PRODUCCIÓN DE BIOCHAR
Introducción
Las necesidades energéticas mundiales están aumentando actualmente debido al aumento de la población. Todos los sectores del país requieren energía.
Los combustibles fósiles son la principal fuente de energía. Pero debido al efecto del CO2 sobre el medio ambiente y las cuestiones energéticas globales, la sustitución de los combustibles fósiles se ha vuelto necesaria.
Los residuos orgánicos, como principal constituyente de la biomasa sólida, tienen un alto potencial para la generación de biochar.
Los materiales de desecho de biomasa apropiados para la producción de biochar incluyen residuos de cultivos agrícolas, forestales, desechos sólidos municipales, alimentos y estiércol animal, etc.
El biochar derivado de la biomasa es una fuente muy rica de carbono producido a partir de biomasa mediante combustión térmica en un entorno con oxígeno limitado. Las propiedades únicas del biochar, como gran superficie, alta porosidad, grupos funcionales, alta capacidad de intercambio catiónico y estabilidad, lo hacen adecuado para diversas aplicaciones. La rapidez y facilidad de preparación, la naturaleza ecológica, la reutilización y la rentabilidad son algunas de las ventajas del biocarbón.
El biochar ha llamado la atención de muchos investigadores al establecer su eficiencia en la eliminación de diversos contaminantes. Los parámetros del proceso son los principales responsables de determinar el rendimiento de biomasa. Los parámetros incluyen temperatura, tipos de biomasa, tiempo de residencia, tasa de calentamiento, presión, etc.
La temperatura es el principal parámetro que afecta las características del biochar. Las técnicas termoquímicas comunes utilizadas para la producción de biochar incluyen pirólisis, carbonización hidrotermal, gasificación, carbonización instantánea y torrefacción. De todos estos métodos, la pirólisis es el más utilizado para producir biochar. Los compuestos orgánicos presentes en la biomasa se descomponen a una temperatura específica en un ambiente limitado en oxígeno. Los factores que afectan el producto de la pirólisis incluyen la temperatura del proceso, el tiempo de residencia y el tipo de biomasa y la velocidad de calentamiento.
Aunque el biochar está compuesto íntegramente de contenido de carbono y cenizas, la composición elemental y las características difieren según el tipo de biomasa, las condiciones de reacción y el tipo de reactores utilizados durante el proceso de carbonización.
Por lo tanto, la aplicación y eficiencia del biochar en diversos campos depende del tipo de biomasa utilizada para producir biocarbón. La caracterización del biochar es muy importante para determinar la composición elemental, los grupos funcionales de la superficie, la estabilidad y la estructura del biocarbón. La caracterización del biocarbón se puede realizar utilizando diversas técnicas modernas, como la microscopía electrónica de barrido (SEM), el espectrómetro infrarrojo por transformada de Fourier (FTIR), el análisis termogravimétrico (TGA), la difracción de rayos X (XRD), Brunauer Emmett Teller (BET), la energía nuclear. Resonancia Magnética (RMN), espectroscopia Raman, etc. La literatura reciente se ha centrado en la caracterización del biochar y su principal objetivo es diferenciarlo del resto de materia orgánica del suelo. Se pueden identificar diferentes propiedades del biocarbón utilizando las técnicas de caracterización anteriores, por ejemplo, SEM para la morfología del biochar, FTIR para determinar grupos funcionales, etc. El mecanismo por el cual el biochar absorbe metales pesados tóxicos y otros contaminantes es la adsorción. La eficiencia de adsorción del biocarbón es directamente proporcional a las propiedades fisicoquímicas, como grupos funcionales, área de superficie, capacidad de intercambio catiónico, etc. Las propiedades fisicoquímicas del biochar se pueden mejorar tratándolo con ácidos, álcalis o agentes oxidantes. El área de la superficie se puede alterar mediante un tratamiento ácido. Las propiedades fisicoquímicas del biochar se pueden mejorar tratándolo con agentes ácidos, alcalinos o oxidantes. El área de la superficie se puede alterar mediante un tratamiento ácido. Las propiedades fisicoquímicas del biochar se pueden mejorar tratándolo con agentes ácidos, alcalinos o oxidantes. El área de la superficie se puede alterar mediante un tratamiento ácido.
La literatura detallada sobre las propiedades del biochar y sus técnicas de análisis y cuantificación allanará el camino para el conocimiento sobre la eficiencia del biochar en diversos sectores. Debido a sus enormes ventajas y su naturaleza ecológica, el biochar se ha utilizado para resolver muchos problemas ambientales, como la adsorción de contaminantes, la reducción de las emisiones de gases de efecto invernadero, el compostaje, el tratamiento de aguas residuales, la remediación de suelos, la producción de energía y los catalizadores. La capacidad del biocarbón para adsorber contaminantes orgánicos e inorgánicos depende de su alta relación superficie/volumen y de su afinidad hacia grupos no polares.
El biochar se ha empleado en campos agrícolas también para eliminar contaminantes del suelo. Muchos residuos agrícolas se han utilizado para producir biocarbón, como paja de arroz, paja de trigo, residuos de madera, relaves de remolacha azucarera, mazorcas de maíz, etc. Estas biomasas están compuestas principalmente de componentes de celulosa, hemicelulosa y lignina.
Durante el proceso de pirólisis, estos componentes se descomponen térmicamente a diferentes temperaturas y sus mecanismos se analizan en detalle. Esta revisión se centró en una descripción general de la remediación de contaminantes tóxicos utilizando biocarbón, las ventajas del biocarbón y la influencia de los parámetros del proceso como la temperatura, la presión, la velocidad de calentamiento, etc. La producción de biocarbón utilizando diferentes técnicas como pirólisis, gasificación hidrotermal y torrefacción se realizó. conferido. Se exploraron las técnicas de caracterización como SEM, XRD, FTIR, TGA, BET, etc. Además de eso, se discutió la estabilidad del biocarbón, su utilización en diversas aplicaciones, como la eliminación de contaminantes orgánicos e inorgánicos, el secuestro de carbono y el catalizador.
Métodos de producción de biocarbón.
El interés creciente en la utilización de biocarbón para diversas aplicaciones ha llevado a una mayor conversión de biomasa en biocarbón. La conversión termoquímica es una técnica común para la producción de biocarbón. El método de conversión termoquímica incluye pirólisis, carbonización hidrotermal, gasificación y torrefacción. Para obtener el máximo rendimiento de biocarbón, la técnica elegida para la producción debe ser adecuada según el tipo de biomasa y también las condiciones del proceso, como velocidad de calentamiento, temperatura, tiempo de residencia, etc., deben ser óptimas. Estas condiciones son cruciales ya que pueden afectar los estados físicos y químicos del biocarbón durante el proceso de producción. La morfología del biocarbón derivado de la biomasa vegetal varía según las condiciones del proceso, ya que implica una pérdida de peso de la biomasa. Inicialmente, la pérdida de peso debido a la pérdida de agua alrededor de los 100 oC continuó por la degradación de la celulosa, la hemicelulosa y la lignina que se produjo por encima de los 220 oC. Finalmente, se produce una pérdida de peso debido a la quema de residuos carbonosos.
Pirólisis
El proceso de descomposición térmica de materiales orgánicos en un ambiente libre de oxígeno en un rango de temperatura de 250-900 o C se llama pirólisis. Este proceso es una estrategia alternativa para convertir la biomasa residual en productos de valor agregado como biocarbón, gas de síntesis y bioaceite.
Durante el proceso, los componentes lignocelulósicos como la celulosa, la hemicelulosa y la lignina se someten a procesos de reacción como despolimerización, fragmentación y reticulación a temperaturas específicas, lo que da como resultado un estado diferente de productos como sólido, líquido y gas. Los productos sólidos y líquidos comprenden carbón vegetal y bioaceite, mientras que los productos gaseosos son dióxido de carbono, monóxido de carbono e hidrógeno y también gas de síntesis ( hidrocarburos C 1 -C 2 ).
Para la producción de biocarbón se utilizan varios tipos de reactores, como hornos de paletas, lecho fluidizado burbujeante, reactores de vagón y hornos giratorios de arena agitada.
