Biokol

Den här artikeln handlar om träkol som går ner i jorden. För mer allmän information, se Träkol .
Se även: Aktivt kol

A hand holding a piece of biochar with a bucket of it in the background
Biokol framställt av restved
Small pellets of biochar
Mindre pellets av biokol
A large pile of biochar
Biokol efter produktion, i en stor hög

Biokol är den lätta svarta återstoden, gjord av kol och aska , som finns kvar efter pyrolysen av biomassa . Biokol definieras av International Biochar Initiative som "det fasta materialet som erhålls från den termokemiska omvandlingen av biomassa i en syrebegränsad miljö". Biokol är ett stabilt fast ämne som är rikt på pyrogent kol och kan hålla i marken i tusentals år.

Den eldfasta stabiliteten hos biokol leder till konceptet pyrogen kolinfångning och lagring (PyCCS), det vill säga kolbindning i form av biokol. Det kan vara ett sätt att mildra klimatförändringarna på grund av dess potential att binda kol med minimal ansträngning . Biokol kan öka markens bördighet i sura jordar och öka jordbrukets produktivitet .

Historia

Ordet "biokol" är en engelsk neologism från det sena 1900-talet som kommer från det grekiska ordet βίος , bios , " liv " och " kol " ( träkol som produceras genom förkolning av biomassa). Det är erkänt som träkol som deltar i biologiska processer som finns i jord, akvatiska livsmiljöer och i djurens matsmältningssystem.

Precolumbianska Amazonas producerade biokol genom att pyrande jordbruksavfall (dvs. täcka brinnande biomassa med jord) i gropar eller diken. Det är inte känt om de avsiktligt använde biokol för att öka jordens produktivitet. Europeiska nybyggare kallade det terra preta de Indio . Efter observationer och experiment antog en forskargrupp som arbetade i Franska Guyana att Amazonas daggmask Pontoscolex corethrurus var det huvudsakliga medlet för finpudring och införlivande av träkolsrester i mineraljorden.

Produktion

Biokol är en högkolhaltig, finkornig rest som produceras via pyrolys ; det är den direkta termiska nedbrytningen av biomassa i frånvaro av syre (förhindrar förbränning ), som producerar en blandning av fasta ämnen (det egentliga biokolet), flytande ( bioolja ) och gasprodukter ( syngas) .

Förgasare producerar det mesta av det biokol som säljs i USA. Förgasningsprocessen består av fyra huvudsteg: oxidation, torkning, pyrolys och reduktion . Temperaturen under pyrolys i förgasare är 250–550 °C (523–823 K), 600–800 °C (873–1 073 K) i reduktionszonen och 800–1 000 °C (1 070–1 270 K) i förbränningszonen.

Det specifika utbytet från pyrolys beror på processförhållanden såsom temperatur , uppehållstid och uppvärmningshastighet. Dessa parametrar kan ställas in för att producera antingen energi eller biokol. Temperaturer på 400–500 °C (673–773 K) producerar mer kol , medan temperaturer över 700 °C (973 K) gynnar utbytet av vätske- och gasbränslekomponenter. Pyrolys sker snabbare vid högre temperaturer, vilket vanligtvis kräver sekunder snarare än timmar. Den ökande uppvärmningshastigheten leder till en minskning av biokolutbytet, medan temperaturen ligger i intervallet 350–600 °C (623–873 K). Typiska skördar är 60 % bioolja , 20 % biokol och 20 % syngas. Som jämförelse kan långsam pyrolys producera väsentligt mer kol (≈35%); detta bidrar till markens bördighet. När de har initierats producerar båda processerna nettoenergi. För typiska ingångar är energin som krävs för att driva en "snabb" pyrolysator ungefär 15 % av den energi som den avger. Pyrolysanläggningar kan använda syngaseffekten och ge 3–9 gånger den mängd energi som krävs för att drivas.

