1,720,972 research outputs found
The pyrolysis of relevant biomass to produce biochar for agricultural applications
No full textDe komende jaren staat de landbouwsector voor grote uitdagingen als gevolg
van de toenemende wereldbevolking en de marginalisering van bodem -en
watervoorraden. De transitie naar een duurzamere landbouw is noodzakelijk om
deze risico’s te beperken en de voordelen van deze essentiële sector te
optimaliseren. Dit is belangrijk om de voedselzekerheid te garanderen.
Daarnaast is de landbouw ook een cruciale schakel voor het leveren van
biomassa voor de circulaire bio-economie. De transitie naar een duurzamere
landbouw kan op vele niveaus plaatsvinden, zoals slimme bemesting, optimaal
bodem -en watergebruik en innovatieve rotatieschema's. Maar ook een goed
beheer van biomassareststromen is een belangrijk aspect. Er moet gestreefd
worden naar het converteren van deze reststromen in producten met
toegevoegde waarde ter substitutie van producten uit niet-hernieuwbare
bronnen. Thermochemische conversie van deze biomassa naar biochar is een mogelijke oplossing, die als CO2-negatieve verwerkingstechniek, tot een
functioneel product leidt. Desondanks is het selecteren van relevante
biomassastromen en productieparameters essentieel in het produceren van
biochars met toegevoegde waarde voor (landbouw)toepassingen. In deze thesis
hebben we in kader van het BASTA project gefocust op drie
landbouwtoepassingen: anaerobe vergisting, remediatie van marginale bodem
en substitutie van veen in potgrond.
In hoofdstuk 1 werd een uitgebreide samenvatting gegeven van verschillende
biomassa conversietechnieken, thermochemische conversietechnieken,
procesparameters die biocharkarakteristieken beïnvloeden en
modificatiemethodes voor biochar. Dit hoofdstuk vormt de theoretische basis
waarop de rest van dit werk is gebaseerd. Verder beschrijft dit hoofdstuk ook de
toekomstige rol van biochar binnen de landbouw en de drie onderzochte
landbouwtoepassingen. Ook worden de (toxiciteits)criteria waaraan het biochar
moet voldoen (vastgelegd door het European Biochar Certificate en STRUBIAS
(Europese commissie)) uitgebreid besproken.
In hoofdstuk 3 ligt de focus op de productie en karakterisatie van biochars van
acht relevante biomassareststromen. Deze zijn gekozen op basis van drie
selectiecriteria (vocht-, as -en vaste koolstofgehalte) die de relevantie van
pyrolyse voor de specifieke biomassa inschatten. De acht relevante
biomassastromen werden geconverteerd tot biochar op drie
pyrolysetemperaturen (450, 600 en 750 °C) in een pilootschaal roterende
ovenreactor. Verder werden de belangrijkste agronomische karakteristieken (pH,
pH bufferend vermogen, elektrische conductiviteit, waterhoudend vermogen,
kationuitwisselingscapaciteit en koolstofstabiliteit) geanalyseerd. Deze karakteristieken zijn belangrijk voor het selecteren van biochars voor een
bepaalde landbouwtoepassing. Met behulp van een uitgebreide data analyse was
het mogelijk om voor de pH, elektrische conductiviteit en pH bufferend
vermogen biomassa-onafhankelijke modellen op te stellen. Het was ook
belangrijk om de toxiciteit (polycyclisch aromatische koolwaterstoffen en zware
metaal gehalte) van de biochars te analyseren. De biochars werden op basis van
hun agronomische karakteristieken, toxiciteit en een ontwikkelde
beslissingsboom verder ingedeeld voor hun gebruik in de drie
landbouwtoepassingen. De geselecteerde biochars werden binnen de andere
werkpakketten van het BASTA project onderzocht. Uit deze beslissingsboom is
gebleken dat biochars die interessant kunnen zijn voor een landbouwtoepassing,
niet altijd voldoen aan de gewenste toxiciteitscriteria. Dit was vooral het geval
voor dierlijke reststromen (insectenfrass en kippenmest) omwille van een te
hoog gehalte aan zware metalen (Zn en Cu). Ook werd ontdekt dat biochars die
geproduceerd werden op hoge temperatuur (750 °C) niet optimaal waren
omwille van een te hoog gehalte aan polycyclisch aromatische koolwaterstoffen.
