PRODUCTION DE BIOCHAR
Introduction
Les besoins énergétiques mondiaux augmentent actuellement en raison de l’augmentation de la population. Tous les secteurs du pays ont besoin d’énergie.
Les combustibles fossiles constituent la principale source d’énergie. Mais en raison de l’effet du CO2 sur l’environnement et des enjeux énergétiques mondiaux, le remplacement des combustibles fossiles est devenu nécessaire.
Les déchets organiques, en tant que constituant principal de la biomasse solide, présentent un potentiel élevé de génération de biocharbon.
Les déchets de biomasse appropriés à la production de biochar comprennent les résidus de cultures agricoles, forestières, les déchets solides municipaux, les fumiers alimentaires et animaux, etc.
Le biocharbon dérivé de la biomasse est une source très riche de carbone produit à partir de la biomasse par combustion thermique dans un environnement limité en oxygène. Les propriétés uniques du biochar telles qu’une grande surface spécifique, une porosité élevée, des groupes fonctionnels, une capacité d’échange cationique élevée et une stabilité le rendent adapté à diverses applications. La rapidité et la facilité de préparation, la nature écologique, la réutilisabilité et la rentabilité sont quelques-uns des avantages du biochar.
Le biochar a attiré l’attention de nombreux chercheurs en établissant son efficacité dans l’élimination de divers contaminants. Les paramètres du processus sont principalement responsables de la détermination du rendement en biomasse. Les paramètres incluent la température, les types de biomasse, le temps de séjour, la vitesse de chauffage, la pression, etc.
La température est le principal paramètre affectant les caractéristiques du biochar. Les techniques thermochimiques couramment utilisées pour la production de biocharbon comprennent la pyrolyse, la carbonisation hydrothermale, la gazéification, la carbonisation flash et la torréfaction. Parmi toutes ces méthodes, la pyrolyse est la plus couramment utilisée pour produire du biochar. Les composés organiques présents dans la biomasse se décomposent à une température spécifique dans un environnement limité en oxygène. Les facteurs qui affectent le produit de la pyrolyse comprennent la température du processus, le temps de séjour, le type de biomasse et la vitesse de chauffage.
Bien que le biochar soit entièrement composé de carbone et de cendres, la composition élémentaire et les caractéristiques diffèrent en fonction du type de biomasse, des conditions de réaction et du type de réacteurs utilisés pendant le processus de carbonisation.
Par conséquent, l’application et l’efficacité du biochar dans divers domaines dépendent du type de biomasse utilisé pour produire du biochar. La caractérisation du biochar est très importante pour déterminer la composition élémentaire du biochar, les groupes fonctionnels de surface, la stabilité et la structure. La caractérisation du biochar peut être effectuée à l’aide de diverses techniques modernes telles que la microscopie électronique à balayage (MEB), le spectromètre infrarouge à transformée de Fourier (FTIR), l’analyse thermogravimétrique (TGA), la diffraction des rayons X (XRD), Brunauer Emmett Teller (BET), nucléaire. Résonance magnétique (RMN), spectroscopie Raman, etc. La littérature récente s’est concentrée sur la caractérisation du biocharbon et son objectif principal est de différencier le biocharbon des autres matières organiques du sol. Différentes propriétés du biocharbon peuvent être identifiées à l’aide des techniques de caractérisation ci-dessus, par exemple : SEM pour la morphologie du biochar, FTIR pour déterminer les groupes fonctionnels, etc. Le mécanisme par lequel le biochar absorbe les métaux lourds toxiques et autres contaminants est l’adsorption. L’efficacité d’adsorption du biochar est directement proportionnelle aux propriétés physico-chimiques telles que les groupes fonctionnels, la surface, la capacité d’échange de cations, etc. Les propriétés physico-chimiques du biochar peuvent être améliorées en traitant le biochar avec des agents acides, alcalins ou oxydants. La surface peut être modifiée par traitement acide. Les propriétés physico-chimiques du biochar peuvent être améliorées en traitant le biochar avec des agents acides, alcalins ou oxydants. La surface peut être modifiée par traitement acide. Les propriétés physico-chimiques du biochar peuvent être améliorées en traitant le biochar avec des agents acides, alcalins ou oxydants. La surface peut être modifiée par traitement acide.
La littérature détaillée concernant les propriétés du biochar et ses techniques d’analyse et de quantification ouvrira la voie à des connaissances sur l’efficacité du biochar dans divers secteurs. En raison de ses nombreux avantages et de sa nature respectueuse de l’environnement, le biochar a été utilisé pour résoudre de nombreux problèmes environnementaux tels que l’adsorption de polluants, la réduction des émissions de gaz à effet de serre, le compostage, le traitement des eaux usées, l’assainissement des sols, la production d’énergie et les catalyseurs. La capacité du biochar à adsorber les polluants organiques et inorganiques dépend de son rapport surface/volume élevé et de son affinité envers les groupes non polaires.
Le biochar a également été utilisé dans les champs agricoles pour éliminer les polluants du sol. De nombreux résidus agricoles ont été utilisés pour produire du biochar, comme la paille de riz, la paille de blé, les déchets de bois, les résidus de betterave sucrière, les épis de maïs, etc. Ces biomasses sont composées principalement de composants de cellulose, d’hémicellulose et de lignine.
Au cours du processus de pyrolyse, ces composants sont décomposés thermiquement à différentes températures et leurs mécanismes sont discutés en détail. Cette revue s’est concentrée sur un aperçu de l’assainissement des polluants toxiques à l’aide du biocharbon, des avantages du biocharbon et de l’influence des paramètres de processus tels que la température, la pression, la vitesse de chauffage, etc. La production de biocharbon en utilisant différentes techniques telles que la pyrolyse, la gazéification hydrothermale, la torréfaction a été conféré. Les techniques de caractérisation telles que SEM, XRD, FTIR, TGA, BET, etc. ont été explorées. En plus de cela, la stabilité du biocharbon, son utilisation dans diverses applications telles que l’élimination des polluants organiques et inorganiques, la séquestration du carbone et le catalyseur ont été discutés.
Méthodes de production de biochar
L’intérêt croissant pour l’utilisation du biochar pour diverses applications a conduit à une conversion accrue de la biomasse en biochar. La conversion thermochimique est une technique courante pour la production de biochar. La méthode de conversion thermochimique comprend la pyrolyse, la carbonisation hydrothermale, la gazéification et la torréfaction. Pour un rendement maximal de biochar, la technique choisie pour la production doit être appropriée en fonction du type de biomasse et les conditions du processus telles que la vitesse de chauffage, la température, le temps de séjour, etc. doivent également être optimales. Ces conditions sont cruciales car elles peuvent affecter les états physiques et chimiques du biochar durant le processus de production. La morphologie du biocharbon issu de la biomasse végétale varie en fonction des conditions du procédé puisqu’elle implique une perte de poids de la biomasse. Initialement, la perte de poids due à la perte d’eau autour de 100 oC se poursuit par une dégradation de la cellulose, de l’hémicellulose et de la lignine se produisant au-dessus de 220 oC. Enfin, la perte de poids se produit en raison de la combustion des résidus carbonés.
Pyrolyse
Le processus de décomposition thermique des matières organiques dans un environnement sans oxygène dans une plage de température de 250 à 900 °C est appelé pyrolyse. Ce processus est une stratégie alternative pour convertir la biomasse résiduelle en produits à valeur ajoutée comme le biochar, le gaz de synthèse et la biohuile.
Au cours du processus, les composants lignocellulosiques comme la cellulose, l’hémicellulose et la lignine subissent des processus de réaction tels que la dépolymérisation, la fragmentation et la réticulation à des températures spécifiques, ce qui entraîne un état différent des produits comme le solide, le liquide et le gaz. Les produits solides et liquides comprennent le charbon de bois et la bio-huile tandis que les produits gazeux sont le dioxyde de carbone, le monoxyde de carbone et l’hydrogène ainsi que le gaz de synthèse (hydrocarbures en C 1 -C 2 ).
Différents types de réacteurs tels que les fours à palettes, les lits fluidisés bouillonnants, les réacteurs à chariot et les fours rotatifs à sable agité sont utilisés pour la production de biochar.