Förutom pyrolys kan torrefaktion och hydrotermiska karboniseringsprocesser också termiskt sönderdela biomassa till det fasta materialet. Dessa produkter kan dock inte strikt definieras som biokol. Kolprodukten från torrefaktionsprocessen innehåller några flyktiga organiska komponenter , så dess egenskaper ligger mellan egenskaperna hos biomassaråvara och biokol. Dessutom skulle även den hydrotermiska karboniseringen kunna ge en kolrik fast produkt, den hydrotermiska karboniseringen skiljer sig uppenbarligen från den konventionella termiska omvandlingsprocessen. Därför definieras den fasta produkten från hydrotermisk karbonisering som "hydrokol" snarare än "biokol".

Amazonas grop/dike-metoden skördar varken bioolja eller syngas och släpper ut CO 2 , svart kol och andra växthusgaser (och potentiellt giftiga ämnen ) till luften, men mindre växthusgaser än som fångas upp under tillväxten av biomassa. System i kommersiell skala behandlar jordbruksavfall, pappersbiprodukter och till och med kommunalt avfall och eliminerar vanligtvis dessa biverkningar genom att fånga upp och använda vätske- och gasprodukterna. 2018 års vinnare av X Prize Foundation för atmosfäriska vattengeneratorer skördar dricksvatten från torkningsfasen av förgasningsprocessen. Produktionen av biokol som en produktion är inte prioriterad i de flesta fall.

Småbrukare i utvecklingsländer producerar enkelt sitt eget biokol utan specialutrustning. De gör högar av skördeavfall (t.ex. majsstjälkar, rishalm eller vetehalm), tänder högarna på toppen och släcker glöden med smuts eller vatten för att göra biokol. Denna metod reducerar rök kraftigt jämfört med traditionella metoder för att bränna skördeavfall. Denna metod är känd som top-down-bränning eller konserveringsbränning.

Centraliserade, decentraliserade och mobila system

I ett centraliserat system förs oanvänd biomassa till en central anläggning för bearbetning till biokol. Alternativt kan varje bonde eller grupp av jordbrukare driva en ugn . Slutligen kan en lastbil utrustad med en pyrolysator flytta från plats till plats för att pyrolysera biomassa. Fordonskraften kommer från syngasströmmen , medan biokolen finns kvar på gården. Biobränslet skickas till ett raffinaderi eller lagringsplats . Faktorer som påverkar valet av systemtyp inkluderar kostnaden för transport av de flytande och fasta biprodukterna, mängden material som ska bearbetas och förmågan att försörja elnätet.

Vanliga grödor som används för att göra biokol inkluderar olika trädarter, såväl som olika energigrödor . Vissa av dessa energigrödor (dvs. Napier-gräs ) kan lagra mycket mer kol på kortare tid än träd gör.

För grödor som inte uteslutande är avsedda för produktion av biokol, Residue-to-Product Ratio (RPR) och uppsamlingsfaktorn (CF), procentandelen av återstoden som inte används till annat, mät den ungefärliga mängden råvara som kan erhållas. Till exempel Brasilien cirka 460 miljoner ton (MT) sockerrör årligen, med ett RPR på 0,30 och en CF på 0,70 för sockerrörstopparna, som normalt bränns på fältet. Detta översätts till cirka 100 MT rester årligen, som skulle kunna pyrolyseras för att skapa energi och jordtillsatser. Tillsats av bagass (sockerrörsavfall) (RPR=0,29 CF=1,0), som annars förbränns (ineffektivt) i pannor, höjer totalen till 230 MT pyrolysråvara. En del växtrester måste dock finnas kvar på marken för att undvika ökade kostnader och utsläpp från kvävegödsel.

Olika företag i Nordamerika , Australien och England säljer biokol eller biokolproduktionsenheter. I Sverige är 'Stockholm Solution' ett urbant trädplanteringssystem som använder 30 % biokol för att stödja urban skogstillväxt.

Vid den internationella biokolkonferensen 2009 introducerades en mobil pyrolysenhet med ett specificerat intag på 1 000 pund (450 kg) för jordbrukstillämpningar.

Termokatalytisk depolymerisation

Alternativt har "termo-katalytisk depolymerisation", som använder mikrovågor , använts för att effektivt omvandla organiskt material till biokol i industriell skala, vilket ger ≈50% kol.