Tijdens dit doctoraat is gekozen om het effect van co-pyrolyse op de toxiciteit
van biochars te onderzoeken. In hoofdstuk 4 werd de co-pyrolyse van
kippenmest en boomschors geëvalueerd aan de hand van biologische assays, die
de stressrespons indicatoren en plantengroei van A. thaliana in kaart brengen.
De resultaten van deze assays hebben aangetoond dat co-pyrolyse biochars een
betere plantgroei en een verminderde stressrespons veroorzaken ten opzichte
van de biochars van de separate biomassa’s. Verder is ook aangetoond dat de
overall toxiciteit van biochar vermindert door co-pyrolyse, alhoewel dit sterk
afhankelijk is van het gehalte kippenmest en boomschors in de biomassamengsels. Het polycyclisch aromatische koolwaterstoffen gehalte kan
stijgen door co-pyrolyse, terwijl het zware metalen gehalte verlaagt door het
toevoegen van boomschors aan het kippenmest. Een trade-off tussen beide
toxiciteiten is nodig. Additioneel zijn er uitloogtesten uitgevoerd in groeimedium
die hebben aangetoond dat het gehalte aan zware metalen in biochars niet
correleert met hun beschikbare fractie vanuit de biochar.
In hoofdstuk 5 lag de focus op het gebruik van biochar voor het adsorberen
van Cd2+ uit een waterige oplossing. Hierbij is er gefocust op de
langetermijn/pH-bufferende effecten die van belang zijn tijdens adsorptie in
bodemsystemen. In eerste instantie is een screeningsexperiment uitgevoerd om
te achterhalen welke combinatie van biomassa en pyrolysetemperatuur de beste
Cd2+ verwijdering realiseert in een pH-gebufferde oplossing na 10 dagen. Hierbij
werden de biochars gebruikt die in hoofdstuk 3 zijn geproduceerd (450 en 600
°C). Het screeningsexperiment toont aan dat kippenmest (450-600 °C),
insectenfrass (450 °C) en gebruikte veensubtraat (450 °C) de hoogste Cd2+
verwijdering realiseerden (ca. 70 – 99%). De laagste Cd2+ verwijdering werd
vooral gerealiseerd door houtige stromen (< 20 %). De mogelijke
adsorptiemechanismen en kinetica van deze biochars werden onderzocht. Deze
experimenten concluderen dat kationuitwisseling en precipitatie van Cd2+ met
endogene biocharzouten belangrijke mechanismen zijn voor Cd2+ adsorptie. De
data uit dit hoofdstuk bevestigden dat er een oplossing dient gevonden te
worden voor biochars die omwille van hun toxiciteit niet bruikbaar zouden
kunnen zijn voor landbouwtoepassingen.
In hoofdstuk 6 werd het effect van co-pyrolyse op Cd2+ adsorptie onderzocht,
vergelijkbaar met de experimenten in hoofdstuk 4. Hierbij werd kippenmest en hardhout gebruikt voor het samenstellen van de biomassamengsels. De
experimenten tonen aan dat het toevoegen van de kippenmest aan het hardhout
de Cd2+ verwijdering verhoogt van 8 (0% kippenmest) tot 98% (100%
kippenmest). Het voordeel van co-pyrolyse is dat er slechts 50% kippenmest
moet toegevoegd worden aan het hardhout om ca. 80% Cd2+ verwijdering te
realiseren. Deze hoge Cd2+ verwijdering in combinatie met de verlaging van het
zware metalen gehalte in de biochars is gunstig. Door de relatief hoge
concentratie van zware metalen in het gebruikte hard hout (Zn: 69 mg/kg, Cu:
29 mg/kg), was het niet mogelijk om biochars te produceren die voldeden aan
de toxiciteitscriteria voor deze metalen. Dit komt doordat het gebruikt hard hout
afkomstig is van een regio met een verhoogde zware metalen concentraties
(Noord-Limburg). Wel wordt er verwacht dat de bekomen resultaten in verband
met de Cd2+ verwijdering extrapoleerbaar zijn naar de co-pyrolyse biochars op
basis van kippenmest en boomschors.
