Para combatir el cambio ambiental global, se ha agregado ampliamente a los suelos agrícolas biochar, una innovación crucial. Se origina en la discusión termoquímica de las acumulaciones naturales en un ambiente con poco oxígeno.
Fuentes de información:Informes de Biotecnología 28 (2020) e00570
Los combustibles fósiles son la principal fuente de energía. Pero debido al efecto del CO2 en el medio ambiente y a los desafíos energéticos 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 biocarbón.
Los residuos de biomasa adecuados para la producción de biocarbón incluyen residuos de cultivos agrícolas y forestales, residuos sólidos urbanos, estiércol alimentario y animal, etc.
El biocarbón derivado de biomasa es una fuente muy rica de carbono producido a partir de biomasa mediante combustión térmica en un ambiente con limitación de oxígeno.
Las propiedades únicas del biocarbón, como su gran superficie específica, alta porosidad, grupos funcionales, alta capacidad de intercambio catiónico y estabilidad, lo hacen adecuado para diversas aplicaciones. Rapidez y facilidad de preparación, carácter ecológico, reutilización y rentabilidad son algunas de las ventajas del biocarbón.
El biocarbón ha atraído la atención de muchos investigadores al establecer su eficacia para eliminar 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 biocarbón.
Las técnicas termoquímicas comúnmente utilizadas para la producción de biocarbón incluyen pirólisis, carbonización hidrotermal, gasificación, carbonización instantánea y torrefacción. Entre todos estos métodos, la pirólisis es el más utilizado para producir biocarbón. Los compuestos orgánicos que se encuentran en la biomasa se descomponen a una temperatura específica en un ambiente con limitación de oxígeno. Los factores que afectan el producto de pirólisis incluyen la temperatura del proceso, el tiempo de residencia, el tipo de biomasa y la velocidad de calentamiento.
Aunque el biocarbón está compuesto enteramente 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 tanto, la aplicación y eficacia del biocarbón en diversos campos dependen del tipo de biomasa utilizada para producir biocarbón. La caracterización del biocarbón 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 llevar a cabo 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 biocarbón y su principal objetivo es diferenciarlo de otras materias orgánicas del suelo. Se pueden identificar diferentes propiedades del biocarbón utilizando las técnicas de caracterización anteriores, por ejemplo: SEM para la morfología del biocarbón, FTIR para determinar grupos funcionales, etc. El mecanismo por el cual el biocarbón absorbe metales pesados tóxicos y otros contaminantes es la adsorción.
La literatura detallada sobre las propiedades del biocarbón y sus técnicas de análisis y cuantificación allanará el camino para el conocimiento sobre la eficacia del biocarbón en diversos sectores. Debido a sus numerosos beneficios y su naturaleza ecológica, el biocarbón 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 biocarbón también se ha utilizado en campos agrícolas para eliminar contaminantes del suelo. Para producir biocarbón se han utilizado muchos residuos agrícolas, como paja de arroz, paja de trigo, residuos de madera, residuos de remolacha azucarera, mazorcas de maíz, etc. Estas biomasas están compuestas principalmente por 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.
Las propiedades fisicoquímicas del biocarbón se pueden mejorar tratándolo con agentes ácidos, alcalinos u oxidantes. La superficie puede modificarse mediante tratamiento ácido.
Las propiedades fisicoquímicas del biocarbón se pueden mejorar tratándolo con agentes ácidos, alcalinos u oxidantes.La superficie puede modificarse mediante tratamiento ácido. Las propiedades fisicoquímicas del biocarbón se pueden mejorar tratándolo con agentes ácidos, alcalinos u oxidantes. La superficie puede modificarse mediante tratamiento ácido.Métodos de producción de biocarbón
El creciente interés en el uso 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 las condiciones del proceso, como la velocidad de calentamiento , la temperatura , el tiempo de residencia , etc. también debe ser óptimo .
Estas condiciones son cruciales porque pueden afectar los estados físicos y químicos del biocarbón durante el proceso de producción. La morfología del biocarbón procedente de biomasa vegetal varía dependiendo de 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 °C continúa con la degradación de la celulosa, la hemicelulosa y la lignina por encima de los 220 °C. Finalmente, se produce una pérdida de peso debido a la quema de residuos de carbón.
Pirólisis _
El proceso de descomposición térmica de materiales orgánicos en un ambiente libre de oxígeno en un rango de temperatura de 250 a 900 °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 los productos como sólido, líquido y gas. Los productos sólidos y líquidos incluyen carbón vegetal y bioaceite, mientras que los productos gaseosos son dióxido de carbono, monóxido de carbono e hidrógeno, así como gas de síntesis (hidrocarburos C 1 -C 2).
Para la producción de biocarbón se utilizan diferentes tipos de reactores, como hornos de paletas, lechos fluidizados burbujeantes, reactores de carro y hornos rotatorios de arena agitada.
La pirólisis se puede clasificar como proceso de pirólisis rápido y lento dependiendo de la velocidad de calentamiento, la temperatura, el tiempo de residencia y la presión.
El rendimiento de biocarbón durante el proceso de pirólisis depende del tipo y naturaleza de la biomasa utilizada.
La temperatura es la condición principal del proceso operativo que determina la efectividad del producto.