Egenskaper

De fysikaliska och kemiska egenskaperna hos biokol som bestäms av råvaror och teknologier är avgörande. Karakteriseringsdata förklarar deras prestanda vid en specifik användning. Till exempel ger riktlinjer publicerade av International Biochar Initiative standardiserade utvärderingsmetoder. Egenskaper kan kategoriseras i flera avseenden, inklusive den närmaste och elementära sammansättningen, pH-värdet och porositeten. Atomförhållandena för biokol, inklusive H/C och O/C, korrelerar med de egenskaper som är relevanta för organiskt innehåll, såsom polaritet och aromaticitet . Ett van-Krevelen-diagram kan visa utvecklingen av biokol-atomförhållanden i produktionsprocessen. I karboniseringsprocessen minskar både H / C och O / C atomförhållanden på grund av frigörandet av funktionella grupper som innehåller väte och syre.

Produktionstemperaturer påverkar biokolets egenskaper på flera sätt. Den molekylära kolstrukturen hos den fasta biokolmatrisen påverkas särskilt. Initial pyrolys vid 450–550 °C lämnar en amorf kolstruktur . Temperaturer över detta intervall kommer att resultera i den progressiva termokemiska omvandlingen av amorft kol till turbostratiska grafenark . Konduktiviteten för biokol ökar också med produktionstemperaturen. Viktigt för kolavskiljning, aromaticitet och inneboende motstridighet ökar med temperaturen.

Ansökningar

Kolsänka

Ytterligare information: Pyrogen kolavskiljning och lagring

Förbränning av biomassa och naturlig nedbrytning släpper ut stora mängder koldioxid och metan till jordens atmosfär . Biokolproduktionsprocessen frigör även CO 2 (upp till 50 % av biomassan), men det kvarvarande kolinnehållet blir obestämt stabilt. Kol från biokol finns kvar i marken i århundraden, vilket bromsar tillväxten av växthusgasnivåerna i atmosfären . Samtidigt kan dess närvaro i jorden förbättra vattenkvaliteten , öka markens bördighet , höja jordbrukets produktivitet och minska trycket på gamla skogar .

Biokol kan binda kol i jorden i hundratals till tusentals år, som kol . Tidiga arbeten som föreslog användning av biokol för att avlägsna koldioxid för att skapa en långsiktigt stabil kolsänka publicerades på 2010-talet. Denna teknik förespråkas av forskare inklusive James Hansen och James Lovelock .

En rapport från 2010 uppskattade att hållbar användning av biokol skulle kunna minska de globala nettoutsläppen av koldioxid ( CO
2 ), metan och dikväveoxid med upp till 1,8 miljarder ton koldioxidekvivalenter ( CO
2 e) per år (jämfört med de cirka 50 miljarder ton släpps ut 2021), utan att äventyra livsmedelssäkerheten , livsmiljöerna eller markskyddet . En studie från 2018 tvivlade dock på att tillräckligt med biomassa skulle finnas tillgänglig för att uppnå betydande kolbindning. En granskning från 2021 uppskattade potentiell koldioxidavskiljning från 1,6 till 3,2 miljarder ton per år, och 2023 hade det blivit en lukrativ verksamhet som renoverats med koldioxidkrediter.

År 2021 varierade kostnaden för biokol kring europeiska kolpriser, men var ännu inte inkluderad i EU:s eller Storbritanniens system för handel med utsläppsrätter .

I utvecklingsländer kan biokol som härrör från förbättrade spisar för hemmabruk bidra [ förtydligande behövs ] till lägre koldioxidutsläpp om användningen av original spis avbryts, samtidigt som andra fördelar för hållbar utveckling uppnås.

Jordändring

Biochar in a white tarp
Biokol under förberedelse som jordtillägg

Biokol erbjuder flera markhälsofördelar i nedbrutna tropiska jordar, men är mindre fördelaktigt i tempererade områden. Dess porösa natur är effektiv för att behålla både vatten och vattenlösliga näringsämnen. Markbiolog Elaine Ingham framhöll dess lämplighet som en livsmiljö för nyttiga markmikroorganismer . Hon påpekade att när det laddas i förväg med dessa nyttiga organismer, främjar biokol god jord- och växthälsa.