El rendimiento de biocarbón durante el proceso de pirólisis depende del tipo y naturaleza de la biomasa utilizada. La temperatura es la principal condición del proceso operativo que decide la eficiencia del producto. Generalmente, el rendimiento de biocarbón disminuye y la producción de gas de síntesis aumenta cuando se aumenta la temperatura durante el proceso de pirólisis.
La pirólisis se puede clasificar como un proceso de pirólisis rápido y lento dependiendo de la velocidad de calentamiento, la temperatura, el tiempo de residencia y la presión.
Pirólisis rápida:
La pirólisis rápida se considera un procedimiento termoquímico directo que puede licuar biomasa sólida en bioaceite líquido con un alto potencial de aplicación de energía. Las condiciones de pirólisis rápida se describen por:
(i) ritmos rápidos de calentamiento de las partículas de biomasa (>100 o C/min),
(ii) unido con tiempos cortos de las partículas de biomasa y los humos de pirólisis (0,5 a 2 s) a altas temperaturas y
(iii) temperaturas moderadas de tratamiento de pirólisis (400-600 o C).
Un componente distintivo clave de la innovación en la pirólisis rápida es la necesidad de mantener el tiempo de residencia del humo en la zona caliente hasta la base, para lograr una excelente calidad del bioaceite. Esto se puede lograr garantizando una rápida extinción o enfriamiento de los humos.
Pirólisis lenta: En la pirólisis lenta, la velocidad de calentamiento es muy inferior, alrededor de 5-7 o C/min y posee un tiempo de residencia más largo, de más de 1 h.y
La innovación de pirólisis lenta tiene un mejor rendimiento de carbón en comparación con diferentes estrategias de pirólisis y carbonización. El biocarbón podría utilizarse como potenciador de la suciedad para mejorar la calidad del suelo.
La mayor parte de la biomasa está compuesta de celulosa, hemicelulosa y lignina. Estos componentes se convierten en biocarbón mediante diferentes condiciones y mecanismos de reacción.
Descomposición de la celulosa
El mecanismo de descomposición de la celulosa se identifica reduciendo el grado de polimerización mediante dos reacciones:
1) Por pirólisis lenta, que comprende la descomposición de la celulosa con un tiempo de residencia más largo y una menor velocidad de calentamiento.
2) Por pirólisis rápida, que se produce a una alta velocidad de calentamiento mediante una rápida volatilización que da como resultado el desarrollo de levoglucosano. Además del biocarbón como producto sólido, el levoglucosano también se somete a un proceso de deshidratación para producir hidroximetilfurfural que puede descomponerse para producir productos líquidos y gaseosos como bioaceite y gas de síntesis, respectivamente. Además, el hidroximetilfurfural también puede pasar por varias reacciones como aromatización, condensación y polimerización para producir biocarbón sólido nuevamente.
Descomposición de la hemicelulosa El mecanismo de descomposición de la hemicelulosa es similar al de la celulosa. La hemicelulosa se despolimeriza para formar oligosacáridos. Esto puede proceder a través de una serie de reacciones que incluyen descarboxilación, reordenamiento intramolecular, despolimerización y aromatización para producir biocarbón o el compuesto se descompone en gas de síntesis y bioaceite.
Descomposición de la lignina A diferencia del mecanismo de descomposición de la celulosa y la hemicelulosa, el mecanismo de descomposición de la lignina es complejo.
El enlace de lignina β-O-4 se rompe dando como resultado la producción de radicales libres. Estos radicales libres capturan los protones de otras especies dando como resultado la formación de compuestos descompuestos. Los radicales libres se mueven hacia otras moléculas realizando la propagación en cadena.
Carbonización hidrotermal
La carbonización hidrotermal se considera un método rentable para la producción de biocarbón, ya que el proceso se puede realizar a baja temperatura, entre 180 y 250 °C.
El producto que utiliza el proceso hidrotermal se denomina hidrocarbón para diferenciar el producto producido de procesos secos como la pirólisis y la gasificación. Durante el proceso, la biomasa se mezcla con agua y se coloca en un reactor cerrado.
La temperatura se aumenta lentamente para mantener la estabilidad. A diferentes temperaturas, los productos se producen de la siguiente manera: biocarbón a una temperatura inferior a 250 o C denominado carbonización hidrotermal, bioaceite entre 250-400 o C conocido como licuefacción hidrotermal y productos gaseosos gas de síntesis como CO, CO2, H 2 y CH4Se produce a una temperatura superior a 400 o C y se denomina gasificación hidrotermal. El producto hidrolizado pasa por una serie de reacciones como deshidratación, fragmentación e isomerización para formar el producto intermedio 5-hidroximetilfurfural y sus derivados. Además, la reacción avanza mediante condensación, polimerización y deshidratación intramolecular para producir el hidrocarburo. El alto peso molecular y la naturaleza compleja de la lignina complican el mecanismo. La descomposición de la lignina comienza mediante una reacción de desalquilación e hidrólisis que produce productos fenólicos como fenoles, catecoles, siringoles, etc. Finalmente, el carbón se produce mediante la repolimerización y la reticulación de intermedios. Los componentes de lignina que no se disuelven en la fase líquida se transforman en hidrocarbón similar a la reacción de pirólisis.
Gasi ficación _
La gasificación es un método termoquímico de descomposición del material carbonoso en productos gaseosos, es decir, el gas de síntesis que comprende CO, CO 2 , CH 4 , H 2 y trazas de hidrocarburos en presencia de agentes de gasificación como oxígeno, aire, vapor, etc. y a altas temperaturas. . Cabe señalar que la temperatura de reacción es el factor más importante para determinar la producción de gas de síntesis. Se descubrió que a medida que aumentaba la temperatura, aumentaba la producción de monóxido de carbono, mientras que otros contenidos como metano, dióxido de carbono e hidrocarburos disminuían. El principal producto de este proceso es el gas de síntesis y el carbón se conoce como el subproducto con menor rendimiento.
El mecanismo de gasificación se puede subdividir en muchos pasos de la siguiente manera:
El secado
Durante este proceso, el contenido de humedad de la biomasa se evapora completamente sin recuperación de energía. El contenido de humedad varía según el material de biomasa. El secado se emplea como un proceso separado durante el proceso de gasificación cuando la biomasa tiene un alto contenido de humedad.
Oxidación/Combustión
Las reacciones de oxidación y combustión de los agentes de gasificación son las principales fuentes de energía para el proceso de gasificación. Estos agentes de gasificación reaccionan con las especies combustibles presentes en el gasificador para producir CO 2 , CO y agua.
Torrefacción y carbonización instantánea .
La torrefacción es una técnica emergente para la producción de biocarbón. Emplea una baja velocidad de calentamiento, lo que se conoce como pirólisis suave.
El oxígeno, la humedad y el dióxido de carbono presentes en la biomasa se eliminan utilizando aire atmosférico inerte en ausencia de oxígeno a una temperatura de 300 o C mediante diversos procesos de descomposición.
El proceso de torrefacción modifica las propiedades de la biomasa como el tamaño de partícula, el contenido de humedad, el área de superficie, la velocidad de calentamiento, la densidad de energía, etc. El proceso de torrefacción se puede realizar
(a) Torrefacción con vapor: en este proceso la biomasa se trata utilizando vapor a una temperatura no superior a 260 oC y un tiempo de residencia de unos 10 min.
(b) Torrefacción húmeda: También llamada carbonización hidrotermal, se produce con el contacto de la biomasa con agua a una temperatura de 180-260 o C y un tiempo de residencia de 5-240 min.
(c) Torrefacción oxidativa: este proceso se lleva a cabo tratando la biomasa con agentes oxidantes como gases que se utilizan para el proceso de combustión para generar energía térmica. Esta energía térmica se utiliza para producir la temperatura requerida.
El mecanismo del proceso de torrefacción es un proceso de pirólisis incompleta y el proceso se desarrolla en las siguientes condiciones de reacción: temperatura – 200-300 o C, tiempo de residencia – menos de 30 min, velocidad de calentamiento – menos de 50 o C/min y en ausencia de oxígeno. .
