Visualizzazione multiscala dei cambiamenti strutturali e caratteristici del biochar dei fanghi di depurazione orientata alle potenziali implicazioni agronomiche e ambientali

Rapporti scientifici volume 5, numero articolo: 9406 (2015) Citare questo articolo

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I biochar dei fanghi di depurazione sono stati ottenuti a diverse temperature di pirolisi da 300°C a 900°C e sono state analizzate le loro proprietà su macro e microscala. I nutrienti disponibili nelle piante del biochar e le sostanze simili all'humus nella fase estraibile in acqua e i nutrienti fissi nella frazione solida sono stati valutati per le loro potenziali implicazioni agronomiche. Le tecniche FT-IR, Raman, XRD, XPS e SEM sono state utilizzate per studiare la struttura chimica, i gruppi funzionali e la struttura microcristallina sulla superficie del biochar. I risultati hanno rivelato cambiamenti chimici minori e una drammatica perdita di massa nel biochar ottenuto a 300–500°C, mentre cambiamenti chimici significativi nel biochar sono stati ottenuti a 600–900°C. Le concentrazioni di nutrienti disponibili per le piante e di materiali simili agli acidi fulvici e umici sono diminuite nei campioni di biochar ottenuti a temperature più elevate. Questi risultati implicavano che i campioni di biochar pirolizzati a 300–500°C potessero essere una fonte nutritiva diretta e utilizzati per neutralizzare il terreno alcalino. L’area superficiale e la porosità dei campioni di biochar aumentavano con la temperatura, il che aumentava la loro capacità di adsorbimento. Il riarrangiamento è avvenuto a temperature più elevate, 600–900°C, con il risultato che il biochar è diventato sempre più poliaromatico e il suo carbonio simile alla grafite si è organizzato.

Il biotrattamento delle acque reflue urbane e industriali porta inevitabilmente alla produzione di quantità significative di fanghi. Per il trattamento dei fanghi di depurazione, la pirolisi è un percorso promettente1,2,3. La pirolisi dei fanghi di depurazione è la degradazione termica dei fanghi in assenza di aria o in un'atmosfera povera di ossigeno, trasformando la materia organica dei fanghi in biogas, bioolio e residui di biochar carbonioso. Se confrontato con i fanghi grezzi, il biochar dei fanghi presenta agenti patogeni e odori minimi ed è in grado di concentrare metalli pesanti4 (eccetto mercurio e cadmio). Studi che hanno confrontato il biochar dei fanghi con i fanghi grezzi hanno rivelato che le proprietà del suolo erano migliorate dopo l’applicazione del biochar dei fanghi al suolo come ammendante5,6,7. Pertanto, c’è stato un crescente interesse per l’uso del biochar dei fanghi per l’arricchimento del suolo e il sequestro del carbonio in una forma solida di lunga durata. Le prestazioni agronomiche e l’efficacia del biochar, come i nutrienti disponibili, dipendono essenzialmente dalle sue caratteristiche e le proprietà fisiche e chimiche dei biochar da fanghi sono fortemente influenzate dalle condizioni di pirolisi, prevalentemente dalla temperatura di trattamento più alta (HTT).

Durante il processo di pirolisi, il biochar dei fanghi subisce vari cambiamenti fisici, chimici e molecolari. Alcuni dei cambiamenti documentati includono quelli nella resa, nel contenuto volatile, nel pH, nella conduttività elettrica (EC), nella durezza, nella densità apparente e nella composizione degli elementi che sono correlati ai benefici dei macronutrienti per le applicazioni agricole1,8,9. L’altra parte degli studi, invece, si è concentrata sul comportamento dei metalli pesanti durante la pirolisi a bassa temperatura dei fanghi di depurazione a 500°C4, 300–700°C10, 300–500°C11 e 400–450°C12, che sono legati a la tossicità per l'agro-applicazione. Queste due parti della ricerca sono state raramente messe insieme e hanno bilanciato contemporaneamente i pro e i contro del biochar dei fanghi. Inoltre, le concentrazioni di metalli pesanti potrebbero diminuire a temperature più elevate13. Pertanto, suscita la domanda di ricerca su scenari di temperatura più elevata e il confronto sistematico su un intervallo di temperature più ampio (ad esempio 300–900°C nel presente studio). Nel frattempo, gli studi esistenti su quale temperatura di pirolisi il biochar potrebbe essere molto vantaggioso sono ambigui e inclusivi. Ad esempio, hanno riportato14 che il biochar ottenuto a 600°C era più efficace nel ridurre le emissioni di CO2 dal suolo, rispetto a quello ottenuto a 400°C. Song12, invece, ha dimostrato che l’aglio piantato in terreno modificato con biochar ottenuto a 450°C conteneva il livello più basso di metalli pesanti, se confrontato con quello piantato in terreno modificato con altro biochar ottenuto a 500–550°C. Questa incertezza sull'applicazione del biochar dovrebbe essere attribuita alla descrizione insufficiente del biochar studiato, ovvero sono state registrate solo le caratteristiche su scala macro. Infatti, le proprietà esterne sono determinate essenzialmente dalla struttura intrinseca e dalla composizione dei campioni di biochar. Pertanto, è necessario studiare le proprietà su macro e microscala del biochar finale dei fanghi di depurazione e poi differenziarli sistematicamente per una più facile categorizzazione e per una migliore valutazione della potenziale applicazione agronomica del biochar dei fanghi sulla base dell’indagine di cui sopra.