Generalmente, el rendimiento de biocarbón disminuye y la producción de gas de síntesis aumenta a medida que aumenta la temperatura durante el proceso de pirólisis .
Pirólisis rápida:
La pirólisis rápida se considera un procedimiento termoquímico directo que puede licuar biomasa sólida en bioaceite líquido con un alto potencial para la aplicación de energía. Las condiciones de pirólisis rápida se describen por:
(i) velocidades de calentamiento rápidas de partículas de biomasa (>100 o C/min),
(ii) acompañado de duraciones cortas de partículas de biomasa y humos de pirólisis (0,5 a 2 s) a altas temperaturas y
(iii) temperaturas moderadas de procesamiento de pirólisis (400-600 o C).
Una característica distintiva clave de la innovación en pirólisis rápida es la necesidad de mantener el tiempo de residencia de los humos en la zona caliente hasta la base, para obtener bioaceite de alta calidad. Esto se puede lograr asegurando una rápida extinción o enfriamiento de los humos.
Pirólisis lenta: En la pirólisis lenta, la velocidad de calentamiento es mucho menor, alrededor de 5 a 7 o C/min y tiene un tiempo de residencia mayor, superior a 1 hora.
La innovación de la pirólisis lenta ofrece un mejor rendimiento de carbono 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 por 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 constituyendo dos reacciones:
1) Por pirólisis lenta, incluida la descomposición de la celulosa con un tiempo de residencia más largo y una velocidad de calentamiento más baja.
2) Por pirólisis rápida, que se produce a una alta velocidad de calentamiento por volatilización rápida que da como resultado el desarrollo de levoglucosano. Además del biocarbón 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 sufrir varias reacciones, como aromatización, condensación y polimerización, para producir nuevamente biocarbón sólido.
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 pasar por 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 β-O-4 de la lignina se rompe, lo que lleva a la producción de radicales libres. Estos radicales libres capturan protones de otras especies, lo que da como resultado la formación de compuestos descompuestos. Los radicales libres viajan a otras moléculas y provocan la propagación en cadena.
Carbonización hidrotermal
La carbonización hidrotermal se considera un método rentable para la producción de biocarbón porque el proceso se puede llevar a cabo a bajas temperaturas, entre 180 y 250 °C.
El producto que utiliza el proceso hidrotermal se denomina hidrocarbón para diferenciarlo 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 aumenta lentamente para mantener la estabilidad. A diferentes temperaturas, se producen los siguientes productos: biocarbón a una temperatura inferior a 250°C llamado carbonización hidrotermal, bioaceite entre 250 y 400°C llamado licuefacción hidrotermal y productos de gas sintético como CO, CO2, H2 y CH4 . a una temperatura superior a 400 o C se denomina gasificación hidrotermal. El producto hidrolizado sufre 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 con una reacción de desalquilación e hidrólisis produciendo productos fenólicos como fenoles, catecoles, siringoles, etc. Finalmente, el carbón se produce mediante repolimerización y reticulación de productos intermedios. Los componentes de la lignina que no se disuelven en la fase líquida se transforman en un hidrocarburo similar a una reacción de pirólisis.
Gasificación _ _
La gasificación es un método termoquímico de descomposición de 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 descomposición, gasificación como oxígeno, aire, vapor, etc y a alta temperatura. . Cabe señalar que la temperatura de reacción es el factor más importante para determinar la producción de gas de síntesis. Se encontró 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 los carbones se consideran el subproducto menos eficiente.
El mecanismo de gasificación se puede subdividir en varias etapas de la siguiente manera:
El secado
Durante este proceso, la humedad de la biomasa se evapora completamente sin recuperación de energía. El contenido de humedad varía entre los diferentes materiales de biomasa. El secado se utiliza como un proceso separado durante el proceso de gasificación cuando la biomasa contiene un alto contenido de humedad.
Oxidación/Combustión
Las reacciones de oxidación y combustión de los agentes de gasificación son las principales fuentes de energía del 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. Utiliza una velocidad de calentamiento baja, llamada pirólisis suave.
El oxígeno, la humedad y el dióxido de carbono presentes en la biomasa se eliminan mediante aire atmosférico inerte en ausencia de oxígeno a una temperatura de 300 o C mediante diversos procesos de descomposición.
El proceso de torrefacción cambia las propiedades de la biomasa como el tamaño de las partículas, el contenido de humedad, la superficie, la velocidad de calentamiento, la densidad de energía, etc. El proceso de tostado se puede realizar
(a) Tostación al vapor: En este proceso, la biomasa se trata con vapor a una temperatura que no excede los 260°C y un tiempo de residencia de aproximadamente 10 minutos.
(b) Tostación húmeda: también llamada carbonización hidrotermal, se produce con el contacto de la biomasa con agua a una temperatura de 180 a 260 °C y un tiempo de residencia de 5 a 240 min.
(c) Tostación oxidativa: este proceso se lleva a cabo tratando la biomasa con agentes oxidantes como gases que se utilizan en 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 tiene lugar bajo 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 la ausencia de oxígeno. .