El proceso de torrefacción seca se puede clasificar en varias fases, como calentamiento, secado, torrefacción y enfriamiento. Nuevamente, el secado se puede clasificar como proceso de presecado y possecado.
Calefacción
Durante este proceso, la biomasa se calienta hasta que se mantiene la temperatura de secado deseada y se evapora el contenido de humedad de la biomasa.
Precalentamiento
Este proceso ocurre a una temperatura de 100 o C hasta que el contenido de humedad presente en la biomasa se evapora por completo.
post-secado
La temperatura se aumenta hasta 200 oC y el contenido de agua se evapora por completo. El contenido de masa se pierde debido al aumento de temperatura.
Torrefacción
Este proceso es la etapa principal de todo el proceso de torrefacción. Se realiza a 200 o C y se obtiene una temperatura estable durante el proceso.
Enfriamiento
Después de la formación del producto, se deja enfriar antes de que entre en contacto con el aire y se obtenga la temperatura ambiente. El fuego repentino se enciende sobre el lecho empaquetado de biomasa a alta presión y la biomasa se convierte en productos en fase sólida y en fase gaseosa. Todo el proceso se lleva a cabo a una temperatura de 300-600 o C y un tiempo de reacción inferior a 30 min. Alrededor del 40 % de la biomasa se convierte en productos sólidos y el proceso disminuye al aumentar la presión. El proceso de carbonización instantánea está muy limitado a la literatura y no se usa comúnmente.
Factores que afectan las propiedades del biocarbón.
Las condiciones de reacción durante el proceso de pirólisis son las principales responsables de la producción de biocarbón. Los factores como las materias primas, la temperatura, el tamaño de las partículas, la velocidad de calentamiento, etc. influyen principalmente en las propiedades del biocarbón.
Estos factores tienen un efecto directo sobre el rendimiento del biocarbón más que sobre su calidad. El conocimiento detallado del análisis de las propiedades del biocarbón es importante para determinar la aplicación del biocarbón. Para producir biocarbón se han utilizado diversas biomasas de diferentes fuentes, como materiales vegetales, residuos agrícolas, biomasa de madera, desechos sólidos, etc.
La pirólisis es un método comúnmente utilizado para la producción de biocarbón, que generalmente se lleva a cabo entre 400 y 1000 o C. Los desechos sólidos y los desechos animales producen más biocarbón en comparación con otros materiales de biomasa como la biomasa de madera, los residuos agrícolas, etc.
Materias primas
La biomasa se considera como un material sólido complejo, compuesto de material biológico, orgánico o inorgánico que se deriva de organismos vivos o vivos. La biomasa se caracteriza en dos tipos (i) biomasa leñosa y (ii) biomasa no leñosa. La biomasa leñosa incluye esencialmente residuos arbóreos y residuos forestales. Los atributos de la biomasa leñosa son baja humedad, pocos residuos, menos huecos, alta densidad y valor calorífico. La biomasa no leñosa comprende desechos animales, desechos sólidos industriales y agrícolas. Los atributos de la biomasa no leñosa son alta cantidad de desechos, alta humedad, alto vacío, baja densidad y valor calorífico. Entre los diferentes atributos de la materia prima de biomasa, el contenido de humedad tiene un gran impacto en la formación de biomasa.
La humedad en la biomasa puede existir en diferentes formas, como agua líquida, vapor de agua y adsorbida dentro de los poros de la biomasa. Un mayor contenido de humedad en la biomasa inhibe en gran medida la formación de carbón y aumenta la cantidad de energía necesaria para alcanzar la temperatura de pirólisis. Es preferible un bajo contenido de humedad en la biomasa para la formación de biocarbón debido a la impresionante disminución de la energía térmica y la reducción del tiempo necesario para el proceso de pirólisis, lo que hace que la formación de biocarbón sea económicamente factible en comparación con la biomasa con un alto contenido de humedad.
Temperatura de carbonización
La pirólisis es el método más famoso para intercambiar biomasas en biocarbón a través de un proceso de descomposición termoquímica en un ambiente sin oxígeno a temperatura elevada. Dependiendo de las condiciones, los ciclos de pirólisis se pueden agrupar en tres clasificaciones fundamentales: (i) pirólisis lenta (temperaturas <300 o C), (ii) pirólisis moderada (temperaturas de 300 a 500 o C) y (iii) pirólisis rápida (temperaturas más prominente que 500 oC). La temperatura de pirólisis influye en las propiedades fisicoquímicas y la estructura del biocarbón, por ejemplo, componentes elementales, estructura de poros, área de superficie y grupos funcionales. El impacto de la temperatura de pirólisis en tales propiedades se puede atribuir a la entrada de volátiles a altas temperaturas.
Tiempo de residencia La ampliación del tiempo de residencia a baja temperatura de pirólisis (300 o C) provocó una lenta disminución en el rendimiento de biocarbón y una expansión reformista en el pH y el número de adsorción de yodo de biocarbón. No obstante, ampliar el tiempo de residencia a alta temperatura de pirólisis (600 o C) tuvo poco impacto en el rendimiento del biocarbón o el pH, mientras que disminuyó el número de biocarbón que adsorbe yodo.
Pretratamiento de biomasa
El tratamiento previo de la biomasa antes de la pirólisis influye en las características del biocarbón.
Los métodos de pretratamiento comunes disponibles son la inmersión de las materias primas en solución y la reducción del tamaño de las partículas de biomasa.
La reducción del tamaño de las partículas de biomasa da como resultado un alto rendimiento de biocarbón. Por ejemplo, la biomasa de madera de pino se pretrató sumergiendo la biomasa en una solución ácida diluida. Los métodos de pretratamiento, como el dopaje con nitrógeno y metal, pueden influir en la producción de biocarbón y el pretratamiento en solución, como remojo o vaporización, puede influir en la composición elemental y las propiedades del biocarbón, mientras que el método de horneado puede aumentar el contenido de carbono y reducir el contenido de oxígeno y humedad del biocarbón. biocarbón. La biomasa potencial para la generación de biocarbón, utilizada de forma independiente o en mezclas. Dependiendo de la tecnología utilizada, la ejecución práctica suele estar limitada en la medida de lo posible por la humedad o la sustancia mineral de la biomasa. Por ejemplo, la presencia de cloro y metales básicos solubles puede provocar consumo. Debido a las diversas tecnologías de producción y a la biomasa, las propiedades del biocarbón producido pueden variar ampliamente. Mientras que durante la pirólisis se volatilizan componentes como el hidrógeno (H), O, el nitrógeno (N) y el azufre (S), minerales como el fósforo (P), K, el calcio (Ca), el magnesio (Mg), y el silicio (Si) permanecen y sus concentraciones aumentan en el biocarbón resultante. La aparición de compuestos o componentes nocivos en el biocarbón puede ser el resultado de la biomasa contaminada durante la pirólisis/gasificación.
Caracterización del biocarbón.
La caracterización del biocarbón se realiza para determinar la capacidad de eliminar contaminantes u otras aplicaciones. El análisis estructural y elemental también ayuda a predecir el impacto del biocarbón en el medio ambiente. Además, los metales interactúan con el biocarbón, que es función del pH como
1) la función del biocarbón difiere con el pH
2) la especiación de iones contaminantes metálicos varía con el pH. Estas características del biocarbón mostraron la capacidad de actuar como un adsorbente altamente eficiente para eliminar la mayoría de los contaminantes del suelo. Las técnicas de caracterización del biocarbón se basan en la estructura, grupos funcionales superficiales y análisis elemental. Actualmente, se han informado numerosas técnicas modernas de caracterización para caracterizar el biocarbón, como la microscopía electrónica de barrido (SEM), la espectroscopia infrarroja por transformada de Fourier (FTIR), la difracción de rayos X (XRD), el análisis termogravimétrico (TGA), la espectroscopia de resonancia magnética nuclear (NMR). , Brunauer-Emmett-Teller (BET), análisis próximo y último, espectroscopía Raman, etc.