Le rendement en biocharbon lors du processus de pyrolyse dépend du type et de la nature de la biomasse utilisée. La température est la principale condition du processus de fonctionnement qui détermine l’efficacité du produit. Généralement, le rendement en biochar diminue et la production de gaz de synthèse augmente lorsque la température augmente pendant le processus de pyrolyse.
La pyrolyse peut être classée comme un processus de pyrolyse rapide et lent en fonction de la vitesse de chauffage, de la température, du temps de séjour et de la pression.
Pyrolyse rapide :
La pyrolyse rapide est considérée comme une procédure thermochimique directe qui peut liquéfier la biomasse solide en bio-huile liquide avec un potentiel élevé d’application énergétique. Les conditions de pyrolyse rapide sont décrites par :
(i) des rythmes de réchauffement rapides des particules de biomasse (>100 o C/min),
(ii) accompagné de courtes durées de particules de biomasse et de fumées de pyrolyse (0,5 à 2 s) à des températures élevées et
(iii) températures de traitement de pyrolyse modérées (400-600 o C).
Un élément distinctif clé de l’innovation en matière de pyrolyse rapide est la nécessité de maintenir le temps de séjour des fumées dans la zone chaude jusqu’à la base, pour obtenir une bio-huile de grande qualité. Ceci peut être réalisé en garantissant une extinction ou un refroidissement rapide des fumées.
Pyrolyse lente : Dans la pyrolyse lente, la vitesse de chauffage est très inférieure, autour de 5 à 7 o C/min et possède un temps de séjour plus long, supérieur à 1 h.
L’innovation de pyrolyse lente offre un meilleur rendement en charbon par rapport aux différentes stratégies de pyrolyse et de carbonisation. Le biochar pourrait être utilisé comme exhausteur de saleté pour améliorer la qualité du sol.
La majorité de la biomasse est composée de cellulose, d’hémicellulose et de lignine. Ces composants sont convertis en biocharbon en utilisant différentes conditions et mécanismes de réaction.
Décomposition de la cellulose
Le mécanisme de décomposition de la cellulose est identifié en réduisant le degré de polymérisation constituant deux réactions :
1) Par pyrolyse lente, comprenant une décomposition de la cellulose avec un temps de séjour plus long et une vitesse de chauffage moindre
2) Par pyrolyse rapide, se produisant à une vitesse de chauffage élevée par volatilisation rapide entraînant le développement de lévoglucosane. En plus du biocharbon solide, le lévoglucosan subit également un processus de déshydratation pour produire de l’hydroxyméthylfurfural qui peut se décomposer pour produire des produits liquides et gazeux comme la biohuile et le gaz de synthèse, respectivement. En outre, l’hydroxyméthylfurfural peut également subir plusieurs réactions telles que l’aromatisation, la condensation et la polymérisation pour produire à nouveau du biochar solide.
Décomposition de l’hémicellulose Le mécanisme de décomposition de l’hémicellulose est similaire à celui de la cellulose. L’hémicellulose subit une dépolymérisation pour former des oligosaccharides. Cela peut passer par une série de réactions comprenant la décarboxylation, le réarrangement intramoléculaire, la dépolymérisation et l’aromatisation pour produire soit du biochar, soit le composé se décompose en gaz de synthèse et en biohuile.
Décomposition de la lignine Contrairement au mécanisme de décomposition de la cellulose et de l’hémicellulose, le mécanisme de décomposition de la lignine est complexe .
La liaison lignine β-O-4 se rompt, entraînant la production de radicaux libres. Ces radicaux libres capturent les protons d’autres espèces, entraînant la formation de composés décomposés. Les radicaux libres se déplacent vers d’autres molécules conduisant à la propagation de la chaîne.
Carbonisation hydrothermale
La carbonisation hydrothermale est considérée comme une méthode rentable pour la production de biocharbon, car le processus peut être effectué à basse température, autour de 180 à 250 °C.
Le produit utilisant le processus hydrothermal est appelé hydrochar pour différencier le produit issu de processus secs tels que la pyrolyse et la gazéification. Au cours du processus, la biomasse est mélangée avec de l’eau et placée dans un réacteur fermé.
La température augmente lentement pour maintenir la stabilité. À différentes températures, les produits sont produits comme suit : du biocharbon à une température inférieure à 250 °C appelé carbonisation hydrothermale, de la bio-huile entre 250 et 400 °C appelée liquéfaction hydrothermale et des produits gazeux de synthèse tels que CO, CO2, H 2 et CH4produit à une température supérieure à 400 o C appelée gazéification hydrothermale. Le produit hydrolysé subit une série de réactions telles que la déshydratation, la fragmentation et l’isomérisation pour former le produit intermédiaire 5-hydroxyméthylfurfural et ses dérivés. De plus, la réaction se déroule par condensation, polymérisation et déshydratation intramoléculaire pour produire l’hydrochar. Le poids moléculaire élevé et la nature complexe de la lignine compliquent le mécanisme. La décomposition de la lignine commence par une réaction de désalkylation et d’hydrolyse produisant des produits phénoliques comme des phénols, des catéchols, des syringols, etc. Enfin, le charbon est produit par repolymérisation et réticulation d’intermédiaires. Les composants de la lignine qui ne sont pas dissous dans la phase liquide sont transformés en hydrocarbure semblable à une réaction de pyrolyse.
Gazéification _ _
La gazéification est une méthode thermochimique de décomposition de la matière carbonée en produits gazeux, c’est-à-dire le gaz de synthèse comprenant CO, CO 2 , CH 4 , H 2 et des traces d’hydrocarbures en présence d’agents de gazéification tels que l’oxygène, l’air, la vapeur, etc. et à haute température. . Il est à noter que la température de réaction est le facteur le plus important pour déterminer la production de gaz de synthèse. Il a été constaté qu’à mesure que la température augmentait, la production de monoxyde de carbone augmentait tandis que d’autres teneurs telles que le méthane, le dioxyde de carbone et les hydrocarbures diminuaient. Le principal produit de ce processus est le gaz de synthèse et les charbons sont considérés comme le sous-produit ayant le moins de rendement.
Le mécanisme de gazéification peut être subdivisé en plusieurs étapes comme suit :
Séchage
Au cours de ce processus, l’humidité de la biomasse est complètement évaporée sans récupération d’énergie. La teneur en humidité varie selon les différents matériaux de biomasse. Le séchage est utilisé comme un processus distinct pendant le processus de gazéification lorsque la biomasse contient une teneur élevée en humidité.
Oxydation/Combustion
Les réactions d’oxydation et de combustion des agents de gazéification sont les principales sources d’énergie du processus de gazéification. Ces agents de gazéification réagissent avec les espèces combustibles présentes dans le gazéificateur pour produire du CO 2 , du CO et de l’eau.
Torréfaction et carbonisation flash
La torréfaction est une technique émergente pour la production de biochar. Il utilise une faible vitesse de chauffage, appelée pyrolyse douce.
L’oxygène, l’humidité et le dioxyde de carbone présents dans la biomasse sont éliminés à l’aide d’air atmosphérique inerte en l’absence d’oxygène à une température de 300 o C en utilisant divers procédés de décomposition.
Le processus de torréfaction modifie les propriétés de la biomasse telles que la taille des particules, la teneur en humidité, la surface, la vitesse de chauffage, la densité énergétique, etc. Le processus de torréfaction peut être effectué
(a) Torréfaction à la vapeur : dans ce processus, la biomasse est traitée à la vapeur avec une température ne dépassant pas 260 °C et un temps de séjour d’environ 10 minutes.
(b) Torréfaction humide : également appelée carbonisation hydrothermale, elle se déroule avec le contact de la biomasse avec de l’eau à une température de 180 à 260 °C et un temps de séjour de 5 à 240 min.
(c) Torréfaction oxydative : ce processus est réalisé en traitant la biomasse avec des agents oxydants tels que des gaz qui sont utilisés pour le processus de combustion afin de générer de l’énergie thermique. Cette énergie thermique est utilisée pour produire la température requise.