El proceso de tostado en seco se puede clasificar en diferentes fases como calentamiento, secado, tostado y enfriamiento. Nuevamente, el secado se puede clasificar en procesos 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 se evapora por completo el contenido de humedad presente en la biomasa.
post-secado
La temperatura sube a 200°C y el agua contenida se evapora por completo. El contenido de masa se pierde debido al aumento de temperatura.
Asado
Este proceso es el paso principal de todo el proceso de tostado. Se realiza a 200°C y se obtiene una temperatura estable durante el proceso.
Enfriamiento
Una vez formado el producto, se deja enfriar antes de que entre en contacto con el aire y se obtiene la temperatura ambiente. El fuego repentino se enciende en el lecho lleno de biomasa a alta presión y la biomasa se convierte en productos de fase sólida y fase gaseosa. Todo el proceso se lleva a cabo a una temperatura de 300 a 600 °C y un tiempo de reacción inferior a 30 min. Aproximadamente el 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. Factores como materias primas, temperatura, tamaño de partícula, 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. Biomasas diversas de diferentes procedencias como materiales vegetales, residuos agrícolas, biomasa procedente de madera, residuos sólidos, etc. se han utilizado para producir biocarbón.
La pirólisis es un método comúnmente utilizado para la producción de biocarbón, que normalmente se lleva a cabo entre 400 y 1000 °C. Los residuos sólidos y los desechos animales producen más biocarbón en comparación con otros materiales de biomasa como la biomasa leñosa, los residuos agrícolas, etc.
Materias primas
La biomasa se considera un material sólido complejo, compuesto por materiales biológicos, orgánicos o inorgánicos derivados 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 de árboles y residuos forestales. Los atributos de la biomasa leñosa son baja humedad, pocos desechos, menos huecos, alta densidad y poder calorífico. La biomasa no leñosa incluye desechos animales, residuos sólidos industriales y agrícolas. Los atributos de la biomasa no leñosa son alto contenido de desechos, alta humedad, altos vacíos, baja densidad y poder calorífico. Entre los diferentes atributos de la materia prima de biomasa, el contenido de humedad tiene un impacto significativo en la formación de biomasa.
La humedad de la biomasa puede existir en diferentes formas, como agua líquida, vapor de agua y ser adsorbida en los poros de la biomasa. Un mayor contenido de humedad en la biomasa inhibe principalmente 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 requerido para el proceso de pirólisis, lo que hace que la formación de biocarbón sea económicamente viable en comparación con la biomasa con un alto contenido de humedad.
Temperatura de carbonización
La pirólisis es el método más conocido para intercambiar biomasas en biocarbón a través de un proceso de desintegración termoquímica en un ambiente de temperatura elevada y privado de oxígeno. Dependiendo de las condiciones, los ciclos de pirólisis se pueden agrupar en tres clasificaciones básicas: (i) pirólisis lenta (temperaturas <300 °C), (ii) pirólisis moderada (temperaturas de 300 a 500 °C) y (iii) pirólisis rápida (temperaturas superiores a 500 ºC). La temperatura de pirólisis influye en las propiedades fisicoquímicas y la estructura del biocarbón, por ejemplo, componentes elementales, estructura de poros, área superficial y grupos funcionales. El impacto de la temperatura de pirólisis sobre estas propiedades se puede atribuir a la entrada de sustancias volátiles a altas temperaturas.
Tiempo de residencia La extensión del tiempo de residencia a baja temperatura de pirólisis (300 o C) condujo a una lenta disminución en el rendimiento del biocarbón y a una expansión reformativa del pH y del número de adsorción de yodo del biocarbón. Sin embargo, aumentar el tiempo de residencia a alta temperatura de pirólisis (600 °C) tuvo poco impacto en el rendimiento o el pH del biocarbón, al tiempo que disminuyó el número de adsorción de yodo del biocarbón.
Pretratamiento de biomasa
El pretratamiento de la biomasa antes de la pirólisis influye en las características del biocarbón.
Los métodos de pretratamiento comunes disponibles implican sumergir las materias primas en una solución y reducir el tamaño de las partículas de biomasa.
La reducción del tamaño de las partículas de la biomasa da como resultado un alto rendimiento de biocarbón. Por ejemplo, la biomasa de madera de pino se pretrató sumergiéndola en una solución ácida diluida. Los métodos de pretratamiento, como el dopaje con nitrógeno y metales, pueden influir en la producción de biocarbón y el pretratamiento en solución, como remojo o cocción al vapor, puede influir en la composición elemental y las propiedades del biocarbón, mientras que el método de cocción puede aumentar el contenido de carbono y reducir el contenido de oxígeno y humedad del biocarbón. biocarbón. Biomasa potencial para la generación de biocarbón, utilizada de forma independiente o en forma de mezclas. Dependiendo de la innovación utilizada, la implementación práctica suele verse limitada 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 diferentes tecnologías de producción y biomasa, las propiedades del biocarbón producido pueden variar mucho. Mientras que los componentes, por ejemplo, hidrógeno (H), O, nitrógeno (N) y azufre (S) se volatilizan durante la pirólisis, minerales, por ejemplo, fósforo (P), K, calcio (Ca), magnesio (Mg) y silicio (Si) permanecen y sus concentraciones aumentan en el biocarbón resultante. La presencia 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 permite 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 según el pH
2) la especiación de los iones contaminantes metálicos varía según el pH. Estas características del biocarbón han demostrado su capacidad para actuar como un adsorbente muy eficaz para eliminar la mayoría de los contaminantes del suelo. Las técnicas de caracterización del biocarbón se basan en la estructura, los grupos funcionales de la superficie y el análisis elemental. Actualmente, se ha informado que muchas técnicas de caracterización modernas caracterizan el biocarbón, como la microscopía electrónica de barrido (SEM), la espectroscopia infrarroja por transformada de Fourier (FTIR), la espectroscopia termogravimétrica (TGA) y 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, la superficie específica y la porosidad, existe el riesgo de reducción de los grupos funcionales del biocarbón. Los grupos funcionales de 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 la 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 poros más pequeños no puede adsorber 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. El área de superficie puede variar entre materias primas tratadas y no tratadas. Comercialmente, el carbón activado tiene una superficie mayor.