Grupos funcionales
Los grupos funcionales esenciales presentes en la superficie del biocarbón que aumentan sus propiedades de sorción incluyen grupos carboxílicos (-COOH), hidroxilo (-OH), amina, amida y lactónicos. Los principales factores que influyen en los grupos funcionales superficiales del biocarbón son la biomasa y la temperatura [82]. Además, cuando aumentan otras propiedades como el pH, el área de superficie y la porosidad, existe la posibilidad de reducir los grupos funcionales del biocarbón. Los grupos funcionales de la superficie se caracterizan mediante espectroscopia infrarroja por transformada de Fourier (FTIR). El biocarbón producido a diferentes temperaturas mostró una diferencia significativa en sus grupos funcionales superficiales. Además de FTIR, la RMN (resonancia magnética nuclear) también se puede utilizar para determinar los grupos funcionales de superficie presentes en el biocarbón.
Área de superficie y porosidad.
Por lo general, el biocarbón con mayor área superficial y alta porosidad poseerá una alta propiedad de sorción. La superficie porosa del biocarbón se forma durante el proceso de pirólisis cuando hay un aumento en la pérdida de agua durante el proceso de deshidratación. Según la Unión Internacional de Química Pura y Aplicada, los poros presentes en el biocarbón pueden ser micro (<2 nm), meso (2-50 nm) y macro (>50 nm).
El biocarbón con menor tamaño de poro no puede adsorber las moléculas de pesticidas a pesar de su polaridad o cargas.
El tamaño de los poros del biocarbón se puede caracterizar mediante SEM (microscopía electrónica de barrido). El área de la superficie es la clave para determinar la capacidad de sorción del biocarbón, mientras que la temperatura juega un papel importante en la formación del biocarbón. La superficie puede variar entre materias primas tratadas y no tratadas. Comercialmente, el carbón activado posee más superficie.
El biocarbón producido sin proceso de activación posee una superficie baja y es menos poroso. Por lo tanto, durante la producción de biocarbón, interviene un proceso de activación para aumentar la porosidad y la superficie del biocarbón. El proceso de activación física y química puede estar involucrado en el proceso de activación.
Estabilidad del biocarbón
La estabilidad o resistencia del biocarbón a la degradación del suelo tanto biótica como abiótica se ha utilizado para determinar la capacidad del biocarbón para secuestrar carbono. Se han investigado numerosos estudios para evaluar la estabilidad del biocarbón. La temperatura utilizada en el proceso de pirólisis se considera una indicación de la estabilidad del biocarbón. Esta predicción es inexacta y simple. El examen próximo se ha utilizado durante mucho tiempo para estudiar la naturaleza del carbón, la humedad, el carbón vegetal, las cenizas y el carbón fijo. El examen interno requiere altas temperaturas (900 o C para la seguridad de materia volátil y 750 o C para la determinación de cenizas) durante un período prolongado; Esto tiene desventajas y puede provocar una estimación exagerada del carbono al subestimar el contenido de cenizas.
Los métodos de evaluación de la estabilidad del biocarbón se pueden dividir en tres clases:
(a) calificación o cuantificación directa o indirecta de estructuras C de aromaticidad similar al biocarbón;
(b) cuantificación o cualificación del C estable mediante métodos térmicos o químicos o termoquímicos como oxidación química, degradación térmica, etc. y
(c) incubación de biocarbón en el suelo y modelado de la mineralización de C.
El último método La incubación y el modelado es una técnica bioquímica para medir la estabilidad del biocarbón y es la base de los dos primeros métodos. Los resultados obtenidos con los dos primeros métodos se asemejan a resultados de estabilidad indirectos que están en correlación con los resultados obtenidos con el método de incubación y modelado. Una propiedad bien definida del biocarbón es la presencia de una estructura C que comprende una fase cristalina y una fase amorfa. La evaluación de la estabilidad del biocarbón se puede realizar evaluando el C presente en el biocarbón o en estructuras de C estables. Por tanto, la estructura del C es el elemento determinante a la hora de evaluar la estabilidad del biocarbón. Los principales indicadores de las estructuras del biocarbón C son la condensación aromática y la aromaticidad. El biocarbón que posee un alto grado de condensación aromática y aromaticidad resiste la degradación termoquímica y biológica, por lo que tiene una alta estabilidad. La composición elemental del biocarbón representa enlaces C-C o aromaticidad.
Las propiedades del biocarbón, como la estructura de los poros, el pH, los minerales, el mecanismo de sorción, el área de superficie y el tamaño de las partículas, también contribuyen a la estabilidad del biocarbón. La evaluación de la estabilidad del biocarbón mediante incubación y modelado se considera una clase importante debido a los resultados directos y precisos obtenidos. Este método proporciona valores de longevidad que permanecen en condiciones de incubación. Estos valores se basan en el modelado de datos. La estabilidad ideal del biocarbón se puede adquirir mediante la incubación del biocarbón en el suelo hasta su completa degradación y calculando el tiempo de degradación. Se necesitan cientos de años para que el biocarbón se degrade por completo, por lo que es imposible calcular el valor de longevidad.
Sin embargo, este proceso de incubación y modelado es costoso y requiere mucho tiempo. La utilización de isótopos radiactivos de 14C es otro enfoque nuevo para analizar la estabilidad del biocarbón. Se utilizaron sustratos de complejo C marcados con 14C para determinar el impacto del biocarbón y la paja en el recambio microbiano de SOC. La evaluación de la estabilidad a la oxidación termoquímica permite la degradación biótica y abiótica. Sin embargo, el biocarbón se puede utilizar como herramienta para diversas aplicaciones; las técnicas actuales disponibles para determinar la estabilidad del biocarbón no proporcionan resultados precisos. Por lo tanto, el desarrollo de nuevos métodos para evaluar la estabilidad del biocarbón mejorará la aplicación del biocarbón para la mitigación del cambio climático.
Biocarbón y medio ambiente
Aunque el biocarbón se utiliza para diversos fines, su influencia en el medio ambiente debe analizarse adecuadamente para evitar sus impactos negativos. El principal factor en el que se debe centrar la aplicación previa es la estabilidad.
El biocarbón constituye la estructura del carbono. Por tanto, la estabilidad del biocarbón se relaciona con la estabilidad de la estructura del carbono. La aromaticidad y la condensación aromática son las principales medidas de las estructuras de carbono del biocarbón.
La materia orgánica disuelta liberada del biocarbón mantiene un alto grado de aromaticidad, resistencia y estabilidad. Cuando se utiliza biocarbón para tratar aguas residuales, el contenido de carbono del agua aumenta debido a la liberación de carbono por parte del biocarbón. El biocarbón producido a partir de lodos que contienen metales pesados puede filtrarse durante el proceso de tratamiento, provocando así contaminación por metales pesados.
De manera similar, cuando el biocarbón actúa como catalizador, la estabilidad disminuye gradualmente al reutilizarlo varias veces. La inestabilidad del biocarbón también puede deberse a daños estructurales. Por tanto, la estabilidad del biocarbón juega un papel importante en la preocupación medioambiental. Además, también se debe investigar la toxicidad del biocarbón para los microbios del suelo antes de su aplicación. Dado que las propiedades fisicoquímicas del biocarbón varían según la biomasa, es importante estudiar en detalle los efectos tóxicos del biocarbón en el medio ambiente. Se puede realizar una prueba de toxicidad diferente utilizando bacterias, algas, peces, etc.
El biocarbón, como innovación clave, se ha agregado ampliamente a los suelos de las tierras agrícolas para moderar el cambio ambiental mundial.
Creado a partir de la discusión termoquímica de las acumulaciones naturales en condiciones de restricción de oxígeno .
Se ha demostrado que la expansión del biocarbón cambia la porosidad del suelo, el contenido de humedad, el pH y el tamaño de los depósitos lábiles de C y N, lo que afectaría notablemente a las emanaciones de CO2 del suelo.
Las alteraciones del biocarbón en suelos agrícolas pueden servir como una herramienta potencial para aliviar el cambio ambiental, con menores emanaciones de CO2 y una mayor generación de materia seca.