Le mécanisme du processus de torréfaction est un processus de pyrolyse incomplet et le processus se déroule dans les conditions de réaction suivantes : température – 200-300 o C, temps de séjour – moins de 30 min, vitesse de chauffage – inférieure à 50 o C/min et en l’absence d’oxygène. .
Le processus de torréfaction sèche peut être classé en différentes phases telles que le chauffage, le séchage, la torréfaction et le refroidissement. Là encore, le séchage peut être classé en processus de pré-séchage et de post-séchage.
Chauffage
Au cours de ce processus, la biomasse est chauffée jusqu’à ce que la température de séchage souhaitée soit maintenue et que la teneur en humidité de la biomasse s’évapore.
Préchauffage
Ce processus se produit à une température de 100 o C jusqu’à ce que la teneur en humidité présente dans la biomasse s’évapore complètement.
Post-séchage
La température augmente jusqu’à 200 °C et l’eau contenue s’évapore complètement. La teneur en masse est perdue en raison de l’augmentation de la température.
Torréfaction
Ce processus constitue l’étape principale de l’ensemble du processus de torréfaction. Elle s’effectue à 200°C et une température stable est obtenue pendant le processus.
Refroidissement
Après la formation du produit, on laisse la température refroidir avant qu’il n’entre en contact avec l’air et la température ambiante est obtenue. Le feu flash est allumé sur le lit garni de biomasse à haute pression et la biomasse est convertie en produits en phase solide et en phase gazeuse. L’ensemble du processus est réalisé à une température de 300 à 600 °C et un temps de réaction inférieur à 30 min. Environ 40 % de la biomasse est convertie en produits solides et le processus diminue avec l’augmentation de la pression. Le processus de carbonisation flash est très limité à la littérature et n’est pas couramment utilisé.
Facteurs affectant les propriétés du biochar
Les conditions de réaction au cours du processus de pyrolyse sont principalement responsables de la production de biochar. Les facteurs tels que les matières premières, la température, la taille des particules, la vitesse de chauffage, etc. influent principalement les propriétés du biochar.
Ces facteurs ont un effet direct sur le rendement du biochar plutôt que sur sa qualité. La connaissance détaillée de l’analyse des propriétés du biochar est importante pour déterminer l’application du biochar. Diverses biomasses provenant de différentes sources telles que des matières végétales, des résidus agricoles, de la biomasse provenant du bois, des déchets solides, etc. ont été utilisées pour produire du biochar.
La pyrolyse est une méthode couramment utilisée pour la production de biochar, qui est généralement réalisée entre 400 et 1 000 °C. Les déchets solides et les déchets animaux produisent plus de biochar par rapport aux autres matériaux de biomasse tels que la biomasse ligneuse, les résidus agricoles, etc.
Matières premières
La biomasse est considérée comme un matériau solide complexe, composé de matières biologiques, organiques ou inorganiques dérivées d’organismes vivants ou vivants. La biomasse est caractérisée en deux types (i) la biomasse ligneuse et (ii) la biomasse non ligneuse. La biomasse ligneuse comprend essentiellement les résidus d’arbres et les résidus forestiers. Les attributs de la biomasse ligneuse sont une faible humidité, peu de débris, moins de vides, une densité et un pouvoir calorifique élevés. La biomasse non ligneuse comprend les déchets animaux, les déchets solides industriels et agricoles. Les attributs de la biomasse non ligneuse sont une teneur élevée en débris, une humidité élevée, des vides élevés, une faible densité et un pouvoir calorifique. Parmi les différents attributs de la matière première biomasse, la teneur en humidité a un impact important sur la formation de la biomasse.
L’humidité de la biomasse peut exister sous différentes formes telles que l’eau liquide, la vapeur d’eau et être adsorbée dans les pores de la biomasse. Une teneur en humidité plus élevée dans la biomasse inhibe principalement la formation de charbon et augmente la quantité d’énergie nécessaire pour atteindre la température de pyrolyse. Une faible teneur en humidité dans la biomasse est préférable pour la formation de biocharbon en raison de la diminution impressionnante de l’énergie thermique et de la réduction du temps nécessaire au processus de pyrolyse, ce qui rend la formation de biocharbon économiquement réalisable par rapport à une biomasse à forte teneur en humidité.
Température de carbonisation
La pyrolyse est la méthode la plus connue pour échanger des biomasses en biocharbon par le biais d’un processus de désintégration thermochimique dans un environnement privé d’oxygène et à température élevée. En fonction des conditions, les cycles de pyrolyse peuvent être regroupés en trois classifications fondamentales : (i) pyrolyse lente (températures <300 °C), (ii) pyrolyse modérée (températures de 300 à 500 °C) et (iii) pyrolyse rapide (températures plus importante que 500 oC). La température de pyrolyse influence les propriétés physicochimiques et la structure du biocharbon, par exemple les composants élémentaires, la structure des pores, la surface et les groupes fonctionnels. L’impact de la température de pyrolyse sur ces propriétés peut être attribué à l’afflux de substances volatiles à haute température.
Temps de séjour L’allongement du temps de séjour à basse température de pyrolyse (300 o C) a entraîné une lente diminution du rendement en biocharbon et une expansion réformatrice du pH et du nombre d’adsorption d’iode des biocharbons. Néanmoins, l’augmentation du temps de séjour à une température de pyrolyse élevée (600 °C) a eu peu d’impact sur le rendement ou le pH du biocharbon, tout en diminuant le nombre d’adsorption de l’iode des biocharbons.
Prétraitement de la biomasse
Le prétraitement de la biomasse avant la pyrolyse influe les caractéristiques du biochar.
Les méthodes de prétraitement courantes disponibles consistent à immerger les matières premières dans une solution et à réduire la taille des particules de biomasse.
La réduction de la taille des particules de biomasse entraîne un rendement élevé en biochar. Par exemple, la biomasse du bois de pin a été prétraitée en l’immergeant dans une solution acide diluée. Les méthodes de prétraitement telles que le dopage à l’azote et aux métaux peuvent influencer la production de biocharbon et le prétraitement de solution tel que le trempage ou la cuisson à la vapeur peut influer sur la composition élémentaire et les propriétés du biocharbon tandis que la méthode de cuisson peut augmenter la teneur en carbone et réduire la teneur en oxygène et en humidité du biocharbon. biochar. La biomasse potentielle pour la génération de biochar, utilisée indépendamment ou sous forme de mélanges. En fonction de l’innovation utilisée, la mise en œuvre pratique est le plus souvent possible limitée par l’humidité ou la substance minérale de la biomasse. Par exemple, la présence de chlore et de métaux de base solubles peut entraîner une consommation. En raison des différentes technologies de production et de la biomasse, les propriétés du biocharbon produit peuvent être très variées. Alors que des composants, par exemple l’hydrogène (H), O, l’azote (N) et le soufre (S) sont volatilisés lors de la pyrolyse, les minéraux, par exemple le phosphore (P), K, le calcium (Ca), le magnésium (Mg), et le silicium (Si) restent et leurs concentrations augmentent dans le biochar résultant. La présence de composés ou de composants nocifs dans le biochar peut être le résultat d’une biomasse polluée lors de la pyrolyse/gazéification.
Caractérisation du biochar
La caractérisation du biochar est effectuée pour déterminer la capacité à éliminer les polluants ou d’autres applications. L’analyse structurelle et élémentaire permet également de prédire l’impact du biochar sur l’environnement. De plus, les métaux interagissent avec le biochar qui est fonction du pH comme
1) la fonction du biochar diffère selon le pH
2) la spéciation des ions contaminants métalliques varie en fonction du pH. Ces caractéristiques du biocharbon ont montré sa capacité à agir comme un adsorbant très efficace pour éliminer la plupart des polluants du sol. Les techniques de caractérisation du biochar sont basées sur la structure, les groupes fonctionnels de surface et l’analyse élémentaire. Actuellement, de nombreuses techniques de caractérisation modernes ont été rapportées pour caractériser le biochar, telles que la microscopie électronique à balayage (MEB), la spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (FTIR), la diffraction des rayons X (XRD), l’analyse thermogravimétrique (TGA), la spectroscopie de résonance magnétique nucléaire (RMN). , Brunauer-Emmett-Teller (BET), analyse immédiate et ultime, spectroscopie Raman, etc.