El biocarbón producido sin un proceso de activación tiene una superficie específica baja y es menos poroso. Así, durante la producción de biocarbón, interviene un proceso de activación para aumentar la porosidad y la superficie del biocarbón. Tanto el proceso de activación físico como el químico pueden estar involucrados en el proceso de activación.
Estabilidad del biocarbón
La estabilidad o resistencia del biocarbón a la degradación biótica y abiótica del suelo se utilizó para determinar la capacidad de secuestro de carbono del biocarbón. Se han investigado muchos 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 inmediato 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 inmediato requiere altas temperaturas (900 o C para asegurar la presencia de materiales volátiles y 750 o C para la determinación de cenizas) durante un período prolongado; Esto tiene desventajas y puede conducir a una estimación exagerada del carbono al subestimar el contenido de cenizas.
Los métodos para evaluar la estabilidad del biocarbón se pueden dividir en tres clases:
a) calificación o cuantificación directa o indirecta de estructuras de biocarbón C, como la aromaticidad;
(b) cuantificación o calificación de C estable mediante métodos térmicos, químicos o termoquímicos como oxidación química, degradación térmica, etc. Y
(c) incubación de biocarbón en el suelo y modelado de mineralización de C.
El último método La incubación y el modelado es una técnica bioquímica para medir la estabilidad del biocarbón y constituye la base de los dos primeros métodos. Los resultados obtenidos con los dos primeros métodos se parecen a los resultados de estabilidad indirecta que se correlacionan 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 las estructuras de C estable. Por tanto, la estructura C es el elemento determinante para evaluar la estabilidad del biocarbón. Los principales indicadores de las estructuras del biocarbón C son la condensación aromática y la aromaticidad. El biocarbón con un alto grado de condensación aromática y aromaticidad resiste la degradación termoquímica y biológica y, por lo tanto, exhibe una alta estabilidad. La composición elemental del biocarbón representa enlaces CC 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 da valores de longevidad que se mantienen en condiciones de incubación. Estos valores se basan en el modelado de datos. La estabilidad ideal del biocarbón se puede adquirir incubando el 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 calcular el valor de longevidad es imposible.
Sin embargo, este proceso de incubación y modelado es costoso y requiere mucho tiempo. El uso 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 del COS. La evaluación de la estabilidad termoquímica a la oxidación 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 su aplicación para la mitigación del cambio climático.
Biocarbón y medio ambiente
Aunque el biocarbón se utiliza para diversos fines, es necesario analizar adecuadamente su influencia en el medio ambiente para evitar sus impactos negativos. El factor principal en el que hay que centrarse al realizar la solicitud previa es la estabilidad.
El biocarbón constituye la estructura del carbono. Por tanto, la estabilidad del biocarbón está relacionada 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 por el biocarbón conserva 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 del biocarbón. El biocarbón producido a partir de lodos que contienen metales pesados puede lixiviarse durante el proceso de tratamiento, provocando contaminación por metales pesados.
De manera similar, cuando el biocarbón actúa como catalizador, la estabilidad disminuye gradualmente al reutilizarse el biocarbón varias veces. La inestabilidad del biocarbón también puede deberse a daños estructurales. Por lo tanto, la estabilidad del biocarbón juega un papel importante en las preocupaciones medioambientales. Además, también se debe estudiar la toxicidad del biocarbón para los microbios del suelo antes de su aplicación. Dado que las propiedades fisicoquímicas del biocarbón varían con la biomasa, es importante estudiar en detalle los efectos tóxicos del biocarbón en el medio ambiente. Se puede realizar una prueba de toxicidad diferente con bacterias, algas, peces, etc.
Para combatir el cambio ambiental global, se ha agregado ampliamente a los suelos agrícolas biocarbón, una innovación crucial. Se origina en la discusión termoquímica de las acumulaciones naturales en un ambiente con poco oxígeno.
Se ha demostrado que la expansión del biocarbón altera la porosidad del suelo, el contenido de humedad, el pH y el tamaño de los depósitos lábiles de C y N, lo que tendría un impacto notable en las emisiones de CO2 del suelo. Las alteraciones del biocarbón en suelos agrícolas pueden ser un instrumento potencial para mitigar los cambios ambientales, con menores emisiones de CO2 y mayor producción de desechos secos.