In hoofdstuk 7 werd het gebruik van microgolf geassisteerde pyrolyse
onderzocht voor de productie van biochar. In eerste instantie werd er voor negen
biomassastromen een microgolf geassisteerde pyrolyse experiment uitgevoerd
bij dezelfde procescondities (400 W, 10% commercieel actief koolpoeder). De
resultaten van deze studie toonden aan dat microgolf geassisteerde pyrolyse
sterk afhankelijk is van de biomassa. Daarnaast werd het effect van het type
microgolfabsorber bestudeerd. Deze microgolfabsorbers werden bereid vanuit
commercieel actief koolpoeder via verschillende modificatiemethodes om
ijzeroxide te incorporeren op het actief kool oppervlak. De microgolf
geassisteerde pyrolyse experimenten (met hardhout als biomassa) hebben
aangetoond dat de modificatiemethode van het actief kool een significant effect heeft op de pyrolyse. Bij fysische menging van ijzeroxide met actief kool werd
een betere pyrolyse gerealiseerd ten opzichte van de in-situ co-precipitatie van
ijzeroxide op het actief kool. De analyse van de gemodificeerd actief kolen heeft
aangetoond dat de partikelgrootte van de geïncorporeerde ijzeroxide partikels
sterk verschilt voor beide modificatiemethodes. In-situ co-precipitatie van
ijzeroxide resulteerde in partikels (< 1 µm) die kleiner zijn dan de microgolf
penetratiediepte in ijzeroxide (ca. 80 µm @ 2,45 GHz), terwijl de fysische
menging van ijzeroxide met actief kool resulteerde in grotere ijzeroxidepartikels
(ca. 30 µm). De kleine ijzeroxide partikels (< 1 µm) zijn transparant voor
microgolven, terwijl partikels in dezelfde grootteorde als de penetratiediepte van
ijzeroxide een betere microgolfabsorptie hebben. Daarnaast is de hypothese ook
dat de behandeling van actief kool met NaOH (tijdens de in-situ co-precipitatie)
voor een structurele verandering van de actief kool functionaliteiten zorgt. Dit
was niet te achterhalen met infrarood spectroscopie (FT-IR) door de hoge
infrarood absorptie van actief kool. Andere analysetechnieken zoals
elektronspinresonantie (ESR) en kernspinresonantie (NMR) hebben ook geen
uitsluitsel kunnen bieden op deze hypothese omwille van sterke magnetische
interferenties van het (gemodificeerd) actief kool tijdens de metingen
The pyrolysis of relevant biomass to produce biochar for agricultural applications
No full textDe komende jaren staat de landbouwsector voor grote uitdagingen als gevolg
van de toenemende wereldbevolking en de marginalisering van bodem -en
watervoorraden. De transitie naar een duurzamere landbouw is noodzakelijk om
deze risico’s te beperken en de voordelen van deze essentiële sector te
optimaliseren. Dit is belangrijk om de voedselzekerheid te garanderen.
Daarnaast is de landbouw ook een cruciale schakel voor het leveren van
biomassa voor de circulaire bio-economie. De transitie naar een duurzamere
landbouw kan op vele niveaus plaatsvinden, zoals slimme bemesting, optimaal
bodem -en watergebruik en innovatieve rotatieschema's. Maar ook een goed
beheer van biomassareststromen is een belangrijk aspect. Er moet gestreefd
worden naar het converteren van deze reststromen in producten met
toegevoegde waarde ter substitutie van producten uit niet-hernieuwbare
bronnen. Thermochemische conversie van deze biomassa naar biochar is een mogelijke oplossing, die als CO2-negatieve verwerkingstechniek, tot een
functioneel product leidt. Desondanks is het selecteren van relevante
biomassastromen en productieparameters essentieel in het produceren van
biochars met toegevoegde waarde voor (landbouw)toepassingen. In deze thesis
hebben we in kader van het BASTA project gefocust op drie
landbouwtoepassingen: anaerobe vergisting, remediatie van marginale bodem
en substitutie van veen in potgrond.