Groupes fonctionnels
Les groupes fonctionnels essentiels présents à la surface du biochar qui augmentent ses propriétés de sorption comprennent les groupes carboxyliques (-COOH), hydroxyle (-OH), amine, amide et lactoniques. Les principaux facteurs qui influencent les groupes fonctionnels de surface du biochar sont la biomasse et la température [82]. De plus, lorsque d’autres propriétés telles que le pH, la surface spécifique et la porosité augmentent, il existe un risque de réduction des groupes fonctionnels du biochar. Les groupes fonctionnels de surface sont caractérisés par spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (FTIR). Le biochar produit à différentes températures a montré une différence significative dans leurs groupes fonctionnels de surface. Outre le FTIR, la RMN (résonance magnétique nucléaire) peut également être utilisée pour déterminer les groupes fonctionnels de surface présents dans le biochar.
Superficie et porosité
Habituellement, le biocharbon ayant une surface accrue et une porosité élevée possèdera une propriété de sorption élevée. La surface poreuse du biochar se forme pendant le processus de pyrolyse lorsqu’il y a une augmentation de la perte d’eau pendant le processus de déshydratation. Selon l’Union internationale de chimie pure et appliquée, les pores présents dans le biochar peuvent être micro (<2 nm), méso (2-50 nm) et macro (> 50 nm).
Le biochar dont les pores sont plus petits ne peut pas adsorber les molécules de pesticides malgré leur polarité ou leurs charges.
La taille des pores du biochar peut être caractérisée par SEM (microscopie électronique à balayage). La surface est la clé pour déterminer la capacité de sorption du biochar tandis que la température joue un rôle majeur dans la formation du biochar. La surface peut varier entre les matières premières traitées et non traitées. Commercialement, le charbon actif possède une plus grande surface.
Le biochar produit sans processus d’activation possède une faible surface spécifique et est moins poreux. Ainsi, lors de la production de biochar, un processus d’activation est impliqué pour augmenter la porosité et la surface du biochar. Le processus d’activation physique et chimique peut être impliqué dans le processus d’activation.
Stabilité du biochar
La stabilité ou la résistance du biochar à la dégradation biotique et abiotique des sols a été utilisée pour déterminer la capacité de séquestration du carbone du biochar. De nombreuses études ont été étudiées pour évaluer la stabilité du biochar. La température utilisée dans le processus de pyrolyse est considérée comme une indication de la stabilité du biochar. Cette prédiction est inexacte et simple. L’examen immédiat est utilisé depuis longtemps pour étudier la nature du charbon, de l’humidité, du charbon de bois, des cendres et du carbone fixe. L’examen immédiat nécessite des températures élevées (900 o C pour garantir la présence de matières volatiles et 750 o C pour la détermination des cendres) pendant une période prolongée ; cela présente des inconvénients et peut conduire à une estimation exagérée du carbone en sous-estimant la teneur en cendres.
Les méthodes d’évaluation de la stabilité du biochar peuvent être divisées en trois classes :
(a) la qualification ou la quantification directe ou indirecte des structures C du biochar comme l’aromaticité ;
(b) quantification ou qualification du C stable par des méthodes thermiques, chimiques ou thermochimiques telles que l’oxydation chimique, la dégradation thermique, etc. et
(c) incubation du biochar dans le sol et modélisation de la minéralisation du C.
La dernière méthode L’incubation et la modélisation est une technique biochimique permettant de mesurer la stabilité du biocharbon et constitue la base des deux premières méthodes. Les résultats obtenus à partir des deux premières méthodes ressemblent à des résultats de stabilité indirects qui sont en corrélation avec les résultats obtenus à partir de la méthode d’incubation et de modélisation. Une propriété bien définie du biochar est la présence d’une structure C comprenant une phase cristalline et une phase amorphe. L’évaluation de la stabilité du biochar peut être effectuée en évaluant le C présent dans le biochar ou les structures de C stables. Par conséquent, la structure C est l’élément déterminant pour évaluer la stabilité du biochar. Les principaux indicateurs des structures du biochar C sont la condensation aromatique et l’aromaticité. Le biochar possédant un degré élevé de condensation aromatique et d’aromaticité résiste à la dégradation thermochimique et biologique et présente ainsi une grande stabilité. La composition élémentaire du biochar représente les liaisons CC ou l’aromaticité.
Les propriétés du biochar telles que la structure des pores, le pH, les minéraux, le mécanisme de sorption, la surface et la taille des particules contribuent également à la stabilité du biochar. L’évaluation de la stabilité du biochar par incubation et modélisation est considérée comme une classe majeure en raison des résultats directs et précis obtenus. Cette méthode donne des valeurs de longévité qui restent dans les conditions d’incubation. Ces valeurs sont basées sur la modélisation des données. La stabilité idéale du biochar peut être acquise par incubation du biochar dans le sol jusqu’à dégradation complète et calcul du temps de dégradation. Il faut des centaines d’années pour une dégradation complète du biochar, le calcul de la valeur de longévité est donc impossible.
Cependant, ce processus d’incubation et de modélisation est coûteux et prend du temps. L’utilisation d’isotopes radioactifs du 14C est une autre nouvelle approche pour analyser la stabilité du biochar. Des substrats complexes C marqués au 14C ont été utilisés pour déterminer l’impact du biocharbon et de la paille sur le renouvellement microbien du SOC. L’évaluation de la stabilité thermochimique à l’oxydation permet une dégradation biotique et abiotique. Cependant, le biochar peut être utilisé comme outil pour diverses applications. Les techniques actuelles disponibles pour déterminer la stabilité du biochar ne fournissent pas de résultats précis. Par conséquent, le développement de nouvelles méthodes d’évaluation de la stabilité du biochar améliorera l’application du biochar pour l’atténuation du changement climatique.
Biochar et environnement
Bien que le biochar soit utilisé à diverses fins, son influence sur l’environnement doit être correctement analysée pour éviter ses impacts négatifs. Le principal facteur sur lequel il faut se concentrer lors d’une application préalable est la stabilité.
Le biochar constitue la structure carbonée. Par conséquent, la stabilité du biochar est liée à la stabilité de la structure du carbone. L’aromaticité et la condensation aromatique sont les principales mesures des structures carbonées du biochar.
La matière organique dissoute libérée par le biochar conserve un haut degré d’aromaticité, de résistance et de stabilité. Lorsque le biochar est utilisé pour traiter les eaux usées, la teneur en carbone de l’eau augmente en raison de la libération de carbone par le biochar. Le biochar produit à partir de boues contenant des métaux lourds peut s’infiltrer pendant le processus de traitement, provoquant ainsi une contamination par les métaux lourds.
De même, lorsque le biochar agit comme catalyseur, la stabilité diminue progressivement en réutilisant le biochar plusieurs fois. L’instabilité du biochar peut également être due à des dommages structurels. La stabilité du biochar joue donc un rôle important dans les préoccupations environnementales. De plus, la toxicité du biochar pour les microbes du sol doit également être étudiée avant son application. Étant donné que les propriétés physicochimiques du biochar varient selon la biomasse, il est important d’étudier en détail le(s) effet(s) toxique(s) du biochar sur l’environnement. Un test de toxicité différent peut être réalisé avec des bactéries, des algues, des poissons, etc.
Le biochar, en tant qu’innovation clé, a été largement ajouté aux sols des terres agricoles pour modérer le changement environnemental mondial.
Créé par la discussion thermochimique des accumulations naturelles dans des conditions restreintes en oxygène .
L’expansion du biochar a été archivée pour modifier la porosité du sol, la teneur en humidité, le pH, la taille des pools labiles de C et de N, ce qui affecterait notamment les émanations de CO2 du sol.
Les altérations du biochar dans les sols agricoles peuvent constituer un instrument potentiel d’atténuation des changements environnementaux, avec des émanations de CO2 plus faibles et une génération de problèmes secs plus élevée.