Aplicaciones del biocarbón
La preparación ecológica, económica y sencilla de diversas biomasas utilizando técnicas termoquímicas para abordar amplias aplicaciones ambientales hace que el biocarbón sea un área de gran interés entre los investigadores. El biocarbón juega un papel importante en la eliminación de contaminantes y contaminantes del suelo y del ambiente acuoso, que se puede determinar mediante el tipo de biomasa y la temperatura de pirólisis. El biocarbón rico en carbono producido mediante alta temperatura de pirólisis tiene una mayor eficiencia de eliminación de contaminantes orgánicos debido a sus propiedades enriquecidas como porosidad, área superficial, pH, menor contenido de carbono disuelto y naturaleza hidrofóbica. De manera similar, el biocarbón producido a temperatura más baja posee grupos funcionales que contienen oxígeno, Alto contenido de carbono orgánico disuelto y menos poroso, por lo que estos tipos de biocarbón son más adecuados para eliminar contaminantes inorgánicos. Otros factores como el pH y el tiempo de residencia también contribuyen a la capacidad de eliminación del biocarbón.
El biocarbón también se puede utilizar para otras aplicaciones, como catalizadores, tratamiento de aguas residuales, compostaje, almacenamiento de energía, secuestro de carbono y enmienda del suelo.
Remediación de contaminantes
Contaminantes orgánicos
Las aplicaciones recientes de biocarbón se centran en la utilización de biocarbón para eliminar contaminantes orgánicos del suelo y el agua. El biocarbón cuando se aplica al suelo, adsorbe los contaminantes orgánicos presentes en el suelo. Algunos contaminantes orgánicos incluyen productos químicos agrícolas como insecticidas, herbicidas, pesticidas, fungicidas como atrazina, simazina, carbofurano, etc., productos químicos industriales como HAP (hidrocarburos aromáticos policíclicos), incluidos fenantreno, catecol, pireno, naftaleno, antraceno, etc., antibióticos. y fármacos como paracetamol, tetraciclina, ibuprofeno, sulfametazina, tilosina, etc., colorantes catiónicos como azul de metileno, rodamina, violeta de metileno, etc., y compuestos orgánicos volátiles como butanol, benceno, furano, tricloroetileno, etc. La degradación y La adsorción de contaminantes orgánicos en el suelo aumentó al aumentar la concentración de biocarbón. El contenido de pesticidas como carbofurano se minimizó debido a la adsorción o degradación del biocarbón cuando se aumenta su concentración en el suelo. La degradación del carbofurano que se ha vuelto denso en la superficie del biocarbón durante la pirólisis provoca una expansión de la porosidad y la adsorción de ciertos pesticidas. El pesticida puede adsorberse en la superficie del biocarbón debido a la calidad de los grupos funcionales carboxílicos y fenólicos. También disminuyó la absorción de pesticidas por parte de las plantas que crecen en el suelo. Por lo tanto, la cantidad de biocarbón debe optimizarse en relación con un área de aplicación específica para facilitar una mejor adsorción de contaminantes. El mecanismo de eliminación está directamente relacionado con la interacción entre el biocarbón y los contaminantes. El mecanismo se produce mediante fisisorción (atracción/repulsión electrostática, difusión de poros, Enlaces de hidrógeno e hidrófobos) y procesos de quimisorción (interacción electrofílica) en presencia de diversos grupos funcionales como OH, COOH, etc. Otros mecanismos de eliminación incluyen transformación química, partición y biodegradación. Los principales factores que afectan las interacciones biocarbón-contaminantes orgánicos son la temperatura, el pH, el tipo de biomasa y la proporción de contaminante y biocarbón aplicado. También se descubrió que la aplicación de biocarbón disminuye la biodisponibilidad de los contaminantes orgánicos del suelo y su absorción por plantas y microbios. Por ejemplo, se descubrió que el biocarbón derivado de la madera dura a alta temperatura de pirólisis disminuye la biodisponibilidad de los pesticidas en el suelo debido a la superficie del biocarbón y la porosidad para adsorber contaminantes orgánicos en comparación con el biocarbón producido a baja temperatura. Difusión, La partición y la atracción electrostática fueron los principales mecanismos de adsorción que contribuyeron a esta eliminación. La eficiencia de eliminación se comparó entre el suelo modificado con biocarbón y el suelo sin obstáculos.
Se descubrió que el suelo modificado con biocarbón reducía la disponibilidad de contaminantes en el suelo para la absorción de las plantas, mientras que las plantas cultivadas en suelo no modificado aumentaban la absorción de pesticidas. La eliminación de contaminantes aumentó con el aumento de la concentración de biocarbón. Las propiedades del biocarbón influyen en la sorción de contaminantes orgánicos. El biocarbón que posee un tamaño de partícula pequeño posee una gran superficie y muestra mejores resultados de eliminación y también se descubrió que el tiempo de eliminación requerido es menor. Además de las propiedades del biocarbón, las condiciones del suelo también contribuyen a la adsorción o degradación de contaminantes. Por ejemplo, la sorción de pesticidas ocurre únicamente a pH bajo. Se descubrió que la adsorción es un mecanismo importante para eliminar contaminantes orgánicos cuando se combina con la degradación e inmovilización del contenido orgánico. Al igual que los pesticidas, los colorantes catiónicos como el azul de metileno,
Contaminantes inorgánicos
Los contaminantes inorgánicos como los metales son tóxicos y no biodegradables cuando están presentes en concentraciones más altas, por lo que suponen una grave amenaza para la vida humana y el medio ambiente. Los más cancerígenos y tóxicos son los metales pesados como el cobre, el zinc, el cadmio, el plomo, el níquel y el mercurio. Estos contaminantes inorgánicos son liberados al medio ambiente ya sea a través de efluentes industriales o aguas residuales municipales. A diferencia de los contaminantes orgánicos, el biocarbón producido a baja temperatura es adecuado para absorber contaminantes inorgánicos. El biocarbón producido a baja temperatura posee muchos grupos funcionales, un alto contenido de carbono orgánico y es poroso. El intercambio iónico es el mecanismo dominante para eliminar contaminantes inorgánicos, específicamente metales pesados. Las características fisicoquímicas del biocarbón influyen en la adsorción de la estructura porosa y mejoran la reducción de metales pesados. El biocarbón también posee propiedades de inmovilización que evaluarán la modificación química de los metales pesados, incluidos los grupos funcionales de la superficie, el pH y la capacidad de intercambio catiónico. Las técnicas de caracterización del biocarbón, como los análisis SEM, FTIR, TEM y XRD, demostraron que el biocarbón posee una fuerte eficiencia de adsorción de metales pesados. El potencial zeta y la capacidad de intercambio catiónico del biocarbón disminuyeron con un aumento en el pH del suelo. El suelo modificado con biocarbón posee más potencia para la inmovilización de metales pesados. Por ejemplo, la concentración de metales pesados como plomo, cadmio y cobre se redujo potencialmente en suelos modificados con biocarbón. La biomasa utilizada para producir biocarbón para eliminar contaminantes inorgánicos son productos agrícolas como mazorcas de maíz, remolacha azucarera, paja de soja, pasto varilla, etc., desechos animales y lodos de depuradora. Entre los metales pesados, el cobre posee una fuerte afinidad hacia los grupos OH y COOH y su eliminación depende principalmente del tipo de biomasa y del pH. Otro factor, el pH, también contribuye a la eficiencia de eliminación, pero el proceso depende del metal. A un pH de 6,0 a 7,0, la eliminación se realizó mediante intercambio iónico, mientras que a un pH más alto de 7,0 a 9,0, el mecanismo de eliminación se realizó mediante complejación superficial y atracción electrostática. Por ejemplo, se encontró que la eliminación de Cr era máxima a pH 2,0, mientras que la eliminación de Pb era alta a pH 2,0 y 5,0. A un pH más alto, la solubilidad del metal se reduce, lo que dificulta la movilidad del metal en el suelo. La dosificación de biocarbón también contribuye a la eliminación de metales pesados. Se puede obtener una mayor eficiencia de eliminación con una mayor dosis de biocarbón, lo que también aumenta la superficie y el pH. Además de utilizar biocarbón como material absorbente para eliminar contaminantes orgánicos del suelo, también se puede utilizar para eliminar contaminantes inorgánicos de un entorno acuoso.