In hoofdstuk 1 werd een uitgebreide samenvatting gegeven van verschillende
biomassa conversietechnieken, thermochemische conversietechnieken,
procesparameters die biocharkarakteristieken beïnvloeden en
modificatiemethodes voor biochar. Dit hoofdstuk vormt de theoretische basis
waarop de rest van dit werk is gebaseerd. Verder beschrijft dit hoofdstuk ook de
toekomstige rol van biochar binnen de landbouw en de drie onderzochte
landbouwtoepassingen. Ook worden de (toxiciteits)criteria waaraan het biochar
moet voldoen (vastgelegd door het European Biochar Certificate en STRUBIAS
(Europese commissie)) uitgebreid besproken.
In hoofdstuk 3 ligt de focus op de productie en karakterisatie van biochars van
acht relevante biomassareststromen. Deze zijn gekozen op basis van drie
selectiecriteria (vocht-, as -en vaste koolstofgehalte) die de relevantie van
pyrolyse voor de specifieke biomassa inschatten. De acht relevante
biomassastromen werden geconverteerd tot biochar op drie
pyrolysetemperaturen (450, 600 en 750 °C) in een pilootschaal roterende
ovenreactor. Verder werden de belangrijkste agronomische karakteristieken (pH,
pH bufferend vermogen, elektrische conductiviteit, waterhoudend vermogen,
kationuitwisselingscapaciteit en koolstofstabiliteit) geanalyseerd. Deze karakteristieken zijn belangrijk voor het selecteren van biochars voor een
bepaalde landbouwtoepassing. Met behulp van een uitgebreide data analyse was
het mogelijk om voor de pH, elektrische conductiviteit en pH bufferend
vermogen biomassa-onafhankelijke modellen op te stellen. Het was ook
belangrijk om de toxiciteit (polycyclisch aromatische koolwaterstoffen en zware
metaal gehalte) van de biochars te analyseren. De biochars werden op basis van
hun agronomische karakteristieken, toxiciteit en een ontwikkelde
beslissingsboom verder ingedeeld voor hun gebruik in de drie
landbouwtoepassingen. De geselecteerde biochars werden binnen de andere
werkpakketten van het BASTA project onderzocht. Uit deze beslissingsboom is
gebleken dat biochars die interessant kunnen zijn voor een landbouwtoepassing,
niet altijd voldoen aan de gewenste toxiciteitscriteria. Dit was vooral het geval
voor dierlijke reststromen (insectenfrass en kippenmest) omwille van een te
hoog gehalte aan zware metalen (Zn en Cu). Ook werd ontdekt dat biochars die
geproduceerd werden op hoge temperatuur (750 °C) niet optimaal waren
omwille van een te hoog gehalte aan polycyclisch aromatische koolwaterstoffen.
Tijdens dit doctoraat is gekozen om het effect van co-pyrolyse op de toxiciteit
van biochars te onderzoeken. In hoofdstuk 4 werd de co-pyrolyse van
kippenmest en boomschors geëvalueerd aan de hand van biologische assays, die
de stressrespons indicatoren en plantengroei van A. thaliana in kaart brengen.
De resultaten van deze assays hebben aangetoond dat co-pyrolyse biochars een
betere plantgroei en een verminderde stressrespons veroorzaken ten opzichte
van de biochars van de separate biomassa’s. Verder is ook aangetoond dat de
overall toxiciteit van biochar vermindert door co-pyrolyse, alhoewel dit sterk
afhankelijk is van het gehalte kippenmest en boomschors in de biomassamengsels. Het polycyclisch aromatische koolwaterstoffen gehalte kan
stijgen door co-pyrolyse, terwijl het zware metalen gehalte verlaagt door het
toevoegen van boomschors aan het kippenmest. Een trade-off tussen beide
toxiciteiten is nodig. Additioneel zijn er uitloogtesten uitgevoerd in groeimedium
die hebben aangetoond dat het gehalte aan zware metalen in biochars niet
correleert met hun beschikbare fractie vanuit de biochar.