Applications du biochar
Le fait qu’il soit écologique, peu coûteux et facile à préparer à partir de diverses biomasses à l’aide de techniques thermochimiques pour répondre à de vastes applications environnementales fait du biochar un domaine d’intérêt intense parmi les chercheurs. Le biochar joue un rôle important dans l’élimination des contaminants et des polluants du sol et de l’environnement aqueux, qui peuvent être déterminés à l’aide du type de biomasse et de la température de pyrolyse. Le biocharbon riche en carbone produit par pyrolyse à haute température a une plus grande efficacité d’élimination des polluants organiques en raison de ses propriétés enrichies telles que la porosité, la surface, le pH, la moindre teneur en carbone dissous et la nature hydrophobe. De même, le biochar produit à basse température possède des groupes fonctionnels contenant de l’oxygène, haute teneur en carbone organique dissous et moins poreux, ces types de biochar sont donc plus adaptés à l’élimination des polluants inorganiques. D’autres facteurs comme le pH et le temps de séjour contribuent également à la capacité d’élimination du biochar.
Le biochar peut également être utilisé pour d’autres applications telles que les catalyseurs, le traitement des eaux usées, le compostage, le stockage d’énergie, la séquestration du carbone et l’amendement des sols.
Assainissement des polluants
Polluants organiques
Les applications récentes du biochar se concentrent sur l’utilisation du biochar pour éliminer les polluants organiques du sol et de l’eau. Le biochar, lorsqu’il est appliqué sur le sol, adsorbe les polluants organiques présents dans le sol. Peu de contaminants organiques comprennent des produits chimiques agricoles tels que les insecticides, les herbicides, les pesticides, les fongicides comme l’atrazine, la simazine, le carbofuran, etc., des produits chimiques industriels tels que les HAP (hydrocarbures aromatiques polycycliques) dont le phénanthrène, le catéchol, le pyrène, le naphtalène, l’anthracène, etc., les antibiotiques. et des médicaments comme l’acétaminophène, la tétracycline, l’ibuprofène, la sulfaméthazine, la tylosine, etc., des colorants cationiques tels que le bleu de méthylène, la rhodamine, le violet de méthylène, etc., et des composés organiques volatils tels que le butanol, le benzène, le furane, le trichloréthylène, etc. L’adsorption des polluants organiques dans le sol a été augmentée en augmentant la concentration de biochar. La teneur en pesticides tels que le carbofuran a été minimisée en raison de l’adsorption ou de la dégradation du biochar lorsque sa concentration augmente dans le sol. La dégradation du carbofurane dense à la surface du biochar lors de la pyrolyse entraîne une expansion de la porosité et l’adsorption de certains pesticides. Le pesticide peut être adsorbé à la surface du biochar, en raison de la qualité des groupes fonctionnels carboxyliques et phénoliques. L’absorption de pesticides par les plantes cultivées dans le sol a également diminué. Par conséquent, la quantité de biochar doit être optimisée en fonction d’un domaine d’application spécifique afin de faciliter une meilleure adsorption des polluants. Le mécanisme d’élimination est directement lié à l’interaction entre le biocharbon et les polluants. Le mécanisme se produit par physisorption (attraction/répulsion électrostatique, diffusion des pores, (liaison H et hydrophobe) et de chimisorption (interaction électrophile) en présence de divers groupes fonctionnels tels que OH, COOH, etc. D’autres mécanismes d’élimination comprennent la transformation chimique, la séparation et la biodégradation. Les principaux facteurs qui affectent les interactions biocharbon-polluant organique sont la température, le pH, le type de biomasse et le rapport entre le polluant et le biocharbon appliqué. Il a également été constaté que l’application de biochar diminuait la biodisponibilité des polluants organiques du sol et leur absorption par les plantes et les microbes. Par exemple, il a été constaté que le biocharbon dérivé de bois dur à haute température de pyrolyse diminue la biodisponibilité des pesticides dans le sol en raison de la surface du biocharbon et de sa porosité pour adsorber les polluants organiques par rapport au biocharbon produit à basse température. La diffusion, la séparation et l’attraction électrostatique étaient les principaux mécanismes d’adsorption contribuant à cette élimination. L’efficacité d’élimination a été comparée entre le sol amendé avec du biochar et un sol non entravé.
Il a été constaté que le sol amendé au biochar réduisait la disponibilité de polluants dans le sol pour l’absorption par les plantes, tandis que les plantes cultivées dans un sol non amendé augmentaient l’absorption des pesticides. L’élimination des polluants augmente avec l’augmentation de la concentration de biochar. Les propriétés du biochar influencent la sorption des polluants organiques. Le biochar possédant une petite taille de particules possède une grande surface et présente de meilleurs résultats d’élimination. Le temps d’élimination requis s’est également révélé inférieur. Outre les propriétés du biocharbon, les conditions du sol contribuent également à l’adsorption ou à la dégradation des polluants. Par exemple, la sorption des pesticides se produit uniquement à faible pH. L’adsorption s’est avérée être un mécanisme important pour l’élimination des polluants organiques lorsqu’elle est combinée à la dégradation et à l’immobilisation du contenu organique. Semblables aux pesticides, les colorants cationiques comme le bleu de méthylène,
Polluants inorganiques
Les polluants inorganiques tels que les métaux sont toxiques et non biodégradables lorsqu’ils sont présents à des concentrations plus élevées et constituent donc une menace sérieuse pour la vie humaine et l’environnement. Les métaux lourds comme le cuivre, le zinc, le cadmium, le plomb, le nickel et le mercure sont les plus cancérigènes et toxiques. Ces polluants inorganiques sont rejetés dans l’environnement soit par les effluents industriels, soit par les eaux usées municipales. Contrairement aux polluants organiques, le biocharbon produit à basse température convient à l’absorption des contaminants inorganiques. Le biochar produit à basse température possède de nombreux groupes fonctionnels, une teneur élevée en carbone organique et est poreux. L’échange d’ions est le mécanisme dominant pour éliminer les polluants inorganiques, en particulier les métaux lourds. Les caractéristiques physicochimiques du biochar influencent l’adsorption de la structure poreuse et améliorent la réduction des métaux lourds. Le biochar possède également des propriétés d’immobilisation qui permettront d’évaluer la modification chimique des métaux lourds, notamment les groupes fonctionnels de surface, le pH et la capacité d’échange de cations. Les techniques de caractérisation du biochar telles que les analyses SEM, FTIR, TEM et XRD ont montré que le biochar possède une forte efficacité d’adsorption pour les métaux lourds. Le potentiel zêta et la capacité d’échange cationique du biochar diminuent avec l’augmentation du pH du sol. Le sol amendé au biochar possède plus de puissance pour l’immobilisation des métaux lourds. Par exemple, la concentration de métaux lourds tels que le plomb, le cadmium et le cuivre était potentiellement réduite dans les sols amendés au biochar. La biomasse utilisée pour produire du biochar pour éliminer les polluants inorganiques est constituée de produits agricoles tels que l’épi de maïs, la betterave sucrière, la paille de soja, le panic raide, etc., les déchets animaux et les boues d’épuration. Parmi les métaux lourds, le cuivre possède une forte affinité pour les groupes OH et COOH et son élimination dépend principalement du type de biomasse et du pH. Un autre facteur, le pH, contribue également à l’efficacité de l’élimination, mais le processus dépend du métal. À un pH de 6,0 à 7,0, l’élimination s’est faite par échange d’ions, tandis qu’à un pH plus élevé de 7,0 à 9,0, le mécanisme d’élimination s’est fait par complexation de surface et par attraction électrostatique. Par exemple, l’élimination du Cr s’est avérée maximale à pH 2,0, tandis que l’élimination du Pb était élevée à pH 2,0 et 5,0. À un pH plus élevé, la solubilité du métal diminue, ce qui entrave la mobilité du métal dans le sol. Le dosage du biochar contribue également à l’élimination des métaux lourds. Une efficacité d’élimination plus élevée peut être obtenue avec une dose accrue de biocharbon, ce qui augmente également la surface et le pH. Outre l’utilisation du biochar comme matériau absorbant pour éliminer les polluants organiques du sol, il peut également être utilisé pour éliminer les polluants inorganiques d’un environnement aqueux.