Aplicaciones del biocarbón
El hecho de que sea ecológico, económico y fácil de preparar a partir de diversas biomasas utilizando técnicas termoquímicas para satisfacer amplias aplicaciones ambientales hace que el biocarbón sea un área de intenso 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 por pirólisis a alta temperatura tiene una mayor eficiencia de eliminación de contaminantes orgánicos debido a sus propiedades enriquecidas como porosidad, área de superficie, pH, menor contenido de carbono disuelto y naturaleza hidrofóbica.
Asimismo, el biocarbón producido a bajas temperaturas tiene grupos funcionales que contienen oxígeno, alto contenido de carbono orgánico disuelto y menos poroso, por lo que este tipo de biocarbón son más adecuados para la eliminación de 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 del biocarbón se centran en su uso para eliminar contaminantes orgánicos del suelo y el agua. El biocarbón, cuando se aplica al suelo, absorbe 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., y 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 adsorción de contaminantes orgánicos en el suelo aumentó al aumentar la concentración de biocarbón.
Se minimizó el contenido de pesticidas como el carbofurano debido a la adsorción o degradación del biocarbón cuando aumenta su concentración en el suelo.
La degradación del carbofurano denso en la superficie del biocarbón durante la pirólisis da como resultado la expansión de la porosidad y la adsorción de algunos pesticidas.
El pesticida puede adsorberse en la superficie del biocarbón, debido a la calidad de los grupos funcionales carboxílicos y fenólicos.
También ha disminuido la absorción de pesticidas por las plantas cultivadas en el suelo.
Por lo tanto, la cantidad de biocarbón debe optimizarse en función de 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 por fisisorción (atracción/repulsión electrostática, difusión de poros (enlaces de H e hidrófobos) y quimisorción (interacción electrofílica) en presencia de varios grupos funcionales como OH, COOH, etc. Otros mecanismos de
eliminación incluyen transformación química, separación Los principales factores que afectan las interacciones entre el biocarbón y los contaminantes orgánicos son la temperatura, el pH, el tipo de biomasa y la proporción entre el contaminante y el 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 ha descubierto que el biocarbón derivado de madera dura a alta temperatura de pirólisis disminuye la biodisponibilidad de los pesticidas en el suelo debido a la superficie del biocarbón y su porosidad para adsorber contaminantes orgánicos en comparación con el biocarbón producido a baja temperatura.
La difusión, separación y 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 intacto.
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 suelos no modificados aumentaban la absorción de pesticidas.
La eliminación de contaminantes aumenta al aumentar la concentración de biocarbón. Las propiedades del biocarbón influyen en la sorción de contaminantes orgánicos.
El biocarbón con un tamaño de partícula pequeño tiene una gran superficie y tiene mejores resultados de eliminación. También se encontró que el tiempo de eliminación requerido era 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 sólo ocurre a pH bajo. Se ha demostrado que la adsorción es un mecanismo importante para la eliminación de contaminantes orgánicos cuando se combina con la degradación e inmovilización de contenidos orgánicos. 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 y, por tanto, suponen una grave amenaza para la vida humana y el medio ambiente. Los metales pesados como el cobre, zinc, cadmio, plomo, níquel y mercurio son los más cancerígenos y tóxicos. Estos contaminantes inorgánicos se liberan al medio ambiente ya sea a través de efluentes industriales o aguas residuales municipales.
A diferencia de los contaminantes orgánicos, el biocarbón producido a bajas temperaturas es adecuado para la absorción de contaminantes inorgánicos.
El biocarbón producido a bajas temperaturas tiene muchos grupos funcionales, un alto contenido de carbono orgánico y es poroso. El intercambio iónico es el mecanismo dominante para eliminar contaminantes inorgánicos, particularmente 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 tiene propiedades de inmovilización que permitirán la evaluación de 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 al aumentar el pH del suelo. El suelo modificado con biocarbón tiene más poder para inmovilizar 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 consiste en 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 tiene una fuerte afinidad por 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 eficacia de la 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 superior 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 mayor pH, la solubilidad del metal disminuye, dificultando la movilidad del metal en el suelo. La dosificación de biocarbón también contribuye a la eliminación de metales pesados.
Se puede lograr una mayor eficiencia de eliminación con una mayor dosis de biocarbón, 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 tiene el poder de eliminar los contaminantes disueltos presentes en las aguas subterráneas.
El uranio se puede eliminar eficazmente del agua subterránea utilizando biocarbón.
Muchos factores contribuyen a la eficacia de la eliminación. La dosis de biocarbón es el factor clave. Muchos estudios bibliográficos respaldan que una mayor dosis de biocarbón mejora 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. Existe competencia por los enlaces metálicos entre diferentes metales 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. Muestra la adsorción de contaminantes orgánicos e inorgánicos y su porcentaje de eliminación utilizando diferentes biomasas.
Catalizador
El biocarbón puede actuar como un catalizador que encuentra amplias aplicaciones en diversos campos como la agricultura, el medio ambiente, la energía, etc.
Las propiedades del biocarbón lo convierten en un catalizador potente y 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 muchas aplicaciones, como la producción de biodiesel, la generación de energía, la eliminación de alquitrán, la gestión de residuos, la producción de gas de síntesis y electrodos en pilas de combustible, la producción microbiana, la producción química y la eliminación de contaminantes ambientales.
