ۱ ساعت در دمای ۲۵ ±۱ درجه سانتیگراد روی همزن با سرعت ۱۵۰ دور در دقیقه هم زده شدند. همچنین برای آزمایش جذب سرب شرایط مذکور با غلظت ۱۰ میلی گرم بر لیتر سرب اعمال شد. لازم به ذکر است pH تمامی محلولها ۶ در نظر گرفته شد. پس از گذشت زمان یک ساعت نمونه ها به مدت ۱۵ دقیقه با سرعت ۲۵۰۰ دور در دقیقه سانتریفیوژ و سپس غلظت فلز سرب و کادمیم باقیمانده به وسیلهی دستگاه جذب اتمی اندازهگیری گردید. تمام آزمایشها به صورت پیمانهای۳، با سه تکرار و همراه با محلول شاهد (محلول سرب و کادمیم بدون جاذب) انجام گرفت و تغییر غلظت نسبت به شاهد بررسی گردید. در تمامی آزمایشها برای محاسبهی درصد جذب و مقدار جذب به ترتیب معادلههای ۸-۳ و ۹-۳ مورد استفاده قرار گرفتElaigwu, S.E., ]
.[et al. 2014

۱ Fixed carbon 2 Adsorption test 3 Batch experiment

(معادله (۸

(معادله (۹

در این معادله =E درصد جذب، و = غلظت اولیه و غلظت تعادلی یون فلز (میلی گرم بر لیتر)، مقدار جذب (میلی

گرم بر گرم)، =V حجم محلول (لیتر) و =W مقدار جاذب (گرم) است.

نتایج و بحث

آماده سازی و تهیه ی بیوچار

– اثر تغییرات دما بر بازدهی بیوچار تولید شده

نتایج نشان داد که در همه ی انوع بیوچار در این تحقیق با افزایش دما بازدهی تولید این ماده کاهش می یابد(شکل -۴ .(۱ به طوری که با افزایش دما از ۳۰۰ به ۵۰۰ درجه ی سانتی گراد، درصد بیوچارهای تولید شده از % ۴۴/۵۲ به ۳۴/۱۲ % برای بیوچار حاصل از کاه گندم و از % ۴۹/۲۴ به % ۴۲ برای بیوچار حاصل از سبوس برنج کاهش یافت. کاو و همکاران (۲۰۱۰) جرم از دست رفته در دماهای بین ۲۰۰ تا ۵۸۰ درجه سانتی گراد را عمدتا ناشی از سوختن مواد آلی باقی مانده در نمونه ی بیوچار گزارش دادند.[Cao, X and W. Harris. 2010]

اکسینسای چن و همکاران (۲۰۱۱) طی مطالعه ای که روی بیوچار حاصل از چوب و کاه ذرت انجام دادند به این نتیجه رسیده اند که با افزایش دمای پیرولیز از ۳۰۰ به ۸۰۰ درجه ی سانتی گراد، درصد بیوچار تولید شده از % ۶۷ به % ۲۶ کاهش می یابد.[Chen, X., et al. 2011]

الف

۳ ۰ ۰ ۴ ۰ ۰ ۵ ۰ ۰

دما (درجه سانتیگراد)

۶۰ درصد
۴۰
بیوچار
۲۰
تولید

۰ شده

ب

۳ ۰ ۰ ۴ ۰ ۰ ۵ ۰ ۰

دما (درجه سانتیگراد)

۶۰
۵۰ درصد
۴۰

۳۰ بیوچار
۲۰
تولید
۱۰
۰
شده

شکل -۲ بازدهی بیوچار تولیدی از کاه گندم(الف)، سبوس برنج (ب)

– آنالیز تقریبی

در جدول ۱ مقادیر درصد رطوبت، خاکستر، مواد فرار و کربن تثبیت شده کاه گندم و سبوس برنج گزارش شده است. درصد خاکستر در هر دو نمونه با افزایش دما افزایش یافت که با نتایج نواک و همکاران (۲۰۰۹) تطابق داشتJeffrey ]

.[M. Novak, et al. 2009

درصد رطوبت هر دو نمونه با افزایش دما روند نزولی را به دنبال داشته است. تجزیه ی شیمیایی زی توده مواد اولیه، اثر مستقیم بر ماهیت فیزیکی بیوچار تولید شده دارد. مواد آلی در دماهای بالاتر از ۱۲۰ درجه سانتی گراد تحت برخی تجزیه های گرمایی قرار می گیرند که باعث از دست دادن رطوبت آنها می شود. همچنین در دمای ۲۰۰ تا ۲۶۰ درجه ی سانتی گراد همی سلولز و در ۲۴۰ تا ۳۵۰ درجه سانتی گراد سلولز و در ۲۸۰ تا ۵۰۰ درجه مقدار لیگنین کاهش می یابد.[Lehmann, J, S. Joseph. 2009]

جدول -۱-۴ نتایج آنالیز تقریبی مواد اولیه مختلف و بیوچار تولیدی در دماهای مختلف در این تحقیق

تیمار درصد رطوبت درصد خاکستر درصد مواد فرار درصدکربن تثبیت شده
کاه
ماده ی خام (شاهد) ۳/۹ ۱۰/۲ ۴۷/۱ ۳۸/۸
بیوچار در ۳۰۰ درجه سانتی گراد ۳/۳ ۱۳/۵ ۳۶/۸ ۴۶/۴
گندم
بیوچار در ۴۰۰ درجه سانتی گراد ۲/۹ ۱۴/۲ ۳۳/۱ ۴۹/۸

بیوچار در ۵۰۰ درجه سانتی گراد ۲/۵ ۱۴/۹ ۲۵/۸ ۵۶/۸

سبوس ماده ی خام (شاهد) ۳/۹ ۱۹/۱ ۴۴/۷ ۳۲/۳
بیوچار در ۳۰۰ درجه سانتی گراد ۲/۲ ۲۰/۲ ۴۱/۱ ۳۶/۵
برنج
بیوچار در ۴۰۰ درجه سانتی گراد ۲/۲ ۲۰/۵ ۳۷/۷ ۳۹/۶

بیوچار در ۵۰۰ درجه سانتی گراد ۱/۷ ۲۱/۲ ۳۳/۷ ۴۳/۴

افزایش دما موجب کاهش مواد فرار موجود در نمونه خام می شود، بنابراین مقدار مواد فرار در نمونه هایی که در دمای بالاتر قرار دارند کمتر است. همچنین حذف ترکیبات فرار در پیرولیز با دمای بالا منجر به بیوچار درصد بیشتری از کربن

میشود.[Jeffrey M. Novak, et al. 2009]

– pH بیوچارهای تولیدی در دماهای مختلف

یکی از روش هایی که برای بررسی شیمی سطح جاذب ها استفاده شد، اندازه گیری میزان pH آن ها بود. در شکل ۳ اندازه گیری مقادیر pH برای بیوچارهای مختلف تولید شده در دماهای مختلف و مواد اولیه ی آنها گزارش شده است و بررسی روند تغییرات pH با تغییرات دما بررسی شده است. نتایج نشان داد که با افزایش دما ماهیت بیوچارهای تولید شده به سمت قلیایی شدن می رود که دلیل بروز این پدیده عمدتا ناشی از جدا شدن نمک های بازی از مواد آلی با افزایش یافتن دما است.[Al-Wabel, et al. 2013]

سبوس برنج کاه گندم ۱۴