Biokol minskar urlakning av E-coli genom sandjordar beroende på appliceringsmängd, råmaterial, pyrolystemperatur, markfuktighet , marktextur och bakteriens ytegenskaper.

För växter som kräver högt kaliumklorid och förhöjt pH kan biokol förbättra avkastningen.

Biokol kan förbättra vattenkvaliteten, minska markutsläppen av växthusgaser , minska läckage av näringsämnen , minska markens surhet och minska behovet av bevattning och gödningsmedel . Under vissa omständigheter inducerar biokol växtsystemiska reaktioner på bladsvampsjukdomar och förbättrar växtsvar på sjukdomar orsakade av jordburna patogener.

Biokols effekter är beroende av dess egenskaper såväl som den mängd som appliceras, även om kunskapen om de viktiga mekanismerna och egenskaperna är begränsad. Biokolpåverkan kan bero på regionala förhållanden, inklusive jordtyp, markens tillstånd (utarmad eller frisk), temperatur och luftfuktighet. Måttliga tillsatser av biokol minskar av lustgas ( N
2 O ) med upp till 80 % och eliminerar metanutsläppen , som båda är mer potenta växthusgaser än CO 2 .

Studier rapporterade positiva effekter från biokol på växtodling i nedbrutna och näringsfattiga jordar. Tillämpningen av kompost och biokol under FP7-projektet FERTIPLUS hade positiva effekter på markfuktigheten, grödans produktivitet och kvalitet i flera länder. Biokol kan anpassas med specifika egenskaper för att inrikta sig på distinkta markegenskaper. I colombiansk savannjord minskade biokol urlakning av kritiska näringsämnen, skapade ett högre näringsupptag och gav större tillgång till näringsämnen. Vid 10 % nivåer minskade biokol föroreningsnivåerna i växter med upp till 80 %, samtidigt som klordan- och DDX -halten i växterna minskade med 68 respektive 79 %. Men på grund av sin höga adsorptionsförmåga kan biokol minska pesticidernas effektivitet. Biokol med hög yta kan vara särskilt problematisk.

Biokol kan plöjas ner i jordar på odlingsfält för att öka deras fertilitet och stabilitet och för att binda kol på medellång till lång sikt i dessa jordar. Det har inneburit en anmärkningsvärd förbättring i tropiska jordar som visar positiva effekter för att öka markens bördighet och förbättra sjukdomsresistensen i västeuropeiska jordar. Användningen av biokol som fodertillsats kan vara ett sätt att applicera biokol på betesmarker och för att minska metanutsläppen.

Appliceringsmängder på 2,5–20 ton per hektar (1,0–8,1 t/acre) verkar krävas för att åstadkomma betydande förbättringar av växtavkastningen. Kostnaderna för biokol i utvecklade länder varierar från 300–7 000 USD/ton, i allmänhet opraktiskt för jordbrukaren/trädgårdsodlaren och oöverkomligt för fältgrödor med låg insats. I utvecklingsländer är begränsningarna för biokol från jordbruket mer kopplade till tillgången på biomassa och produktionstiden. En kompromiss är att använda små mängder biokol i billigare biokol-gödselkomplex.

Slash-and-char

Att byta från slash-and-burn till slash-and-char- odling i Brasilien kan minska både avskogningen av Amazonasbassängen och koldioxidutsläppen , samt öka skördarna. Slash-and-burn lämnar bara 3% av kolet från det organiska materialet i jorden. Slash-and-char kan behålla upp till 50 %. Biokol minskar behovet av kvävegödsel och minskar därmed kostnader och utsläpp från konstgödselproduktion och transporter. Dessutom, genom att förbättra jordens bearbetningsförmåga, dess fertilitet och dess produktivitet, kan biokolförbättrade jordar upprätthålla jordbruksproduktionen på obestämd tid, medan slash/burn-jordar snabbt blir uttömda på näringsämnen, vilket tvingar bönder att överge fälten, vilket ger en kontinuerlig slash and burn-cykel . Att använda pyrolys för att producera bioenergi kräver inga infrastrukturförändringar på det sätt som till exempel bearbetning av biomassa för cellulosaetanol gör. Dessutom kan biokol appliceras av de mycket använda maskineriet.