El biocarbón posee potencia para eliminar contaminantes disueltos presentes en las aguas subterráneas. El uranio se puede eliminar eficazmente del agua subterránea utilizando biocarbón.
Muchos factores contribuyen a la eficiencia de la eliminación. La dosis de biocarbón es el factor clave. Muchos estudios bibliográficos respaldan que una mayor dosis de biocarbón mejoró la eliminación de metales pesados. La porosidad del biocarbón también afecta la sorción del metal. Los grupos funcionales responsables de la eliminación de Pb y Cr son hidroxilo y carboxilato. La competencia por la unión de metales entre varios metales existe ya que los grupos funcionales para la adsorción de metales son químicamente los mismos. Aún es necesario analizar el efecto de la inmovilización de biocarbón sobre metales pesados y contaminantes inorgánicos en suelos contaminados, lo que demuestra la adsorción de contaminantes orgánicos e inorgánicos y su porcentaje de eliminación utilizando diferentes biomasas.
Catalizador
El biocarbón puede actuar como catalizador que encuentra amplias aplicaciones en diversos campos como la agricultura, el medio ambiente, la energía, etc.
Las propiedades del biocarbón lo hacen potente como catalizador prometedor. La gran superficie es importante para la actividad catalítica del biocarbón, ya que hay más grupos funcionales presentes en la superficie. Por ejemplo, el grupo funcional O–H es responsable de la adsorción de norfloxacina y los grupos C¼O y OH- son adecuados para la adsorción de amonio. Como catalizador, el biocarbón encuentra amplias aplicaciones, como la producción de biodiesel, la producción de energía, la eliminación de alquitrán, la gestión de residuos, la producción de gas de síntesis y electrodos en pilas de combustible microbianas, la producción de productos químicos y la eliminación de contaminantes ambientales.
Producción de energía
Durante el proceso de gasificación de biomasa, la formación de alquitrán es desagradable ya que la condensación del alquitrán produce contaminación y obstrucción de las operaciones posteriores y también una reducción de la eficiencia energética. La transformación catalítica del alquitrán posee la capacidad de convertir el alquitrán en hidrógeno y monóxido de carbono. Estos H 2 y CO se consideran componentes importantes del gas de síntesis. El carbón producido a partir de diferentes biomasas, como el carbón de paja de maíz y el carbón de paja de arroz, influye en la eliminación del alquitrán. Por lo tanto, la eficiencia de eliminación del alquitrán se ve afectada por los tipos de carbón. La eficiencia de eliminación de alquitrán disminuye con un aumento en el tamaño de las partículas de carbón. Esto se debe a que el área de superficie y el sitio activo afectan la eficiencia de eliminación. Durante el proceso de gasificación/pirólisis, el biocarbón mejora la producción de hidrógeno.
Producción de biocombustibles
El biocombustible es un sustituto perfecto de los productos derivados del petróleo, ya que es biodegradable, no tóxico, renovable y muestra unas propiedades de combustible comparables a las de los combustibles fósiles. Los biocombustibles pueden crearse a partir de la transesterificación de aceites vegetales o de la esterificación de grasas insaturadas libres (AGL) con alcoholes. Los catalizadores de biocarbón se utilizan para producir biocombustibles mediante reacciones de transesterificación y esterificación. Los catalizadores a base de biocarbón se pueden clasificar en dos tipos: (i) catalizadores ácidos sólidos y (ii) catalizadores alcalinos sólidos.
Los catalizadores de biocarbón funcionalizados con ácido generalmente se organizan sulfonando el biocarbón con SO 3 en forma de vapor o H 2 SO 4 líquido.. Los aceites de mala calidad o usados en su mayor parte contienen muchos ácidos grasos libres, que probablemente reducirán la velocidad de reacción y el rendimiento del biodiesel. De esta manera, resulta atractiva la mejora de catalizadores aptos para catalizar simultáneamente la esterificación y la transesterificación. Los catalizadores sólidos se obtuvieron a partir de biomasa mediante dos procesos principales: sulfonación y carbonización. La producción de biocombustibles es una tecnología emergente y se considera una estrategia alternativa a los petrocombustibles. El biodiesel se considera una fuente alternativa de diésel de petróleo debido a sus beneficios como la renovabilidad y la facilidad de almacenamiento. El biodiesel está compuesto de ésteres alquílicos de ácidos grasos producidos por transesterificación o esterificación de grasa animal, aceite vegetal y aceite de microalgas.
Otro tipo de catalizadores a base de biocarbón para la producción de biocombustibles son los catalizadores alcalinos soportados por biocarbón o los catalizadores alcalinos sólidos determinados por biomasa. También se utilizó CaO/biocarbón, K2CO o biocarbón funcionalizado con KOH como catalizadores para la producción de biocombustibles. Estos catalizadores ligeros mostraron un alto rendimiento de biocombustible y una reutilización decente, lo que los convierte en una opción atractiva en contraste con los marcos de catalizadores de transesterificación existentes.
El óxido de calcio es un catalizador de uso común debido a su gran disponibilidad y bajo costo. Aunque sus desventajas como la pérdida de actividad y la menor superficie lo hacen inadecuado. Por lo tanto, el catalizador a base de biocarbón se utiliza más preferentemente para producir biocombustibles debido a su alta eficiencia, porosidad y menor costo. Se han informado estudios sobre la utilización de un catalizador magnético a base de biocarbón para la producción de biodiesel debido a su reciclabilidad y facilidad de recuperación. Al reutilizar estos catalizadores, el biocarbón mostró una alta velocidad de reacción, lo que significa su potencia para actuar como catalizador ácido para la producción de biodiesel.
Gestión de residuos
Muchos compuestos químicos producidos artificialmente poseen una fuerte resistencia a la degradación biológica y son biorrecalcitrantes. Estos productos químicos sintéticos son cancerígenos para los seres humanos, los microbios, las plantas y otras especies del medio ambiente. La degradación de compuestos biorrecalcitrantes se puede realizar mediante una técnica prometedora denominada proceso de ozonización catalítica (COP). El biocarbón derivado de biomasa que contiene una estructura porosa y grupos funcionales como fenólico e hidroxilo se utilizó como catalizador de bajo costo para degradar un compuesto orgánico resistente, a saber, el tinte rojo reactivo 198 en el proceso de ozonización catalítica.
Control de contaminantes del aire.
La utilización de biocarbón como catalizador de reducción catalítica selectiva a baja temperatura se ha informado en la literatura. Se han informado estudios sobre biomasa como lodos de depuradora y paja de arroz para producir biocarbón y utilizarlos como catalizadores de baja temperatura donde se utiliza amoníaco como agente reductor. El carbón se modificó física o químicamente y se determinó su eficiencia de eliminación. La activación química mostró una mayor eficiencia de eliminación que la activación física. Esto indicó que las propiedades químicas como los grupos funcionales y los sitios de adsorción son factores principales para una mayor eliminación. El sulfato y los radicales libres se liberaron mediante catálisis de biocarbón. La superficie del biocarbón contiene oxígeno explícito, incluidos complejos de actividad catalítica con diferentes respuestas. Gracias al biocarbón, el complejo mejoró la actividad catalítica del catalizador.
Almacenamiento de energía y supercondensadores.
El almacenamiento de energía en productos eléctricos es importante para el uso de los consumidores en dispositivos eléctricos y electrónicos. Los supercondensadores son dispositivos de almacenamiento de energía que llaman la atención debido a su rápida capacidad de carga y descarga, alta densidad de potencia y estabilidad de ciclo largo, mientras que las baterías recargables poseen una alta densidad de energía y una menor tasa de carga/descarga. Las baterías de iones de litio también se utilizan como dispositivos de almacenamiento de energía. Los materiales de los electrodos predicen el rendimiento del dispositivo de almacenamiento de energía. Estos materiales para electrodos constan de una alta superficie y una estructura porosa que proporciona los sitios activos necesarios para el proceso de oxidación. Los materiales de electrodos más utilizados son nanotubos de carbono, carbón activado, grafeno, etc.