Le biochar possède le pouvoir d’éliminer les polluants dissous présents dans les eaux souterraines. L’uranium peut être efficacement éliminé des eaux souterraines à l’aide de biocharbon.
De nombreux facteurs contribuent à l’efficacité de l’élimination. Le dosage du biochar est le facteur clé. De nombreuses études documentaires soutiennent qu’une dose accrue de biocharbon améliore l’élimination des métaux lourds. La porosité du biochar affecte également la sorption des métaux. Les groupes fonctionnels responsables de l’élimination du Pb et du Cr sont l’hydroxyle et le carboxylate. La compétition pour la liaison des métaux entre différents métaux existe puisque les groupes fonctionnels pour l’adsorption des métaux sont chimiquement les mêmes. L’effet de l’immobilisation du biochar sur les métaux lourds et les contaminants inorganiques dans les sols pollués doit encore être analysé. Il montre l’adsorption des contaminants organiques et inorganiques et leur pourcentage d’élimination en utilisant différentes biomasses.
Catalyseur
Le biochar peut agir comme un catalyseur qui trouve de vastes applications dans divers domaines tels que l’agriculture, l’environnement, l’énergie, etc.
Les propriétés du biocharbon en font un catalyseur puissant et prometteur. La grande surface est importante pour l’activité catalytique du biochar puisque davantage de groupes fonctionnels sont présents à la surface. Par exemple, le groupe fonctionnel O–H est responsable de l’adsorption de la norfloxacine et les groupes C¼O et OH– conviennent à l’adsorption de l’ammonium. En tant que catalyseur, le biochar trouve de nombreuses applications telles que la production de biodiesel, la production d’énergie, l’élimination du goudron, la gestion des déchets, la production de gaz de synthèse et d’électrodes dans les piles à combustible microbiennes, la production de produits chimiques et l’élimination des contaminants environnementaux.
Production d’énergie
Au cours du processus de gazéification de la biomasse, la formation de goudron est désagréable car la condensation du goudron entraîne une contamination et un colmatage des opérations en aval ainsi qu’une réduction de l’efficacité énergétique. La transformation catalytique du goudron possède la capacité de convertir le goudron en hydrogène et en monoxyde de carbone. Ces H 2 et CO sont considérés comme des composants importants du gaz de synthèse. L’omble produit à partir de différentes biomasses telles que l’omble de paille de maïs et l’omble de paille de riz influence l’élimination du goudron. Ainsi, l’efficacité de l’élimination du goudron est affectée par les types de char. L’efficacité de l’élimination des goudrons diminue avec l’augmentation de la taille des particules de charbon. Cela est dû au fait que la surface et le site actif affectent l’efficacité de l’élimination. Au cours du processus de gazéification/pyrolyse, la production d’hydrogène est renforcée par le biochar.
Production de biocarburants
Le biocarburant est un substitut parfait aux produits pétroliers car il est biodégradable, non toxique, renouvelable et présente des propriétés comparables à celles des combustibles fossiles. Les biocarburants peuvent être créés à partir de la transestérification d’huiles végétales ou de l’estérification de graisses insaturées libres (FFA) avec des alcools. Les catalyseurs de biochar sont utilisés pour produire des biocarburants par des réactions de transestérification et d’estérification. Les catalyseurs à base de biocharbon peuvent être classés en deux types : (i) Catalyseurs acides solides et (ii) Catalyseurs alcalins solides
Les catalyseurs de biocharbon fonctionnalisé par un acide sont généralement disposés en sulfonant le biocharbon avec du SO 3 vaporeux ou du H 2 SO 4 liquide.. Les huiles de mauvaise qualité ou usagées contiennent pour la plupart beaucoup de FFA, ce qui va probablement réduire la vitesse de réaction et le rendement du biodiesel. De cette manière, l’amélioration des catalyseurs aptes à catalyser simultanément l’estérification et la transestérification est séduisante. Les catalyseurs solides ont été obtenus à partir de la biomasse selon deux procédés principaux, à savoir la sulfonation et la carbonisation. La production de biocarburants est une technologie émergente et est considérée comme une stratégie alternative aux pétrocarburants. Le biodiesel est considéré comme une source alternative au diesel pétrolier en raison de ses avantages tels que le caractère renouvelable et la facilité de stockage. Le biodiesel est composé d’esters alkyliques d’acides gras produits par transestérification ou estérification de graisses animales, d’huiles végétales et d’huiles de microalgues.
Un autre type de catalyseurs à base de biocharbon pour la production de biocarburants sont les catalyseurs alcalins supportés par le biocharbon ou les catalyseurs alcalins solides déterminés par la biomasse. Le biocharbon CaO/, le biocharbon fonctionnalisé K2CO ou KOH ont également été utilisés comme catalyseurs pour la production de biocarburant. Ces catalyseurs faciles ont montré un rendement élevé en biocarburant et une réutilisabilité décente, ce qui en fait une option attrayante contrairement aux cadres de catalyseurs de transestérification existants.
L’oxyde de calcium est un catalyseur couramment utilisé en raison de sa grande disponibilité et de son faible coût. Mais ses inconvénients comme la perte d’activité et la moindre surface le rendent inadapté. Par conséquent, le catalyseur à base de biocharbon est utilisé de préférence pour la production de biocarburants en raison de son efficacité élevée, de sa porosité et de son coût moindre. Des études ont été rapportées sur l’utilisation d’un catalyseur magnétique à base de biocharbon pour la production de biodiesel en raison de sa recyclabilité et de sa facilité de récupération. Lors de la réutilisation de ces catalyseurs, le biocharbon a montré une vitesse de réaction élevée, ce qui signifie sa capacité à agir comme catalyseur acide pour la production de biodiesel.
La gestion des déchets
De nombreux composés chimiques produits artificiellement possèdent une forte résistance à la dégradation biologique et sont biorécalcitrants. Ces produits chimiques synthétiques sont cancérigènes pour les humains, les microbes, les plantes et d’autres espèces présentes dans l’environnement. La dégradation des composés biorécalcitrants peut être réalisée à l’aide d’une technique prometteuse appelée procédé d’ozonation catalytique (COP). Le biochar dérivé de la biomasse contenant une structure poreuse et des groupes fonctionnels tels que phénoliques et hydroxyles a été utilisé comme catalyseur à faible coût pour dégrader un composé organique résistant, à savoir le colorant réactif rouge 198, dans le processus d’ozonation catalytique.
Contrôle des polluants atmosphériques
L’utilisation du biocharbon comme catalyseurs de réduction catalytique sélective à basse température a été rapportée dans la littérature. Des études ont été rapportées sur la biomasse comme les boues d’épuration et la paille de riz pour produire du biocharbon et être utilisées comme catalyseurs à basse température où l’ammoniac est utilisé comme agent réducteur. Les charbons ont été modifiés physiquement ou chimiquement et leur efficacité d’élimination a été déterminée. L’activation chimique a montré une efficacité d’élimination supérieure à l’activation physique. Cela indique que les propriétés chimiques telles que les groupes fonctionnels et les sites d’adsorption sont les principaux facteurs permettant une élimination plus élevée. Le sulfate et les radicaux libres ont été délivrés sous la catalyse du biochar. La surface du biocharbon explicite l’oxygène, y compris les complexes d’activité catalytique avec différentes réponses. Grâce au biocharbon, le complexe a amélioré l’activité catalytique du catalyseur.
Stockage d’énergie et supercondensateurs
Le stockage d’énergie dans les produits électriques est important pour l’utilisation par les consommateurs d’appareils électriques et électroniques. Les supercondensateurs sont des dispositifs de stockage d’énergie qui attirent l’attention en raison de leur capacité de charge et de décharge rapide, de leur densité de puissance élevée et de leur stabilité à long cycle, tandis que les batteries rechargeables possèdent une densité d’énergie élevée et un taux de charge/décharge inférieur. Les batteries lithium-ion sont également utilisées comme dispositifs de stockage d’énergie. Les matériaux des électrodes prédisent les performances du dispositif de stockage d’énergie. Ces matériaux d’électrode sont constitués d’une surface spécifique élevée et d’une structure poreuse qui fournissent les sites actifs requis pour le processus d’oxydation. Les matériaux d’électrode couramment utilisés sont les nanotubes de carbone, le charbon actif, le graphène, etc.