Vattenretention

Biokol är hygroskopiskt på grund av sin porösa struktur och höga specifika yta . Som ett resultat behålls gödningsmedel och andra näringsämnen för växternas bästa.

Lagerfoder

Biokol har använts i djurfoder i århundraden.

Doug Pow, en västaustralisk bonde, undersökte användningen av biokol blandat med melass som lagerfoder . Han hävdade att i idisslare kan biokol hjälpa matsmältningen och minska metanproduktionen . Han använde också dyngbaggar för att arbeta in den resulterande biokol-infunderade dyngan i jorden utan att använda maskiner. Kvävet och kolet i dynga införlivades båda i jorden snarare än att stanna på markytan, vilket minskade produktionen av dikväveoxid och koldioxid . Kvävet och kolet som tillförs markens bördighet. Bevis på gården tyder på att fodret ledde till förbättringar av levande viktökning hos Angus-cross-boskap .

Doug Pow vann Australian Government Innovation in Agriculture Land Management Award vid 2019 Western Australian Landcare Awards för denna innovation. Pows arbete ledde till ytterligare två försök på mjölkboskap, vilket gav minskad lukt och ökad mjölkproduktion.

Betongtillsats

Vanligt Portlandcement (OPC), en väsentlig komponent i betongblandningen, är energi- och utsläppskrävande att producera; Cementproduktion står för cirka 8 % av de globala koldioxidutsläppen. Betongindustrin har alltmer gått över till att använda kompletterande cementbaserade material (SCM), tillsatser som minskar volymen OPC i en blandning samtidigt som betongens egenskaper bibehålls eller förbättras. Biokol har visat sig vara en effektiv SCM, som minskar utsläppen från betongproduktion samtidigt som de erforderliga hållfasthets- och duktilitetsegenskaperna bibehålls.

Studier har funnit att en 1-2 % viktkoncentration av biokol är optimal för användning i betongblandningar, både ur kostnads- och hållfasthetssynpunkt. En 2 viktprocent biokollösning har visat sig öka betongens böjhållfasthet med 15 % i ett trepunktsböjtest utfört efter 7 dagar, jämfört med traditionell OPC-betong. Biokolbetong visar också lovande i hög temperaturbeständighet och minskning av permeabiliteten.

En livscykelbedömning av biokolbetong från vagga till grind visade minskade produktionsutsläpp med högre koncentrationer av biokol, vilket följer med en minskning av OPC. Jämfört med andra SCM från industriella avfallsströmmar (som flygaska och kiselånga ), visade biokol också minskad toxicitet.

Forskning

A hand holding a piece of biochar with a bucket of it in the background
Biokol applicerat på jorden i forskningsförsök i Namibia

Forskning kring aspekter som involverar pyrolys/biokol pågår runt om i världen, men var från och med 2018 fortfarande i sin linda. Från 2005 till 2012 inkluderade 1 038 artiklar ordet "biokol" eller "biokol" i ämnet indexerat i ISI Web of Science . Forskning pågår av Cornell University , University of Edinburgh (som har en dedikerad forskningsenhet), University of Georgia , Agricultural Research Organization (ARO) i Israel, Volcani Center och University of Delaware .