El coste de estos materiales de carbono es elevado, por lo que su utilización es limitada. Debido a este inconveniente, la aplicación del biocarbón como electrodo está ganando interés.
Al igual que el material de carbono, el biocarbón también posee una gran superficie, es más poroso y de menor costo. El biocarbón puede actuar como electrodo para pilas de combustible microbianas y supercondensadores.
Enmienda del suelo
Un sistema defectuoso en la gestión de los campos agrícolas dio lugar a la emisión de mayores cantidades de CO 2 y ha aumentado la degradación de los compuestos orgánicos del suelo. Muchas investigaciones han sido precedidas en el aumento del contenido de carbono orgánico en el suelo mediante la incorporación de biomasa en cultivos y desechos animales. La aplicación de biocarbón en el suelo no solo ayudó a aislar el carbono en el suelo, sino que también mejoró la calidad del suelo al neutralizar el pH del suelo, aumentar la capacidad de intercambio catiónico del suelo y fortalecer el crecimiento microbiano en el suelo. Los grupos funcionales como los grupos carboxílicos, hidroxilo y fenólicos presentes en el biocarbón interactúan con los iones de hidrógeno en el suelo y reducen la concentración de iones de hidrógeno, aumentando así el pH del suelo. Los carbonatos, bicarbonatos y silicatos del biocarbón reaccionan con H +iones y neutraliza el pH del suelo.
Por lo tanto, la aplicación de biocarbón en la recuperación de suelos en campos agrícolas ha aumentado el interés debido a sus propiedades superficiales y composición elemental. El biocarbón se puede aplicar en el campo agrícola de la siguiente manera:
a) mejorar la fertilidad y estructura del suelo;
b) aumentar la capacidad de intercambio catiónico del suelo y minimizar la toxicidad del aluminio;
c) Apoyar el secuestro de carbono y reducir el efecto de los gases de efecto invernadero;
d) mejorar la productividad manteniendo la retención de agua;
e) mejorar la actividad microbiana aliviando la lixiviación de nutrientes.
Además, la utilización de biocarbón se ha considerado como un método prometedor para remediar suelos contaminados con contaminantes tóxicos, incluidos metales pesados, pesticidas, hidrocarburos, etc.
La biomasa utilizada para producir biocarbón se compone de cationes básicos. Estos cationes se transfieren al suelo cuando se aplica biocarbón al suelo. Esta actividad mejora la capacidad de intercambio catiónico del suelo al aumentar la superficie del suelo para adsorber más cationes. Además, el aumento del pH también aumenta la CIC del suelo.
La presencia de altas concentraciones de Ca, K, N y P en el biocarbón agrega nutrientes al suelo o puede usarse como fuente de nutrientes para la comunidad microbiana en el suelo.
La fracción de poros del suelo aumenta cuando se utiliza biocarbón como enmienda del suelo.
El crecimiento microbiano se produce en la fracción de poros, lo que aumenta el tiempo de residencia de la humedad, el aire y los nutrientes, mejorando así el crecimiento, la supervivencia y la actividad de los microbios, lo que también contribuye al crecimiento de las plantas. El biocarbón producido a alta temperatura es difícil de degradar y, por lo tanto, está presente en el suelo durante más tiempo en comparación con el biocarbón producido a baja temperatura. También se han informado estudios sobre los efectos negativos del biocarbón en el suelo. Por ejemplo, el hidrocarbón aplicado en el suelo limitó el crecimiento de las plantas, lo que demostró que antes de la aplicación, la optimización del biocarbón es importante para evitar sus efectos negativos en las plantas. La aplicación de biocarbón como enmienda del suelo reduce las emisiones de gases que causan el calentamiento global. La combustión directa de biomasa libera carbono en forma de CO 2al medio ambiente. Este carbono se puede convertir en biocarbón mediante un proceso de gasificación o pirólisis que se puede restaurar en el suelo.
Secuestro de carbón
El cambio climático tiene cada vez más preocupación por minimizar las emisiones de CO 2 a la atmósfera. El suelo juega un papel crucial en el ciclo del carbono que influye directamente en el cambio climático. El secuestro de carbono es un método prometedor para reducir las emisiones de CO 2 en el suelo.
El biocarbón apenas es resistente a la degradación por microbios debido a la presencia de una estructura aromática, por lo que muestra resultados positivos en el secuestro de carbono en el suelo. Se han publicado muchas publicaciones sobre el secuestro de carbono mediante biochar. Sin embargo, no se observaron resultados ideales ya que se obtuvieron efectos tanto positivos como negativos. Se observaron tanto un aumento como una disminución de las emisiones de carbono. Se encontró que la mineralización de la materia orgánica presente en el suelo era mayor en suelos poco fértiles en comparación con suelos con alta fertilidad y también en suelos que contenían un alto contenido de carbono, la mineralización de carbono fue mayor en comparación con suelos con bajo contenido de carbono. suelo.
El contenido de carbono del biocarbón se puede clasificar en dos tipos: carbono responsable y recalcitrante .
Los microbios utilizan fácilmente el carbono responsable durante la aplicación de biocarbón, por lo que da como resultado una mayor mineralización de carbono en la etapa inicial. Así, la aplicación de biocarbón restableció la mineralización del carbono.
A diferencia de,
El carbono recalcitrante permanece presente en el suelo durante más tiempo.
Por lo tanto, la fijación de carbono debido a la aplicación de biocarbón es mayor que el carbono liberado debido a la mineralización de carbono responsable.
La influencia del biocarbón en el secuestro de carbono aún no está clara.
El efecto difiere según el tipo de biomasa y las condiciones pirolíticas. Dado que las condiciones de pirólisis tienen un efecto importante sobre las propiedades fisicoquímicas del biocarbón, es obligatorio determinar la asociación entre las condiciones de reacción y la influencia del biocarbón en el secuestro de carbono.
Tratamiento de aguas residuales El biocarbón es un material sólido con alta región superficial y alta porosidad, propiedades que lo convierten en una alternativa atractiva en el tratamiento de aguas residuales.
Se ha considerado que el biocarbón es un medio eficaz para capturar nutrientes de las aguas residuales y que puede incorporarse al suelo como alternativa.
Se cree que el biocarbón favorece enfáticamente la expulsión de toxinas en las aguas residuales debido a su alta porosidad y altas propiedades de adsorción que permiten que los venenos se agreguen en sus superficies, generando un efluente limpio y un biocarbón rico en suplementos.
Existe un patrón creciente en la utilización de materiales carbonizados y residuos biológicos crudos en el tratamiento de aguas residuales. Muchos investigadores realizaron un metaexamen para pensar en la exposición ecológica y monetaria del biocarbón y el carbón activado en la evacuación de contaminantes tóxicos. El examen reveló que la evacuación del biocarbón a la del carbón activado. De esta manera se sustenta que si bien la gran superficie del carbón activado favorece la adsorción de toxinas mediante el relleno de poros, existen diferentes elementos, incluidos grupos funcionales superficiales, que facilitan la ejecución de eliminación del biocarbón. La creación de carbón activado incluye un alto efecto natural, lo que lo confirma la menor emisión de gases de efecto invernadero del biocarbón. Asimismo, la generación de carbón activado (97 MJ/kg) requiere una demanda de energía sorprendentemente mayor que la del biocarbón (6,1 MJ/kg).
Por lo tanto, el biocarbón podría ser mejor que el carbón activado para eliminar contaminantes tóxicos de las aguas residuales, teniendo en cuenta la descarga de GEI, la demanda de energía y, por lo tanto, el costo de producción.