In hoofdstuk 5 lag de focus op het gebruik van biochar voor het adsorberen
van Cd2+ uit een waterige oplossing. Hierbij is er gefocust op de
langetermijn/pH-bufferende effecten die van belang zijn tijdens adsorptie in
bodemsystemen. In eerste instantie is een screeningsexperiment uitgevoerd om
te achterhalen welke combinatie van biomassa en pyrolysetemperatuur de beste
Cd2+ verwijdering realiseert in een pH-gebufferde oplossing na 10 dagen. Hierbij
werden de biochars gebruikt die in hoofdstuk 3 zijn geproduceerd (450 en 600
°C). Het screeningsexperiment toont aan dat kippenmest (450-600 °C),
insectenfrass (450 °C) en gebruikte veensubtraat (450 °C) de hoogste Cd2+
verwijdering realiseerden (ca. 70 – 99%). De laagste Cd2+ verwijdering werd
vooral gerealiseerd door houtige stromen (< 20 %). De mogelijke
adsorptiemechanismen en kinetica van deze biochars werden onderzocht. Deze
experimenten concluderen dat kationuitwisseling en precipitatie van Cd2+ met
endogene biocharzouten belangrijke mechanismen zijn voor Cd2+ adsorptie. De
data uit dit hoofdstuk bevestigden dat er een oplossing dient gevonden te
worden voor biochars die omwille van hun toxiciteit niet bruikbaar zouden
kunnen zijn voor landbouwtoepassingen.
In hoofdstuk 6 werd het effect van co-pyrolyse op Cd2+ adsorptie onderzocht,
vergelijkbaar met de experimenten in hoofdstuk 4. Hierbij werd kippenmest en hardhout gebruikt voor het samenstellen van de biomassamengsels. De
experimenten tonen aan dat het toevoegen van de kippenmest aan het hardhout
de Cd2+ verwijdering verhoogt van 8 (0% kippenmest) tot 98% (100%
kippenmest). Het voordeel van co-pyrolyse is dat er slechts 50% kippenmest
moet toegevoegd worden aan het hardhout om ca. 80% Cd2+ verwijdering te
realiseren. Deze hoge Cd2+ verwijdering in combinatie met de verlaging van het
zware metalen gehalte in de biochars is gunstig. Door de relatief hoge
concentratie van zware metalen in het gebruikte hard hout (Zn: 69 mg/kg, Cu:
29 mg/kg), was het niet mogelijk om biochars te produceren die voldeden aan
de toxiciteitscriteria voor deze metalen. Dit komt doordat het gebruikt hard hout
afkomstig is van een regio met een verhoogde zware metalen concentraties
(Noord-Limburg). Wel wordt er verwacht dat de bekomen resultaten in verband
met de Cd2+ verwijdering extrapoleerbaar zijn naar de co-pyrolyse biochars op
basis van kippenmest en boomschors.
In hoofdstuk 7 werd het gebruik van microgolf geassisteerde pyrolyse
onderzocht voor de productie van biochar. In eerste instantie werd er voor negen
biomassastromen een microgolf geassisteerde pyrolyse experiment uitgevoerd
bij dezelfde procescondities (400 W, 10% commercieel actief koolpoeder). De
resultaten van deze studie toonden aan dat microgolf geassisteerde pyrolyse
sterk afhankelijk is van de biomassa. Daarnaast werd het effect van het type
microgolfabsorber bestudeerd. Deze microgolfabsorbers werden bereid vanuit
commercieel actief koolpoeder via verschillende modificatiemethodes om
ijzeroxide te incorporeren op het actief kool oppervlak. De microgolf
geassisteerde pyrolyse experimenten (met hardhout als biomassa) hebben
aangetoond dat de modificatiemethode van het actief kool een significant effect heeft op de pyrolyse. Bij fysische menging van ijzeroxide met actief kool werd
een betere pyrolyse gerealiseerd ten opzichte van de in-situ co-precipitatie van
ijzeroxide op het actief kool. De analyse van de gemodificeerd actief kolen heeft
aangetoond dat de partikelgrootte van de geïncorporeerde ijzeroxide partikels
sterk verschilt voor beide modificatiemethodes. In-situ co-precipitatie van
ijzeroxide resulteerde in partikels (< 1 µm) die kleiner zijn dan de microgolf
penetratiediepte in ijzeroxide (ca. 80 µm @ 2,45 GHz), terwijl de fysische
menging van ijzeroxide met actief kool resulteerde in grotere ijzeroxidepartikels
(ca. 30 µm). De kleine ijzeroxide partikels (< 1 µm) zijn transparant voor
microgolven, terwijl partikels in dezelfde grootteorde als de penetratiediepte van
ijzeroxide een betere microgolfabsorptie hebben. Daarnaast is de hypothese ook
dat de behandeling van actief kool met NaOH (tijdens de in-situ co-precipitatie)
voor een structurele verandering van de actief kool functionaliteiten zorgt. Dit
was niet te achterhalen met infrarood spectroscopie (FT-IR) door de hoge
infrarood absorptie van actief kool. Andere analysetechnieken zoals
elektronspinresonantie (ESR) en kernspinresonantie (NMR) hebben ook geen
