Біологічні системи: теорія та інновації

Оцінка впливу біовугілля на процес термолізу біомаси рослин, вирощених на рекультивованих землях

М.М. Харитонов, І.І. Клімкіна, Н.В. Мартинова, І.В. Рула
Завантажити статтю
Анотація

Зразки забрудненого важкими металами ґрунту для закладення вегетаційних дослідів з однорічними культурами (кукурудза, сорго цукрове та суданське) були відібрані біля шахт «Павлоградська» та «Благодатна» у вугледобувному регіоні Західного Донбасу. Основу рекультивованих ділянок становив відвал з шахтних порід (ШП) потужністю 8-10 м, перекритий різними шарами чорнозему або червоно-бурої глини шляхом створення двох типів штучних профілів рекультивованих відвалів рекультивації з внесенням 30 см чорнозему (30 см НШЧ +ШП) і 50 см червоно-бурої глини (50см ЧБГ+ ШП). Дослідні зразки ґрунту обробляли 3,0 % (мас./мас.) біовугілля. Метою дослідження було вивчення ефект впливу додавання біовугілля на процес термічної деструкції біомаси суданської трави, кукурудзи та цукрового сорго, вирощених на різних субстратах – складових штучних рекультивованих профілів (верхніх шарах чорноземної маси та червоново-бурої глини). Процес термолізу складових біомаси трьох сільськогосподарських культур вивчали методом термогравіметричного аналізу. Термічна деструкція біомаси трьох досліджуваних видів рослин відбувалася у дві стадії: випаровування води та летких сполук (стадія 1) і розкладання основних компонентів: геміцелюлози, целюлози та лігніну (стадія 2). Перший етап проходив в діапазоні температур 50-180°С. Процес проходив повільно, максимальна швидкість не перевищувала 5-8%/хв, екстремальна точка спостерігалася при температурі 100-110°С. Втрата маси тіла незначна, 4,5–7,5 %. Другу стадію поділено на дві фази: розкладання холоцелюлози з початком розкладання лігніну (фаза 1) і припинення розкладання лігніну та утворення негорючого залишку (фаза 2). Деструкція холоцелюлози відбувалася в інтервалі температур 190-390°С. Через велику кількість геміцелюлози в біомасі досліджуваних рослин її розпад був зміщений в область вищих температур. Тому діапазони руйнування геміцелюлози та целюлози перекривалися, і на кривих ДТГ спостерігалася лише одна крайня точка. Процес протікав на високих швидкостях з піком деструкції в інтервалі температур 280-310°С. Втрата ваги також була найбільш значною і становила від 50 до 55%. Розкладання лігніну відбувалося досить повільно, з одним незначним піком в діапазоні температур 420-440°C. Встановлено втрату ваги 26-30%. На першому етапі процес протікав переважно з теплопоглинанням; реакції другої стадії були екзотермічними з помітними тепловими ефектами в зонах розпаду целюлози та лігніну. Відмінності в теплових характеристиках біомаси сорго цукрового, вирощеної на різних субстратах та з додаванням біовугілля були визначені в процесі термолізу. Руйнування голоцелюлози відбувалося повільніше в біомасі, зібраної з посудини з червоно-бурою глиною, на відміну від лігніну, який розкладався швидше, ніж у досліді де субстратом був насипний шар чорнозему. Частка негорючих залишків була майже в 2 рази меншою. Спостерігалося незначне збільшення швидкості реакції розкладання целюлози (в 1,2 рази) та значне збільшення швидкості реакції руйнування лігніну (у 5 разів). У варіанті з біовугіллям спостерігалося більш повне згоряння біомаси. Швидкість розкладання целюлози у досліді з червоно-бурою глиною стала дещо вищою, хоча розкладання лігніну відбувалося повільніше. Частка негорючих залишків зросла у 1,8 раза. Термічне руйнування біомаси суданської трави на обох субстратах відбувалося подібним чином. Додавання біовугілля не виявило істотних відхилень у термічній поведінці біомаси, вирощеної на чорноземі на відміну від досліду з червоно-бурою глиною, де внесення біовугілля сприяло значному скороченню тривалості термолізу. Перший етап термолізу біомаси кукурудзи був дещо коротшим у досліді з насипним шаром чорнозему порівняно з червоно-бурою глиною і супроводжувався меншою втратою маси. Така ж тенденція спостерігалася при розкладанні холоцелюлози. При цьому деструкція лігніну у варіанті з чорноземом тривала довше, точка екстремуму зміщена в область вищих температур, швидкість процесу була майже вдвічі меншою, ніж у варіанті з глиною, а частка негорючого залишку становила 1,7. разів вище. Більш повне згоряння біомаси кукурудзи спостерігалося також у варіанті з біовугілля

Ключові слова

біовугілля; ґрунт; гірська порода; біомаса;термоліз

ЦИТУВАТИ
Kharytonov, M., Klimkina, I., Martynova, N., & Rula, I. (2023). Assessment of the effect of biochar on the process of thermolisis of biomass of plants grown on reclaimed lands. Biological Systems: Theory and Innovation, 14(1), 83-92. https://doi.org/10.31548/biologiya14(1-2).2023.007
Використані джерела

[1] Bielski, S. (2015). The agricultural production of biomass for energy purposes in Poland. Agriculture & Forestry, 61(1), 153-160. doi: 10.17707/AgricultForest.61.1.20.

[2] Blanco-Canqui, H. (2016). Growing dedicated energy crops on marginal lands and ecosystem services. Soil Science Society of America Journal, 80(4), 845-858.
doi: 10.2136/sssaj2016.03.0080.   

[3] Brown, R.A., Kercher, A.K., Nguyen, T.H., Nagle, D., & Ball, W.P. (2006). Production and characterization of synthetic wood chars for use as surrogates for natural sorbent. Organic Geochemistry, 37(3), 321-333. doi: 10.1016/j.orggeochem.2005.10.008.   

[4] Chaiwong, K., Kiatsiriroat, T., Vorayos, N., & Thararax, C. (2013). Study of bio-oil and bio-char production from algae by slow pyrolysis. Biomass Bioenergy, 56, 600-606.
doi: 10.1016/j.biombioe.2013.05.035.   

[5] Chan, K.Y., van Zwieten, L., Meszaros, I., Downie, A., & Joseph, S. (2008). Using poultry litter biochars as soil amendments. Australian Journal of Soil Research, 46, 437-444.
doi: 10.1071/SR08036.   

[6] Day, D., Evans, R.J., Lee, J.W., & Reicosky, D. (2005).    Economical CO2, SOx, and NOx capture from fossil-fuel utilization with combined renewable hydrogen production and large-scale carbon sequestration. Energy, 30(14), 2558-2579. doi: 10.1016/j.energy.2004.07.016.   

[7] Ren, X., Zhang, P., Zhao, L., Sun, H. (2016). Sorption and degradation of carbaryl in soils amended with biochars: Іnfluence of biochar type and content. Environmental Science and Pollution Research, 23, 2724-2734. Retrieved from https://link.springer.com/article/10.1007/s11356-015-5518-z.

[8] Shih-Hao, J., & Chien-Sheng, W. (2013). Effects of biochar on soil properties and erosion potential in a highly weathered soil. Catena, 110, 225-233.
doi: 10.1016/j.catena.2013.06.021.

[9] Sohi, S.P., Krull, E., Lopez-Capel, E., & Bol, R. (2010). Chapter 2 – a review of biochar and its use and function in soil. In Advances in Agronomy (pp. 47-82). Elsevier: Academic Press. doi: 10.1016/S00652113(10)05002-9.