Le coût de ces matériaux carbonés est élevé et leur utilisation est donc limitée. En raison de cet inconvénient, l’application du biochar comme électrode gagne en intérêt.
Semblable au matériau carboné, le biochar possède également une surface plus élevée, plus poreuse et moins coûteuse. Le biochar peut agir comme électrode pour les piles à combustible microbiennes et les supercondensateurs.
Amendement du sol
Un système défectueux de gestion des champs agricoles a entraîné l’émission de quantités accrues de CO 2 et a accru la dégradation des composés organiques du sol. De nombreuses recherches ont été menées pour augmenter la teneur en carbone organique du sol en incorporant de la biomasse dans les cultures et les déchets animaux. L’application de biochar dans le sol a non seulement aidé à isoler le carbone du sol, mais a également amélioré la qualité du sol en neutralisant le pH du sol, en augmentant la capacité d’échange cationique du sol et en renforçant la croissance microbienne dans le sol. Les groupes fonctionnels tels que les groupes carboxyliques, hydroxyles et phénoliques présents dans le biochar interagissent avec les ions hydrogène du sol et réduisent la concentration d’ions hydrogène, augmentant ainsi le pH du sol. Les carbonates, bicarbonates et silicates du biochar réagissent avec H +ions et neutralise le pH du sol.
Par conséquent, l’application du biochar dans l’assainissement des sols dans les champs agricoles suscite un intérêt accru en raison de ses propriétés de surface et de sa composition élémentaire. Le biochar peut être appliqué dans le domaine agricole comme suit :
a) améliorer la fertilité et la structure du sol ;
b) augmenter la capacité d’échange cationique du sol et minimiser la toxicité de l’aluminium ;
c) Soutenir la séquestration du carbone et réduire l’effet des gaz à effet de serre ;
d) améliorer la productivité en maintenant la rétention d’eau ;
e) améliorer l’activité microbienne en atténuant le lessivage des nutriments.
En outre, l’utilisation du biocharbon a été considérée comme une méthode prometteuse pour assainir les sols contaminés par des polluants toxiques, notamment des métaux lourds, des pesticides, des hydrocarbures, etc.
La biomasse utilisée pour produire du biochar est constituée de cations basiques. Ces cations sont transférés dans le sol lorsque le biochar est appliqué au sol. Cette activité améliore la capacité d’échange de cations du sol en augmentant la surface du sol pour adsorber davantage de cations. De plus, l’augmentation du pH augmente également la CEC du sol.
La présence d’une forte concentration de Ca, K, N et P dans le biochar ajoute des nutriments au sol ou peut être utilisée comme source de nutriments pour la communauté microbienne du sol.
La fraction poreuse du sol augmente lorsque le biochar est utilisé comme amendement du sol.
La croissance microbienne se produit dans la fraction poreuse, augmentant le temps de séjour de l’humidité, de l’air et des nutriments, améliorant ainsi la croissance, la survie et l’activité des microbes, ce qui contribue également à la croissance des plantes. Le biochar produit à haute température est difficile à dégrader et donc présent dans le sol plus longtemps que le biochar produit à basse température. Des études ont également été rapportées sur les effets négatifs du biocharbon dans le sol. Par exemple, l’hydrochar appliqué dans le sol a limité la croissance des plantes, ce qui a montré qu’avant l’application, l’optimisation du biochar est importante pour éviter ses effets négatifs sur les plantes. L’application de biochar comme amendement du sol réduit les émissions de gaz à effet de serre. La combustion directe de la biomasse libère du carbone sous forme de CO 2dans l’environnement. Ce carbone peut être converti en biochar grâce à un processus de gazéification ou de pyrolyse qui peut être restitué dans le sol.
La séquestration du carbone
Le changement climatique suscite une préoccupation croissante quant à la minimisation des émissions de CO 2 dans l’atmosphère. Le sol joue un rôle crucial dans le cycle du carbone qui influence directement le changement climatique. La séquestration du carbone est une méthode prometteuse pour réduire les émissions de CO 2 dans les sols.
Le biochar est à peine résistant à la dégradation par les microbes en raison de la présence d’une structure aromatique. Le biochar montre donc un résultat positif sur la séquestration du carbone dans le sol. De nombreuses publications ont été rapportées sur la séquestration du carbone par le biochar. Cependant, aucun résultat idéal n’a été observé puisque des effets à la fois positifs et négatifs ont été obtenus. Des émissions de carbone accrues et diminuées ont été observées. La minéralisation de la matière organique présente dans le sol s’est avérée plus élevée dans les sols peu fertiles que dans les sols à forte fertilité et également dans les sols contenant une teneur élevée en carbone, la minéralisation du carbone était plus élevée que dans les sols à faible teneur en carbone. sol.
La teneur en carbone du biochar peut être classée en deux types, à savoir le carbone responsable et le carbone récalcitrant .
Le carbone responsable est facilement utilisé par les microbes lors de l’application du biochar, ce qui entraîne une minéralisation accrue du carbone au stade initial lui-même. Ainsi, l’application du biochar a restauré la minéralisation du carbone.
En revanche,
Le carbone récalcitrant est présent plus longtemps dans le sol.
Par conséquent, la fixation du carbone due à l’application du biochar est supérieure au carbone libéré en raison d’une minéralisation responsable du carbone.
L’influence du biochar sur la séquestration du carbone n’est toujours pas claire.
L’effet diffère selon le type de biomasse et les conditions pyrolytiques. Étant donné que les conditions de pyrolyse ont un effet majeur sur les propriétés physicochimiques du biochar, il est obligatoire de déterminer l’association entre les conditions de réaction et l’influence du biochar sur la séquestration du carbone.
Traitement des eaux usées Le biochar est un matériau solide présentant une surface spécifique élevée et une porosité élevée, des propriétés qui en font une alternative intéressante dans le traitement des eaux usées.
Le biochar est considéré comme un média efficace pour capter les suppléments des eaux usées et qui peut être intégré dans le sol sous forme de modification.
Le biochar est censé favoriser l’expulsion des toxines dans les eaux usées en raison de sa porosité élevée et de ses propriétés d’adsorption élevées qui permettent aux poisons de s’agréger sur ses surfaces, produisant un effluent propre et complétant un biochar riche.
Il existe une tendance croissante à utiliser des matériaux carbonisés et des biodéchets bruts dans le traitement des eaux usées. De nombreux chercheurs ont mené une méta-étude pour réfléchir à l’utilisation écologique et financière du biochar et du charbon actif dans l’évacuation des contaminants toxiques. L’examen a révélé que l’exécution de l’évacuation du biochar était celle du charbon activé. Il est ainsi démontré que, même si l’immense territoire du charbon actif favorise l’adsorption des toxines par remplissage des pores, il existe différents éléments, y compris des groupes fonctionnels de surface, qui clarifient l’exécution de l’élimination du biochar. La création de charbon actif comprend un effet naturel élevé, confirmé par la réduction des émissions de gaz à effet de serre du biochar. De même, la production de charbon actif (97 MJ/kg) nécessite une demande de vitalité étonnamment plus élevée que celle du biochar (6,1 MJ/kg).
Par conséquent, le biochar pourrait être plus efficace que le charbon activé pour éliminer les contaminants toxiques des eaux usées tout en tenant compte des rejets de GES, de la demande d’énergie et donc du coût de production.