Biocarbón : un enfoque ideal para mejorar la economía circular
Este examen se centra en la idea de una bioeconomía circular mediante el uso de biocarbón para ofrecer una solución viable para su gestión convincente. Las partículas más grandes de materiales orgánicos comienzan a descomponerse para producir átomos más pequeños, que se descargan de la corriente del procedimiento en forma de gases, humos condensables (aceites) y fuertes quemaduras durante el proceso de pirólisis. El alcance de cada resultado final depende de la temperatura, el tiempo, la velocidad de calentamiento y el peso, los tipos de precursores y el diseño y disposición del reactor. Los métodos termoquímicos empleados para producir biocarbón, especialmente en zonas rurales, mejoran el desarrollo de esa región específica y también de las pequeñas y medianas empresas que producen suficiente energía, aumentando así los ingresos de los agricultores y proporcionando soluciones para la gestión de residuos en el sector agrícola. A través de esto,
Se requieren interacciones similares entre diferentes metodologías de producción de biocarbón y reutilización de residuos para desarrollar nuevas oportunidades. Al utilizar los desechos de una industria de procesamiento agrícola para iluminar problemas de contaminantes tóxicos en otra y el subproducto que se aplica al suelo, se ha establecido una bioeconomía circular para el avance de nuevos productos y procedimientos y el potencial para la formación de nuevos negocios. Debido al alto contenido de humedad, elementos importantes se vuelven fluidos y si hay un bajo nivel de agua, existe un alto riesgo de que el procedimiento produzca una mayor cantidad de residuos en lugar de aceite. De todos modos, a temperaturas más altas, superiores a 800 o C, cuando la tasa de calentamiento es alta, se crea una mayor división de desechos y elementos vaporosos. El bioaceite se puede suministrar aplicando una temperatura media de la carretera utilizando índices de calentamiento moderadamente altos. Durante el inicio del procedimiento, a una temperatura de entre 250 y 300 o C, los materiales inestables se descargan casi varias veces más rápido que el avance posterior. Se podrían incorporar metodologías en un equilibrio entre facilidad de uso, eficiencia energética y descargas limitadas a la red local para la generación factible de biocarbón, teniendo en cuenta puntos de vista tanto especializados como financieros, recuperando adicionalmente el biocarbón y el calor producido.
Se pueden obtener los siguientes beneficios medioambientales:
- Menos emisión de gases de efecto invernadero;
- Beneficio económico al reducir el coste respecto a los residuos.
Esta aplicación en la economía circular reduce los residuos mediante diversos procesos y técnicas aumentando así su valor. Muestra una puerta abierta para el avance de una Economía Circular (EC) utilizando una combinación inventiva de metodologías y enfoques estratégicos beneficiosos para abordar el uso de desechos de la agricultura, coproductos y subproductos. El marco propuesto podría ser una base energética rural inteligente y gestionable, en redes de cultivo provinciales, que se ajuste a las directrices de la economía circular. Tanto la digestión anaeróbica como el marco de gasificación, en el que las granjas proporcionan rendimiento y purines y la industria proporciona residuos de alimentos, pueden producir energía y estiércol, que luego podrían ser utilizados por la comunidad cercana, en lugar de concentrarse en las ventajas sociales que supone un cambio de un sistema lineal a uno lineal. La economía circular implicaría. La evaluación del ciclo de vida (LCA) es un enfoque de evaluación ecológica estandarizado y ampliamente utilizado para medir el desempeño ambiental de los productos. Los resultados destacaron que el desempeño ambiental de la pirólisis puede cambiar según numerosos elementos, incluidos
a) materia prima de biomasa,
(b) proceso de pirólisis,
(c) rendimiento de coproductos, y
(d) identificación de innovaciones periféricas.
Las diversas fases del ciclo de vida de la creación de bioaceite mediante el proceso de pirólisis y la producción de bioaceite se han distribuido adicionalmente en cinco medidas unitarias:
(i) preparación y secado de la materia prima, (ii) reactor de pirólisis, (iii) condensador de extinción, (iv) recuperación de carbón y (v) ciclo de calentamiento.
La base de esta metodología fue que un modelo de unidades múltiples sería generalmente útil para descomponer enfoques para mejorar la productividad, mejorar las actividades y dar una comisión sensata de cargas ambientales para mejorar las mejoras ecológicas.
Brechas de conocimiento y perspectivas futuras
El biocarbón se considera un recurso renovable para abordar muchos problemas ambientales, como la remediación de contaminantes del suelo y medios acuosos y gaseosos. La activación del biocarbón es otra área específica para ampliar la aplicación del biocarbón para eliminar determinados contaminantes.
Se requieren más investigaciones para identificar nuevos métodos de activación y también mecanismos de adsorción y desorción de diversos contaminantes.
El estudio de la población microbiana y su interacción con el biocarbón presente en el suelo aún debe estudiarse en detalle.
Debe examinarse en detalle el crecimiento y desarrollo de microbios en presencia de biocarbón y la influencia de las propiedades del biocarbón en la comunidad microbiana.
El biocarbón, cuando se modifica con tierra, no solo ayuda a remediar y mantener la fertilidad del suelo, sino que también ayuda a proporcionar micro y macro nutrientes cuando sea necesario.
Se necesita más investigación sobre el análisis de la actividad microbiana durante el proceso de mineralización y la remediación del suelo. Es necesario estudiar en detalle la interacción del biocarbón con el suelo y sus mecanismos de unión. El mecanismo de eliminación de contaminantes durante el tratamiento de aguas residuales aún no está claro. Los estudios actuales han observado la posibilidad de conversión electroquímica de un material de carbono sólido en electricidad en una pila de combustible de carbono directo. El problema es examinar el mecanismo de la cinética de reacción y la oxidación en la interfaz ánodo/electrodo. La interacción del carbono sólido y la interfaz electrolito/electrolito es muy limitada, por lo que este campo requiere más atención. Aunque el biocarbón ofrece enormes beneficios, todavía existen pocas preocupaciones.
Los compuestos tóxicos como dioxitinas, hidrocarburos clorados e hidrocarburos aromáticos policíclicos pueden estar presentes en el biocarbón dependiendo de la biomasa utilizada para su producción.
El rendimiento del biocarbón que se utiliza como supercondensadores aún requiere más atención. Para evaluar las ventajas económicas y los impactos ambientales, se debe realizar un análisis del ciclo de vida del biocarbón.
Los métodos de caracterización del biocarbón han progresado debido al desarrollo de nuevas técnicas. Optimizar las propiedades y la activación del biocarbón es importante para obtener la máxima eficiencia. La utilización de nuevas técnicas se ve afectada por la viabilidad económica y la accesibilidad. Dado que el biocarbón ha surgido como una fuente alternativa, se deben implementar procedimientos de caracterización estándar para comprender mejor sus propiedades.
Conclusiones
La producción de biocarbón descubre una amplia variedad de biomasa que se ha utilizado como materia prima y se ha pirolizado mediante diversos procedimientos para hacer frente a la contaminación del agua. Las propiedades del biocarbón resultante están significativamente influenciadas por la temperatura de la pirólisis, la materia prima y la tecnología de pirólisis. El biocarbón se puede utilizar como fuente importante para la eliminación de contaminantes tóxicos. La eliminación de contaminantes mediante biocarbón se produce principalmente debido a la presencia de grupos funcionales como grupos hidroxilo y carboxilo en la superficie del biocarbón. Aunque la eficiencia del biocarbón depende del tipo de biomasa y de las condiciones de pirólisis, el desarrollo del biocarbón en el futuro se centra en el perfeccionamiento de las propiedades del biocarbón.
Por tanto, el biocarbón aparece como una opción muy prometedora para la eliminación de contaminantes. Se deben considerar los impactos económicos y la reciclabilidad al desarrollar biocarbón recuperable para amplias aplicaciones ambientales. La relación entre las diversas soluciones para la gestión de residuos y la producción de energía difiere en los parámetros y múltiples técnicas para su producción, así como en las limitaciones económicas, sociales y ecológicas. Sin tener en cuenta la forma en que el método propuesto podría utilizarse en la práctica habitual, el marco cerrado establece diferenciaciones entre el modelo directo y el modelo circular de organización de residuos.
En esta idea de economía circular, se podría lograr una mayor recuperación de energía. Este artículo de revisión resumió información de vanguardia que sería útil para encontrar nuevas oportunidades en innovación científica en el campo de la investigación del biocarbón.
Coffee cookie and a smile!