uitsluitsel kunnen bieden op deze hypothese omwille van sterke magnetische
interferenties van het (gemodificeerd) actief kool tijdens de metingen
The production and characterization of magnetic microwave absorbers for microwave-assisted pyrolysis
No full textMicrowave absorbers (MWAs) are materials with the capability to convert microwaves into heating energy due to their high dielectric permittivity and/or magnetic permeability. Due to these properties, these materials are able to generate heat from microwave energy upon absorption. In this study, various microwave absorbers were used for microwave-assisted pyrolysis of hardwood. The microwave absorbers used in this study originated from commercial activated carbon (Chemviron’s pulsorb WP260 AC) and were modified through magnetite (Fe3O4) addition. Three variables (magnetite addition level: 5 and 20 wt.%, addition method: in-situ co-precipitation and physical blending and washing agent: water and ethanol/water) were tested. The resulting microwave absorbers were evaluated on the pyrolysis performance of hardwood in a Milestone Flexiwave microwave reactor (Power: 400 W; Residence time: 37 min; Pressure: 100 – 500 mbar; Total reactor loading: 20 g) with 10 wt.% MWA addition. The biochar yield varied from 24 wt.% and 89 wt.% and seemed to be significantly influenced by the synthesis method rather than Fe3O4 level. The microwave absorbers with physically blended Fe3O4 resulted in the best pyrolysis performance. All other modified MWAs performed less than the original commercial WP260 AC sample. The resulting biochars from the experiments with physically blended Fe3O4 AC and WP260 were characterized by elemental composition (C,H,N,S,O and ash content) after physical separation from the MWA. Furthermore, the concentration of 16 priority polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) in the selected biochars were evaluated. The results suggest that physical Fe3O4 blending seems to cause a reduction of total PAHs content, mainly by reduction of the pyrene content in the biochar. Future experiments will involve the study concerning the possibility of magnetic separation of the MWA from the produced biochar. This will provide us more possibilities when scaling up the microwave-assisted pyrolysis process
The production and characterization of magnetic microwave absorbers for microwave-assisted pyrolysis
No full textMicrowave absorbers (MWAs) are materials with the capability to convert microwaves into heating energy due to their high dielectric permittivity and/or magnetic permeability. Due to these properties, these materials are able to generate heat from microwave energy upon absorption. In this study, various microwave absorbers were used for microwave-assisted pyrolysis of hardwood. The microwave absorbers used in this study originated from commercial activated carbon (Chemviron’s pulsorb WP260 AC) and were modified through magnetite (Fe3O4) addition. Three variables (magnetite addition level: 5 and 20 wt.%, addition method: in-situ co-precipitation and physical blending and washing agent: water and ethanol/water) were tested. The resulting microwave absorbers were evaluated on the pyrolysis performance of hardwood in a Milestone Flexiwave microwave reactor (Power: 400 W; Residence time: 37 min; Pressure: 100 – 500 mbar; Total reactor loading: 20 g) with 10 wt.% MWA addition. The biochar yield varied from 24 wt.% and 89 wt.% and seemed to be significantly influenced by the synthesis method rather than Fe3O4 level. The microwave absorbers with physically blended Fe3O4 resulted in the best pyrolysis performance. All other modified MWAs performed less than the original commercial WP260 AC sample. The resulting biochars from the experiments with physically blended Fe3O4 AC and WP260 were characterized by elemental composition (C,H,N,S,O and ash content) after physical separation from the MWA. Furthermore, the concentration of 16 priority polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) in the selected biochars were evaluated. The results suggest that physical Fe3O4 blending seems to cause a reduction of total PAHs content, mainly by reduction of the pyrene content in the biochar. Future experiments will involve the study concerning the possibility of magnetic separation of the MWA from the produced biochar. This will provide us more possibilities when scaling up the microwave-assisted pyrolysis process
Screening tests for N sorption allow to select and engineer biochars for N mitigation during biomass processing