Producción de energía
Durante el proceso de gasificación de biomasa, la formación de alquitrán es desagradable porque la condensación de alquitrán provoca contaminación y obstrucción de las operaciones posteriores, así como una reducción de la eficiencia energética.
La transformación catalítica del alquitrán tiene 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, influyen en la eliminación del alquitrán.
Por lo tanto, la eficiencia de la eliminación de alquitrán se ve afectada por el tipo de tanque.
La eficiencia de eliminación de alquitrán disminuye al aumentar 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.
Production de biocarburants
El biocombustible es un sustituto perfecto de los productos derivados del petróleo porque es biodegradable, no tóxico, renovable y tiene propiedades comparables a las de los combustibles fósiles.
Los biocombustibles pueden crearse a partir de la transesterificación de aceites vegetales o la esterificación de grasas insaturadas libres (FFA) con alcoholes.
Los catalizadores de biocarbón se utilizan para producir biocombustibles mediante reacciones de transesterificación y esterificación.
Los catalizadores de biocarbón se pueden clasificar en dos tipos: (i) catalizadores ácidos sólidos y (ii) catalizadores alcalinos sólidos.
Los catalizadores de biocarbón funcionalizado con ácido generalmente se organizan sulfonando el biocarbón con SO 3 en forma de vapor o H 2 SO 4 líquido.
Los aceites usados o de mala calidad contienen en su mayoría muchos FFA, lo que probablemente reducirá la velocidad de reacción y el rendimiento del biodiesel. De esta manera, resulta atractiva la mejora de catalizadores capaces de 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 al diésel de petróleo debido a sus ventajas como su naturaleza renovable y su facilidad de almacenamiento. El biodiesel está compuesto por ésteres alquílicos de ácidos grasos producidos por transesterificación o esterificación de grasas animales, aceites vegetales y aceites 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 impulsados por biomasa. El biocarbón funcionalizado con CaO/biocarbón, K2CO o KOH también se ha utilizado como catalizadores para la producción de biocombustibles. Estos catalizadores sencillos mostraron un alto rendimiento de biocombustible y una reutilización decente, lo que los convierte en una opción atractiva a diferencia de los marcos de catalizadores de transesterificación existentes.
El óxido de calcio es un catalizador de uso común debido a su amplia disponibilidad y bajo costo. Pero sus desventajas como la pérdida de actividad y la menor superficie lo hacen inadecuado. Por lo tanto, el catalizador de biocarbón se utiliza preferentemente para la producción de biocombustibles debido a su alta eficiencia, porosidad y menor costo. Se han informado estudios sobre el uso de catalizadores magnéticos 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 capacidad 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 lograr mediante una técnica prometedora llamada proceso de ozonización catalítica (COP).
Se utilizó biocarbón derivado de biomasa que contiene una estructura porosa y grupos funcionales como fenólico e hidroxilo como catalizador de bajo costo para degradar un compuesto orgánico resistente, a saber, el tinte reactivo rojo 198, en el proceso de ozonización catalítica.
Control de contaminantes del aire.
En la literatura se ha informado del uso de biocarbón como catalizador para la reducción catalítica selectiva a bajas temperaturas.
Se han informado estudios sobre biomasa, como lodos de depuradora y paja de arroz, para producir biocarbón y usarse como catalizadores de baja temperatura donde se usa amoníaco como agente reductor.
Los carbones fueron modificados física o químicamente y se determinó su eficiencia de remoción.
La activación química mostró una mayor eficiencia de eliminación que la activación física. Esto indica que las propiedades químicas como los grupos funcionales y los sitios de adsorción son los principales factores que permiten una mayor eliminación.
El sulfato y los radicales libres se liberaron mediante catálisis de biocarbón.
La superficie del biocarbón clarifica el oxígeno, 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 dispositivos eléctricos y electrónicos por parte de los consumidores.
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 potencia, alta energía y 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 específica y una estructura porosa que proporcionan 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 y, por tanto, su uso es limitado. Debido a este inconveniente, la aplicación del biocarbón como electrodo está ganando interés.
Al igual que el material carbonoso, el biocarbón también tiene una mayor superficie, más poroso y menos costoso. El biocarbón puede actuar como electrodo para pilas de combustible microbianas y supercondensadores.
Acondicionamiento del suelo
Un sistema de gestión de campos agrícolas defectuoso ha provocado una mayor emisión de cantidades de CO 2 y una mayor degradación de los compuestos orgánicos del suelo. Se han realizado muchas investigaciones para aumentar el contenido de carbono orgánico del suelo mediante la incorporación de biomasa en cultivos y desechos animales. L’application de biochar dans le sol a non seulement aidé à isoler le carbone du sol, mais a également amélioré la qualité du sol en neutralisant le pH du sol, en augmentant la capacité d’échange cationique du sol et en renforçant la croissance microbienne 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 los iones H + y neutralizan el pH del suelo.
Por lo tanto, existe un mayor interés en la aplicación del biocarbón en la remediación de suelos en campos agrícolas 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 mitigando la lixiviación de nutrientes.
Además, el uso 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 del suelo.
