Využití biouhlí (biocharu) k úpravě půdních vlastností

Úvod

Biouhel, běžně nazývaný anglickým termínem „biochar“, je, stručně řečeno, na uhlík bohatý produkt získaný tepelným rozkladem organického materiálu, například dřevní nebo rostlinné biomasy, ale i hnoje, či digestátu [1], bez přístupu vzduchu, za vysokých teplot.

Termochemický proces rozkladu různých typů organických materiálů se nazývá pyrolýza. Do reaktoru je vkládán vstupní materiál, ten je následně zahříván a rozkládán na menší a jednodušší molekuly plynu, oleje a pevného zbytku - biouhlu. Tyto produkty se dále využívají jako hodnotná biopaliva, přičemž biouhel díky svým specifickým vlastnostem nachází využití jako půdní aditivum.

Využívání zuhelnatělé biomasy pro agronomické účely není záležitostí a trendem posledních desetiletí. Již v roce 1929 John Morley zmiňuje v časopise The National Greenkeeper pozitiva aplikace hnědého uhlí a popisuje následné zlepšení půdní struktury [2]. V šedesátých letech byla pak popsána území v Amazonii, kde spolupůsobení spálené biomasy a dalších organických materiálů vedlo k vytvoření velmi úrodných půd a ty nesou dnes již zažité označení terra preta [3]. V důsledku neustálého zvyšování koncentrace CO₂ v atmosféře se novodobě začalo uvažovat, že aplikací materiálu s vysokým obsahem uhlíku jakým biouhel je, se část uhlíku bude dlouhodobě ukládat v půdě. Američtí vědci ve své studii vypočetli, že by bylo možné pyrolýzou biomasy, kde by se získával plyn a olej pro energetické účely a biouhel by byl použit pro půdní aplikace, dosáhnout sekvestrace až 10 % ročních emisí z fosilních paliv v USA [4].

Příprava biouhlu a jeho vlastnosti

Dle rychlosti ohřevu a finální teploty procesu, rozeznáváme dva základní typy pyrolýzy: rychlou a pomalou. Rychlá pyrolýza se vyznačuje rychlým teplotním nárůstem, krátkou dobou zdržení v reaktoru (v řádech sekund) a vysokou finální teplotou (1200 °C), vzniká při ní vyšší podíl pyrolytického oleje (60 – 75 % hm., biouhlu 15 – 25 % hm.; pyrolýzního plynu 10 – 20 % hm.). Naopak při pomalé pyrolýze je vzrůstající teplota pozvolná a finální teplota se pohybuje do 800 °C, vzniká 30 % hm. oleje, 30 % hm. plynu, a 35 % hm. biouhlu [5]. Vlastnosti, chemické i fyzikální, vzniklých produktů jsou silně ovlivněny vstupním materiálem a zvolenými podmínkami pyrolýzy, zejména finální teplotou procesu, a tak biouhel nelze přesně definovat. Lze zobecnit, že je to materiál, jenž obsahuje až 90 % uhlíku a skládá se z aromatických sloučenin charakterizovaných šesti atomy uhlíku. Toto aromatické uspořádání struktury biouhlu inhibuje rozklad v půdě, protože mikroorganismy takto složité sloučeniny dokážou využít jen s obtížemi [6]. Jako spolehlivým měřítkem udávající rozsah pyrolýzy daného materiálu a také následnou náchylnost biouhlu na oxidativní změny v půdě se ukázaly poměry kyslíku, vodíku a uhlíku (O:H, O:C, C:H). Tyto prvky jsou běžně stanovitelné elementární analýzou. Životnost biouhlu je odhadována na základě poměru kyslíku a uhlíku (0,008) obsaženého v tomto materiálu až na 51000 let [7].

Mikropóry hrají důležitou roli v adsorpci molekul na sorpční povrch biouhlu. Rozmezí objemu mikropórů se pohybuje od 0,2 do 0,5 cm³.g^-1, makropórů od 0,6 do 1,0 cm³.g^-1 [8]. Specifický povrch biouhlu je vyšší než u písčitých půd a je srovnatelný nebo vyšší než u minerálů. Proto přídavek biouhlu do půdy zvyšuje specifický povrch půd [9]. Na základě těchto vlastností bylo následně zjištěno, že biouhel má schopnost zadržovat vodu v půdách [10].

