Biochars in the mitigation of greenhouse gases and on phosphorus removal and reuse

Autor: Sarah Vieira Novais
Jazyk: angličtina
Rok vydání: 2018
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Zdroj: Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da USPUniversidade de São PauloUSP.
Druh dokumentu: Doctoral Thesis
Popis: Measures aimed at mitigating environmental impacts, especially the anthropic ones, are being progressively studied. Increasing greenhouse gases (GHG) emissions are among the biggest environmental problems in the world, with agriculture one of the major contributors to this impact. Water eutrophication from land misuse and agricultural systems also fits into such a scenario of concern. Biochar, the product of the pyrolysis of organic materials, appears as a recover of a list of environmental problems, among them the mitigation of GHG and the recovery of eutrophic or wastewater. In this sense, biochars of sugarcane straw (BCS) and poultry manure (BPM) were used in GHG emission tests in soils with contrasting textures. To do so, two pyrolysis temperatures (350 and 650 °C), three doses (12.5, 25 and 50 Mg ha-1), two texture classes (sandy and clayey) and two pH values (original pH and pH 5.5) were used. These same biochars were submitted to doping processes pre-pyrolysis with Mg2+ and post-pyrolysis with Al3+ for the adsorption of phosphorus (P). Desorption and adsorption experiments in competition with other anions by the exchange sites were done. The potential GHG mitigation of both biochars has been proven in the gas emission tests. The increase of the pyrolysis temperature (350 to 650 °C) further increases the gas mitigation, and the acidification of the original pH of the biochar causes a similar effect. The benefits of pyrolyzing such organic materials are best seen in sandy soil, with the production of biochar from these residues being an environmentally safe way of depositing these materials, at least with regard to the emission of GHG. Both biochars do not have P adsorption capacity without passing through chemical modification, and the doping process, with Mg or Al, granted this ability. The pre-doping process with Mg2+ generated a P maximum adsorption capacity (PMAC) of 250.8; 163.6; 17.7; 17.57 mg g-1 for the pyrolyzed BPM at 350 and 650 °C and for the BCS also pyrolysed at 350 and 650 °C, respectively. The post-doping process with Al3+ generated a PMAC of 701.6 and 758.9 mg g-1 for BPM and BCS, both of which were pyrolysed at 350 °C, respectively. The superior PMAC of the Al doped biochars was attributed to the fact that the cation that makes the bridge (Al3+) is trivalent, with high affinity for P. The high adsorption of Al by the biochars corroborates with such a statement. Both biochars, produced by the two doping processes, had a desorption of P around 80 % of the adsorbed value, allowing the inference that these products have the capacity to be used in nutrient reuse, mitigating another environmental problem: the use of the finite reserves of P. With the positive results coming from the pyrolysis of the materials in this thesis, we certify the biochar potential as a GHG mitigator, recovery for waters and a potential slow release fertilizer in P reuse.
Medidas que visam a mitigação de impactos ambientais, especialmente os antrópicos, estão sendo cada vez mais estudadas. A crescente emissão de gases de efeito estufa (GEE) está entre os maiores problemas mundiais, sendo a agricultura um dos grandes contribuintes para este impacto. A eutrofização de águas, ocasionada pelo mau uso do solo e dos sistemas agrícolas, também se encaixa em tal cenário de preocupação. O biocarvão, produto da pirólise de materiais orgânicos, aparece como recuperador de uma lista de problemas ambientais, dentre eles a mitigação de GEE e a recuperação de águas eutrofizadas ou residuárias. Neste sentido, biocarvões de palha de cana-de-açúcar (BPC) e de dejeto de galinha (BDG), foram utilizados em ensaios de emissão de GEE em solos com texturas contrastantes. Para tal, duas temperaturas de pirólise (350 e 650 °C), três doses (12,5; 25 e 50 Mg ha-1), duas classes texturais (arenoso e argiloso) e dois pHs (pH original e pH 5.5), foram utilizados. Estes mesmos biocarvões foram submetidos a processos de dopagem pré-pirólise com Mg2+ e pós-pirólise com Al3+ para a adsorção de fósforo (P). Ensaios de dessorção e de adsorção em competição com outros ânions pelo sítio de troca foram feitos. O potencial mitigador de GEE de ambos os biocarvões foi comprovado nos ensaios de emissão de gases. O aumento da temperatura de pirólise (350 para 650 °C) eleva ainda mais a mitigação dos gases, sendo que a acidificação do pH original do biocarvão causa efeito semelhante. Os benefício de se pirolisar tais materiais orgânicos são melhores vistos no solo arenoso, sendo a produção de biocarvão a partir destes resíduos uma forma ambientalmente segura de deposição destes materiais, ao menos no que se diz respeito a emissão de GEE. Ambos os biocarvões não possuem capacidade de adsorção de P sem passar por modificação química, sendo que o processo de dopagem, seja ele com Mg ou Al, concedeu tal habilidade. O processo de pré-dopagem com Mg2+ gerou uma capacidade máxima de adsorção de P (CMAP) de 250,8; 163,6; 17,7; 17,6 mg g-1 para o BDG pirolisado a 350 e 650 °C e para o BPC também pirolisado a 350 e 650 °C, respectivamente. O processo de dopagem por pós-pirólise com Al3+ gerou uma CMAP de 701,6 e 758,9 mg g-1 para o BDG e BPC, ambos pirolisados a 350 °C, respectivamente. A superior CMAP dos biocarvões dopados com Al foi atribuída ao fato de o cátion que faz a ponte (Al3+) ser trivalente, com elevada afinidade pelo P. A elevada adsorção de Al pelos biocarvões corrobora com tal afirmação. Ambos os biocarvões, produzidos pelos dois processos de dopagem, tiveram uma dessorção de P em torno de 80 % do valor adsorvido, permitindo a inferência de que estes produtos possuem a capacidade de serem utilizados no reuso de nutrientes, mitigando outro problema ambiental: o uso das reservas finitas de P. Com os resultados positivos advindos da pirolisação dos materiais nesta tese, constatamos o potencial do biocarvão como mitigador de GEE e recuperador de águas.
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