La fracción porosa del suelo aumenta cuando se utiliza biocarbón como enmienda del suelo.
El crecimiento microbiano se produce en la fracción porosa, aumentando 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 altas temperaturas es difícil de degradar y, por lo tanto, está presente en el suelo durante más tiempo que el biocarbón producido a bajas temperaturas. 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 de efecto invernadero. La combustión directa de biomasa libera carbono en forma de CO 2 al medio ambiente. Este carbono se puede convertir en biocarbón mediante un proceso de gasificación o pirólisis que puede devolverse al suelo.
Secuestro de carbón
El cambio climático está provocando una creciente 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 los suelos.
El biocarbón apenas es resistente a la degradación por microbios debido a la presencia de una estructura aromática. Por lo tanto, el biocarbón muestra un resultado positivo en el secuestro de carbono en el suelo. Se han publicado muchas publicaciones sobre el secuestro de carbono mediante biocarbón. 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 de baja fertilidad que en suelos de alta fertilidad y también en suelos que contenían un alto contenido de carbono, la mineralización de carbono era mayor que en suelos con alta fertilidad y suelos bajos en carbono. suelo.
El contenido de carbono del biocarbón se puede clasificar en dos tipos: carbono responsable y carbono recalcitrante .
Los microbios utilizan fácilmente el carbono responsable durante la aplicación de biocarbón, lo que da como resultado una mayor mineralización de carbono en la etapa inicial. Así, la aplicación de biocarbón restableció la mineralización del carbono.
En revanche,
El carbono recalcitrante permanece presente durante más tiempo en el suelo.
Por lo tanto, la fijación de carbono debida a la aplicación de biocarbón es mayor que el carbono liberado debido a la mineralización responsable de carbono.
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 una alta superficie específica y alta porosidad, propiedades que lo convierten en una alternativa atractiva en el tratamiento de aguas residuales.
El biocarbón se considera un medio eficaz para capturar suplementos de aguas residuales y puede incorporarse al suelo como enmienda.
Se cree que el biocarbón promueve 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, produciendo un efluente limpio y complementando un biocarbón rico.
Existe una tendencia creciente a utilizar materiales carbonizados y biorresiduos crudos en el tratamiento de aguas residuales. Muchos investigadores han realizado un metaestudio para considerar el uso ecológico y financiero del biocarbón y el carbón activado en la eliminación de contaminantes tóxicos. La revisión reveló que la ejecución de la eliminación de biocarbón fue la del carbón activado. Se demuestra así que, si bien el inmenso territorio del carbón activado favorece la adsorción de toxinas al llenar los poros, existen diferentes elementos, incluidos los grupos funcionales superficiales, que aclaran la ejecución de la eliminación del biocarbón. La creación de carbón activado incluye un alto efecto natural, confirmado por la reducción de las emisiones de gases de efecto invernadero del biocarbón. Asimismo, la producción de carbón activado (97 MJ/kg) requiere una demanda energética sorprendentemente mayor que la del biocarbón (6,1 MJ/kg).
Por lo tanto, el biocarbón podría ser más eficaz que el carbón activado para eliminar contaminantes tóxicos de las aguas residuales, teniendo en cuenta las emisiones de GEI, la demanda de energía y, por tanto, los costes de producción.
Biochar : un enfoque ideal para mejorar la economía circular
Esta revisión se centra en la idea de una bioeconomía circular mediante el uso de biocarbón para brindar una respuesta factible a su convincente administración. Las partículas más grandes de materia orgánica comienzan a descomponerse para producir átomos más pequeños, que se expulsan de la corriente del procedimiento en forma de gases, humos condensables (aceites) y se queman con calor durante el proceso de pirólisis. El alcance de cada resultado final depende de la temperatura, el tiempo, la velocidad y el peso de calentamiento, los tipos de precursores y el diseño y disposición del reactor. Los métodos termoquímicos utilizados para producir biocarbón, especialmente en zonas rurales, mejoran el desarrollo de esa región específica, así como de las pequeñas y medianas empresas que producen suficiente energía, aumentando así los ingresos de los agricultores y proporcionando así soluciones de gestión del biocarbón. sector. A través de esto,
Se necesitan interacciones similares entre diferentes metodologías de producción de biocarbón y reutilización de residuos para desarrollar nuevas oportunidades. Al utilizar los desechos de una industria alimentaria para iluminar los problemas de los contaminantes tóxicos en otra y los subproductos destinados a esparcirse en el suelo, se ha establecido una bioeconomía circular, se han desarrollado nuevos productos y procedimientos y se ha creado potencial para la creación de nuevas empresas. . Debido a su alto contenido de humedad, los elementos importantes se vuelven fluidos y si hay un bajo grado de agua existe un alto riesgo de que el procedimiento produzca una mayor cantidad de residuos que el aceite. De todos modos, a una temperatura más alta, por encima de 800°C, cuando la velocidad de calentamiento es alta, se crea una mayor división de escombros y objetos tenues. El bioaceite se puede distribuir aplicando una temperatura promedio de la carretera utilizando velocidades de calentamiento moderadamente altas. Al inicio del procedimiento, a una temperatura entre 250 y 300°C, los materiales inestables se evacuan casi varias veces más rápido que el avance posterior. Se podrían integrar en la red local metodologías equilibradas entre facilidad de uso, conservación de energía y emisiones limitadas para una producción factible de biocarbón, teniendo en cuenta puntos de vista tanto especializados como financieros, recuperando aún más el biocarbón y el calor producido.