No full textBiochar amendment during biomass processing can improve those processes and products, and reduce the emissions of greenhouse gases and NH 3 , resulting in ecologic and economic benefits. The potential positive effects of biochar are related to NH 4 +-N and NH 3 sorption, which in turn are depending on different biochar characteristics. By knowing the relationship between biochar characteristics and NH 4 +-N and NH 3 sorption, biochar production can be steered towards a higher N sorption or existing biochars can be selected for targeted applications for high N sorption. Therefore, this study aims to develop fast screening tests to estimate the potential for both NH 4 +-N and NH 3 sorption of biochar, before application in biomass processing. Further, the effects of feedstock, pyrolysis temperature, biochar characteristics and biochar treatments on N sorption are studied. The results show that NH 4 +-N sorption varied between 0 and 1.54 mg NH 4 +-N/g fresh biochar and was highest for manure-based biochars with a high nutrient content and cation exchange capacity, produced at lower temperatures (300-450 • C). For some biochars, the feedstock itself had a higher NH 4 +-N sorption than the biochar. Grinding and washing increased the NH 4 +-N sorption. In addition, a general linear model was proposed to predict the NH 4 +-N sorption based on three chemical characteristics ⋅ NH 3 sorption varied between 0 and 100 % of the negative control and showed a linear positive relationship with the NH 4 +-N sorption, moisture retention factor and cation exchange capacity. Pyrolysis temperature and feedstock type did not significantly affect NH 3 sorption. NH 4 +-N and NH 3 desorption varied amongst biochar type.The Research Foundation - Flanders (FWO) has (co-)financed the research (BASTA, S000119N). We thank Siebert Vierendeels, Tom Van Gyseghem and Koen Van Loo for their technical assistance
Manure biochar as a potential promising adsorbent for Cd-polluted soil remediation
No full textThe Campine region in Flanders is well-known for its highly cadmium (Cd)-contaminated soils due to past anthropogenic activities. Enhanced Cd exposure can cause cellular damage in plants, and consequently reduces crop growth and plant quality (Jozefczak et al., 2014). Currently, few cost-effective and non-destructive remediation techniques exist (Tang and Ni, 2021). Therefore, alternative soil remediation techniques should be assessed. Biochar is a solid material that is produced by pyrolysis of biomass. Because of its functional surface, it can be used as a cost-effective adsorbent for various (in)organic pollutants in soils and waste waters (Sizmur et al., 2017). However, differences in biochar properties will affect their adsorption performance. Therefore, suitable biomass streams and biochar production conditions should be selected to increase adsorption efficiency. Biochars from eight biomass feedstocks (spent peat, green waste, chicken manure, coffee grounds, flax shives, insect frass, tree bark and apple wood) were subjected to pyrolysis at 450 and 600 °C (pilot-scale rotary kiln reactor) and evaluated for their Cd removal efficiency (CRE) in a buffered 2-(N-morpholino)ethanesulfonic acid (MES) solution (0.025 M Cd; pH = 6; 1:20 solid:liquid ratio) for ten days. The results show that CRE varied from 4 to 96 wt.% with the highest CRE by chicken manure biochars (94-96 wt.%). Insect frass biochar (produced at 450 °C) also had a high CRE (77 ± 4 wt.%). All the other biochars exhibited a CRE below 50 wt.%. A 10-day kinetic adsorption study in the MES solution was executed on four biochars (450 °C) (tree bark, spent peat, insect frass and chicken manure) due to their divergent adsorption performance. A 24-hr desorption step with 0.01 M Ca(NO3)2 was executed to investigate the leachability of the adsorbed Cd. Chicken manure biochar showed the fastest Cd removal rate with a removal of 93 ± 1 wt.% within one day, while the Cd removal of insect frass biochar started at 41 ± 2 wt.% and gradually increased to 77 ± 4 wt.%. Cd Leaching from the loaded biochar was limited (< 10 wt.%) but spent peat biochar leached approx. two times more Cd compared to chicken manure biochar. Future pot and large-scale plant growth experiments with these biochars will provide more insight on their performance in real-life scenarios. This will open new possibilities for the remediation of Cd-contaminated soils