Biochar – une approche idéale pour améliorer l’économie circulaire
Cet examen est centré sur l’idée d’une bioéconomie circulaire grâce à l’utilisation du biochar pour apporter une réponse réalisable à son administration convaincante. Les plus grosses particules de matières organiques commencent à se décomposer pour produire des atomes plus petits, qui sont évacués du flux de procédure sous forme de gaz, de fumées condensables (huiles) et brûlent fortement pendant le processus de pyrolyse. L’étendue de chaque résultat final dépend de la température, du temps, de la vitesse de réchauffement et du poids, des types de précurseurs ainsi que du plan et de la disposition du réacteur. Les méthodes thermochimiques utilisées pour produire du biochar, en particulier dans les zones rurales, améliorent le développement de cette région spécifique ainsi que les petites et moyennes entreprises produisant suffisamment d’énergie, augmentant ainsi les revenus des agriculteurs, fournissant ainsi des solutions de gestion des déchets dans le secteur agricole. À travers cela,
Des interactions similaires entre les différentes méthodologies de production de biocharbon et de réutilisation des déchets sont nécessaires pour développer de nouvelles opportunités. En utilisant les déchets d’une industrie agroalimentaire pour éclairer les problèmes de polluants toxiques dans une autre et les sous-produits destinés à l’épandage sur le sol, une bioéconomie circulaire a été mise en place, de nouveaux produits et procédures ont été développés et un potentiel de création de nouvelles entreprises a été créé. En raison de leur teneur élevée en humidité, les éléments importants deviennent des fluides et s’il y a un faible degré d’eau, il existe un risque élevé que la procédure produise une quantité plus élevée de résidus que d’huile. Quoi qu’il en soit, à une température plus élevée, supérieure à 800 °C, lorsque le taux de réchauffement est élevé, une plus grande division de débris et d’objets vaporeux est créée. La bio-huile peut être livrée en appliquant une température moyenne de la route en utilisant des taux de réchauffement modérément élevés. Au début de la procédure, à une température comprise entre 250 et 300 °C, les matériaux instables sont évacués presque plusieurs fois plus rapidement que l’avance qui s’ensuit. Des méthodologies équilibrées entre facilité d’utilisation, maîtrise de l’énergie et rejets limités pourraient être intégrées au réseau local pour la production réalisable de biochar, en tenant compte à la fois des points de vue spécialisés et financiers, en récupérant en outre le biochar et la chaleur produite.
Les avantages environnementaux suivants peuvent être obtenus :
- Moins d’émission de gaz à effet de serre ;
- Bénéfice économique en réduisant le coût par rapport aux déchets
Cette application dans l’économie circulaire réduit les déchets par divers processus et techniques augmentant ainsi leur valeur. Il ouvre la porte à l’avancement d’une économie circulaire (EC) en utilisant une combinaison inventive de méthodologies et d’approches stratégiques bénéfiques pour aborder l’utilisation des déchets issus de l’agriculture, des coproduits et des sous-produits. Le cadre proposé pourrait être une base énergétique rurale gérable, dans des réseaux de culture provinciaux, conforme aux lignes directrices de l’économie circulaire. Le cadre de la digestion anaérobie et de la gazéification, avec des fermes fournissant du rendement et du lisier et une industrie fournissant des déchets alimentaires, peut produire de l’énergie et du fumier, qui pourraient ensuite être utilisés par la communauté voisine, en se concentrant plutôt sur les avantages sociaux que procure le passage d’un système linéaire à un système linéaire. L’économie circulaire impliquerait. L’analyse du cycle de vie (ACV) est une approche d’évaluation écologique largement utilisée et standardisée pour mesurer la performance environnementale des produits. Les résultats ont montré que les performances environnementales de la pyrolyse peuvent varier en fonction de nombreux éléments, notamment
(a) matière première de biomasse,
(b) procédé de pyrolyse,
(c) le rendement des coproduits, et
(d) identification des innovations périphériques.
Les différentes phases du cycle de vie de la création de bio-huile par pyrolyse et de la production de bio-huile ont en outre été réparties en cinq mesures unitaires :
(i) préparation et séchage de la matière première, (ii) réacteur de pyrolyse, (iii) extinction du condenseur, (iv) récupération du charbon et (v) cycle de chauffage.
La base de cette méthodologie était qu’un modèle multi-unités serait généralement utile pour décomposer les approches visant à améliorer la productivité, à moderniser les activités et à répartir de manière raisonnable les charges environnementales pour améliorer les améliorations écologiques.
Lacunes dans les connaissances et perspectives d’avenir
Le biochar est considéré comme une ressource renouvelable permettant de résoudre de nombreux problèmes environnementaux tels que l’assainissement des contaminants du sol, des milieux aqueux et gazeux. L’activation du biochar est un autre domaine spécifique pour étendre l’application du biochar pour éliminer des polluants particuliers.
Des recherches supplémentaires sont nécessaires pour identifier de nouvelles méthodes d’activation ainsi que des mécanismes d’adsorption et de désorption de divers polluants.
L’étude de la population microbienne et de leur interaction avec le biochar présent dans le sol reste encore à étudier en détail.
La croissance et le développement des microbes en présence de biochar ainsi que l’influence des propriétés du biochar sur la communauté microbienne doivent être examinés en détail.
Le biochar, lorsqu’il est modifié avec de la terre, contribue non seulement à l’assainissement et au maintien de la fertilité du sol, mais contribue également à fournir des micro et macro nutriments chaque fois que nécessaire.
Des recherches supplémentaires sont nécessaires sur l’analyse de l’activité microbienne pendant le processus de minéralisation et l’assainissement des sols. L’interaction du biocharbon avec le sol et leurs mécanismes de liaison doivent être étudiés en détail. Le mécanisme d’élimination des contaminants lors du traitement des eaux usées n’est toujours pas clair. Des études actuelles ont observé la possibilité de conversion électrochimique d’un matériau carboné solide en électricité dans une pile à combustible au carbone direct. Le problème consiste à examiner le mécanisme de la cinétique de réaction et de l’oxydation à l’interface anode/électrode. L’interaction du carbone solide et de l’interface électrolyte/électrolyte est très limitée, ce domaine nécessite donc plus d’attention. Bien que le biochar offre de vastes avantages, peu de problèmes subsistent.
Les composés toxiques tels que les dioxitines, les hydrocarbures chlorés et les hydrocarbures aromatiques polycycliques peuvent être présents dans le biochar en fonction de la biomasse utilisée pour la production.
Les performances du biocharbon utilisé comme supercondensateurs nécessitent encore plus d’attention. Pour évaluer les avantages économiques et les impacts environnementaux, une analyse du cycle de vie du biochar doit être réalisée.
Les méthodes de caractérisation du biocharbon ont progressé grâce au développement de nouvelles techniques. L’optimisation des propriétés et de l’activation du biochar est importante pour obtenir une efficacité maximale. L’utilisation de nouvelles techniques est affectée par la viabilité économique et l’accessibilité. Depuis que le biochar est devenu une source alternative, des procédures de caractérisation standard doivent être mises en œuvre pour une meilleure compréhension des propriétés du biochar.
Conclusions
La production de biocharbons révèle une grande variété de biomasse qui a été utilisée comme matière première et pyrolysée par diverses procédures pour lutter contre la pollution de l’eau. Les propriétés du biocharbon résultant sont considérablement influencées par la température de pyrolyse, la matière première et la technologie de pyrolyse. Le biochar peut être utilisé comme source majeure d’élimination des polluants toxiques. L’élimination des polluants par le biochar se produit principalement en raison de la présence de groupes fonctionnels tels que des groupes hydroxyle et carboxyle à la surface du biochar. Bien que l’efficacité du biochar dépend du type de biomasse et des conditions de pyrolyse, le développement futur du biochar se concentre sur l’affinage des propriétés du biochar.
Ainsi, le biochar apparaît comme une option très prometteuse pour éliminer les polluants. Les impacts économiques et la recyclabilité doivent être pris en compte lors du développement de biocharbon récupérable pour de larges applications environnementales. Les relations entre les différentes solutions de gestion des déchets et de production d’énergie diffèrent sur les paramètres et les multiples techniques de production ainsi que sur les contraintes économiques, sociales et écologiques. Sans tenir compte de la manière dont la méthode proposée pourrait être utilisée dans la pratique habituelle, le cadre fermé établit des différenciations entre le modèle direct et le modèle circulaire d’organisation des déchets.
Dans cette idée d’économie circulaire, une récupération d’énergie plus élevée pourrait être réalisée. Ce document de synthèse résumait les informations de pointe qui seraient utiles pour trouver de nouvelles opportunités d’innovation scientifique dans le domaine de la recherche sur le biochar.
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