Se pueden lograr los siguientes beneficios ambientales:
- Menos emisiones de gases de efecto invernadero;
- Beneficio económico al reducir el costo en comparación con el desperdicio.
Esta aplicación en la economía circular reduce los residuos a través de diversos procesos y técnicas aumentando así su valor. Abre la puerta al avance de una economía circular (EC) utilizando una combinación inventiva de metodologías y enfoques estratégicos beneficiosos para abordar el uso de desechos, coproductos y subproductos agrícolas. El marco propuesto podría ser una base energética rural gestionable, en redes de cultivo provinciales, coherente con los lineamientos de la economía circular. El marco de la digestión anaeróbica y la gasificación, en el que las granjas proporcionan rendimiento y purines y la industria proporciona residuos de alimentos, puede producir energía y estiércol, que luego podrían ser utilizados por la comunidad vecina, centrándose en cambio en los beneficios sociales de pasar de un sistema lineal a uno lineal. sistema 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 mostraron que el desempeño ambiental de la pirólisis puede variar dependiendo de muchos elementos, incluidos
a) materia prima de biomasa,
(b) proceso de pirólisis,
(c) el rendimiento de coproductos, y
(d) identificación de innovaciones periféricas.
Las diferentes fases del ciclo de vida de la creación de bioaceite mediante pirólisis y producción de bioaceite se han dividido en cinco medidas unitarias:
(i) preparación y secado de materia prima, (ii) reactor de pirólisis, (iii) enfriamiento del condensador, (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, modernizar las operaciones y distribuir razonablemente las cargas ambientales para mejorar las mejoras ecológicas.
Brechas de conocimiento y perspectivas de futuro
El biocarbón se considera un recurso renovable que permite resolver muchos problemas ambientales, como la remediación de contaminantes del suelo y de ambientes acuosos y gaseosos. La activación del biocarbón es otra área específica para ampliar la aplicación del biocarbón para eliminar contaminantes particulares.
Se necesitan más investigaciones para identificar nuevos métodos de activación, así como mecanismos de adsorción y desorción de diversos contaminantes.
Queda por estudiar en detalle el estudio de la población microbiana y su interacción con el biocarbón presente en el suelo.
Es necesario examinar en detalle el crecimiento y desarrollo de microbios en presencia de biocarbón, así como 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 necesitan más investigaciones sobre el análisis de la actividad microbiana durante el proceso de mineralización y 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 material carbonoso sólido en electricidad en una pila de combustible de carbono directo. El problema consiste en examinar el mecanismo de cinética de reacción y oxidación en la interfaz ánodo/electrodo. La interacción del carbono sólido y la interfaz electrolito/electrolito es muy limitada, por lo que esta área requiere más atención. Aunque el biocarbón ofrece grandes beneficios, quedan pocos problemas.
Los compuestos tóxicos como dioxitinas, hidrocarburos clorados e hidrocarburos aromáticos policíclicos pueden estar presentes en el biocarbón dependiendo de la biomasa utilizada para la producción.
El rendimiento del biocarbón utilizado como supercondensadores requiere aún más atención. Para evaluar los beneficios económicos y los impactos ambientales, se debe realizar un análisis del ciclo de vida del biocarbón.
Los métodos de caracterización del biocarbón han progresado gracias al desarrollo de nuevas técnicas. Optimizar las propiedades y la activación del biocarbón es importante para lograr la máxima eficiencia. El uso de nuevas técnicas se ve afectado por la viabilidad económica y la accesibilidad. Dado que el biocarbón se ha convertido en una fuente alternativa, se deben implementar procedimientos de caracterización estándar para comprender mejor las propiedades del biocarbón.
Conclusiones
La producción de biochar revela una amplia variedad de biomasa que se ha utilizado como materia prima y pirolizada mediante diversos procedimientos para combatir la contaminación del agua. Las propiedades del biocarbón resultante están significativamente influenciadas por la temperatura de 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 por el biocarbón se produce principalmente debido a la presencia de grupos funcionales como los grupos hidroxilo y carboxilo en la superficie del biocarbón. Aunque la eficacia del biocarbón depende del tipo de biomasa y de las condiciones de pirólisis, el desarrollo futuro del biocarbón se centra en refinar las propiedades del biocarbón.
Por tanto, el biocarbón parece ser una opción muy prometedora para eliminar contaminantes.
Se deben considerar los impactos económicos y la reciclabilidad al desarrollar biocarbón recuperable para aplicaciones ambientales amplias.
Las relaciones entre las diferentes soluciones de gestión de residuos y producción de energía difieren en los parámetros y las múltiples técnicas de producción, así como en las limitaciones económicas, sociales y ecológicas.</strong
Sin considerar cómo podría utilizarse el método propuesto 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 conseguir una mayor recuperación energética. Este artículo de revisión resumió información de vanguardia que sería útil para encontrar nuevas oportunidades de innovación científica en la investigación del biocarbón.
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