Biochar amendment to cattle slurry reduces NH3 emissions during storage without risk of higher NH3 emissions after soil application of the solid fraction
No full textCattle slurry storage is a major source of gaseous N emissions. The aim of this study was to evaluate the effects of biochar, clinoptilolite and elemental sulfur (S°) on (1) NH3 and greenhouse gas emissions during storage of cattle slurry and (2) after soil application of the enriched solid fractions; and (3) on the agronomic quality of the solid and liquid fractions. In the first phase, biochar was added to the slurry (10 g L-1); subsequently in the second phase, clinoptilolite (50 g L-1), S° (1 g L-1) and 40 g L-1 extra biochar were added. Gaseous emissions were monitored by a semi-continuous multi-gas analyzer and the agronomic quality of solid and liquid fractions was assessed after separation. The enriched solid fractions were applied to soil to study the effects on gaseous emissions, N and C mineralization. Amendment of biochar reduced NH3 emissions during cattle slurry storage by 12% during the first 7 days. Extra amendment of biochar, clinoptilolite and S° in combination with biochar resulted in a decrease of NH3 emissions of approximately 20%. The N sorbed from the slurry by the biochar was not released as NH3 during soil application of the solid fractions and was not released as mineral N in the short term (within 28 days). A short-term positive priming effect of biochar on the C mineralization of manure and biochar-manure mixture applied to soil was observed. The biochar-enriched solid fractions contained more C, total and organic N and water-available P with a slow release.The Research Foundation - Flanders (FWO) has (co-)financed the research (BASTA, S000119N). We thank Tom Van Gyseghem, Siebert Vierendeels, Koen Van Loo and the other ILVO lab technicians for their technical assistance. We are grateful to Miriam Levenson (ILVO) for English-language editing
Manure biochar as a potential promising adsorbent for Cd-polluted soil remediation
No full textThe Campine region in Flanders is well-known for its highly cadmium (Cd)-contaminated soils due to past anthropogenic activities. Enhanced Cd exposure can cause cellular damage in plants, and consequently reduces crop growth and plant quality (Jozefczak et al., 2014). Currently, few cost-effective and non-destructive remediation techniques exist (Tang and Ni, 2021). Therefore, alternative soil remediation techniques should be assessed. Biochar is a solid material that is produced by pyrolysis of biomass. Because of its functional surface, it can be used as a cost-effective adsorbent for various (in)organic pollutants in soils and waste waters (Sizmur et al., 2017). However, differences in biochar properties will affect their adsorption performance. Therefore, suitable biomass streams and biochar production conditions should be selected to increase adsorption efficiency. Biochars from eight biomass feedstocks (spent peat, green waste, chicken manure, coffee grounds, flax shives, insect frass, tree bark and apple wood) were subjected to pyrolysis at 450 and 600 °C (pilot-scale rotary kiln reactor) and evaluated for their Cd removal efficiency (CRE) in a buffered 2-(N-morpholino)ethanesulfonic acid (MES) solution (0.025 M Cd; pH = 6; 1:20 solid:liquid ratio) for ten days. The results show that CRE varied from 4 to 96 wt.% with the highest CRE by chicken manure biochars (94-96 wt.%). Insect frass biochar (produced at 450 °C) also had a high CRE (77 ± 4 wt.%). All the other biochars exhibited a CRE below 50 wt.%. A 10-day kinetic adsorption study in the MES solution was executed on four biochars (450 °C) (tree bark, spent peat, insect frass and chicken manure) due to their divergent adsorption performance. A 24-hr desorption step with 0.01 M Ca(NO3)2 was executed to investigate the leachability of the adsorbed Cd. Chicken manure biochar showed the fastest Cd removal rate with a removal of 93 ± 1 wt.% within one day, while the Cd removal of insect frass biochar started at 41 ± 2 wt.% and gradually increased to 77 ± 4 wt.%. Cd Leaching from the loaded biochar was limited (< 10 wt.%) but spent peat biochar leached approx. two times more Cd compared to chicken manure biochar. Future pot and large-scale plant growth experiments with these biochars will provide more insight on their performance in real-life scenarios. This will open new possibilities for the remediation of Cd-contaminated soils
- …