Långtidseffekter av biokol på kolbindning har undersökts med hjälp av jord från åkerfält i Belgien med kolberikade svarta fläckar från före 1870 från kolproduktionshögugnar. Matjord från dessa "svarta fläckar" hade en högre koncentration av organiskt C [3,6 ± 0,9 % organiskt kol (OC)] än närliggande jordar utanför dessa svarta fläckar (2,1 ± 0,2 % OC). Jordarna hade skördats med majs i minst 12 år, vilket gav en kontinuerlig inmatning av C med en C-isotopsignatur (δ13C) −13,1, skild från δ13C för markens organiskt kol (−27,4 ‰) och träkol (−25,7 ‰) samlas in i det omgivande området. Isotopsignaturerna i jorden avslöjade att majs-härledd C-koncentration var signifikant högre i träkolsändrade prover ('svarta fläckar') än i intilliggande oförändrade (0,44% vs. 0,31%; p = 0,02). Matjordar samlades därefter in som en gradient över två "svarta fläckar" tillsammans med motsvarande intilliggande jordar utanför dessa svarta fläckar och markandning , och fysisk jordfraktionering genomfördes. Den totala markandningen (130 dagar) var opåverkad av träkol, men majs-härledd C-andning per enhet majs-härledd OC i jord minskade signifikant ungefär hälften (p < 0,02) med ökande träkol-härledd C i jord. Majshärlett C var proportionellt närvarande mer i skyddade jordaggregat i närvaro av träkol. Den lägre specifika mineraliseringen och ökade C-bindningen av nyare C med träkol tillskrivs en kombination av fysiskt skydd, C-mättnad av mikrobiella samhällen och, potentiellt, något högre årlig primärproduktion. Sammantaget visar denna studie biokolens förmåga att förbättra C-sekvestrering genom minskad C-omsättning.

Biokol binder kol (C) i jordar på grund av dess långa uppehållstid, från år till årtusenden. Dessutom kan biokol främja indirekt C-sekvestrering genom att öka skörden samtidigt som den potentiellt minskar C-mineralisering. Laboratoriestudier har visat effekter av biokol på C-mineralisering med 13
C -signaturer.

Fluorescensanalys av biokol-ändrad jord löst organiskt material avslöjade att biokol-applikation ökade en humusliknande fluorescerande komponent, sannolikt associerad med biokol-kol i lösning. Den kombinerade spektroskopi-mikroskopi-metoden avslöjade ackumuleringen av aromatiskt kol på diskreta fläckar i den fasta fasen av mikroaggregat och dess samlokalisering med lermineraler för jord som modifierats med rårester eller biokol. Samlokaliseringen av aromatisk-C:polysackarider-C reducerades konsekvent vid applicering av biokol. Dessa fynd antydde att minskad C-metabolism är en viktig mekanism för C-stabilisering i biokol-ändrade jordar.

Forskning och praktiska undersökningar av biokols potential för grova jordar i halvtorra och nedbrutna ekosystem pågår. I Namibia är biokol under utforskning som anpassning till klimatförändringarna , vilket stärker lokalsamhällenas motståndskraft mot torka och livsmedelssäkerhet genom lokal produktion och applicering av biokol från riklig inkräktande biomassa .

Under de senaste åren har biokol rönt intresse som avloppsvattenfiltreringsmedium samt för dess adsorberande förmåga för avloppsvattnets föroreningar.

Se även

Källor

  •   Ameloot, N.; Graber, ER; Verheijen, F.; De Neve, S. (2013). "Effekt av jordorganismer på biokols stabilitet i mark: Översyn och forskningsbehov". European Journal of Soil Science . 64 (4): 379–390. doi : 10.1111/ejss.12064 . S2CID 93436461 .
  •   Aysu, Tevfik; Küçük, M. Maşuk (16 december 2013). "Biomass pyrolysis in a fixed-bed reactor: Effekter av pyrolysparametrar på produktutbyten och karakterisering av produkter". Energi . 64 (1): 1002–1025. doi : 10.1016/j.energy.2013.11.053 . ISSN 0360-5442 .
  • Badger, Phillip C.; Fransham, Peter (2006). "Användning av mobila snabbpyrolysanläggningar för att förtäta biomassa och minska kostnaderna för hantering av biomassa—en preliminär bedömning". Biomassa & Bioenergi . 30 (4): 321–325. doi : 10.1016/j.biombioe.2005.07.011 .
  •   Glaser, Bruno; Lehmann, Johannes; Zech, Wolfgang (2002). "Förbättra fysiska och kemiska egenskaper hos starkt väderbitna jordar i tropikerna med träkol – en recension". Jordars biologi och fertilitet . 35 (4): 219–230. doi : 10.1007/s00374-002-0466-4 . S2CID 15437140 .

externa länkar

Scholia har en ämnesprofil för Biochar .


Hämtad från " https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Biochar&oldid=1141536147 "