V našem experimentu jsme zjišťovali vlastnosti biouhlu v závislosti na finální teplotě pyrolýzy a původu vstupní biomasy. Pyrolyzována byla sláma pšenice, odkorněné dřevo topolu a celá rostlina kukuřice. Tyto typy biomasy byly pyrolyzovány za 5 různých finálních teplot, při atmosférickém tlaku, době zdržení 30 minut a jako nosný plny byl použit dusík. Bylo zjištěno, že se vzrůstající teplotou se lineárně snižuje výtěžek biouhlu a logaritmicky se zvyšuje hodnota specifického povrchu. Nejvyšší hodnoty specifického povrchu vykazoval biouhel z biomasy dřevní směsi: až 556 m².g^-1. Naopak nejnižší hodnoty byly zjištěny u biouhlu ze slámy pšenice (graf 1.). Naše zjištění odpovídají výsledkům jiných autorů, kteří uvádějí, že specifický povrch biouhlu připraveného ze dřeva je vyšší než u biouhlu z travní biomasy [11].

Specifický povrch se u kukuřice při nejvyšší finální teplotě snížil, jelikož již při této teplotě pravděpodobně došlo k tavení popelovin, v důsledku čehož se velikost povrchu snížila. Výtěžek biouhlu se se vzrůstající teplotou snižoval. Byl vyšší za použití pšeničné slámy a nejnižší byl pozorován u biouhlu ze dřeva.

Další analytické metody, jako je Fourierova transformační spektrometrie (FTIR), X - ray fotoelektronová spektrometrie (XPS) nebo energiově disperzní spektroskopie (EDX), určují specifika povrchu biouhlu a napomáhají odhadnout jeho funkčnosti v půdě. Pomocí FTIR se zjišťují přítomné funkční skupiny na povrchu biouhlu, ty hrají velmi důležitou roli při poutání jak živin, tak rizikových prvků na tento materiál [12].

Biouhel a živiny

Zmíněné vlastnosti předurčují biouhel k zlepšení půdních vlastností a zvýšení úrodnosti půd, a to primárně z hlediska fyzikálních vlastností. Liang a kol. [13] uvádějí, že zvýšený specifický povrch půdy za přítomnosti černého uhlí přispívá k vyšší kationové výměnné kapacitě (KVK), ta omezuje nebezpečí vyplavování živin.

Novak a kol. [14] aplikovali do chudé písčité půdy biouhel připravený za vysokých teplot. Po dvouměsíčním inkubačním experimentu nezjistili zvýšení KVK půdy vlivem přídavku biouhlu, byl však pozorován zvýšený obsah prvků Ca, K a P a vyšší hodnota pH v půdě s přídavkem biouhlu. Autoři uvádějí, že pro zvýšení KVK biouhlu je třeba jeho úprava - oxidace povrchu. Ale jak Gaskin a kol. [15] uvádějí, se zvyšující se pyrolýzní teplotou se snižuje KVK biouhlu, je třeba uvažovat, jak byl biouhel, který chceme do půdy aplikovat, připraven. Nelissen a kol. [16] aplikovali biouhel do půdy a pozorovali výrazné snížení výnosu ředkviček a jarního ječmene v důsledku této aplikace. Snížení výnosu bylo způsobeno snížením obsahu nitrátového dusíku na variantách s biouhlem. Gaskin a kol. [15] ve své studii popisují konzervaci živin v biouhlu a uvádějí, že dusík v něm obsažený je rostlinám nepřístupný, ale živiny, jako vápník, draslík a fosfor, byly slabě kyselými extraktanty uvolnitelné. Příklady obsahu živin ve vybraných typech biouhlu uvádí tabulka I.

Tabulka I. Obsah vybraných prvků v různých typech biouhlu, připraveném při 500°C [15]

Vstupní biomasa	C	N	P	K	S	Ca	Mg
	g.kg-1
Drůbeží trus	392	31	36	59	14	50	13
Arašídové slupky	804	25	2,0	16	0,6	5	3
Štěpka borovice	817	2,2	0,1	1,5	0,1	1,9	0,6

Biouhel obsahuje vysoká množství alkalických kovů (Ca, Mg, K), což přispívá k neutralizaci půdní kyselosti [14]. Všeobecně se udává, že hodnota pH se pohybuje v rozmezí 8,2 - 13.

Další možností využití biouhlu se zabývají Phuong-Thi a kol. [17] a ve své studii popisují směsi biouhlu s kompostem, vermikompostem a hnojem. Zjistili, že přítomnost biouhlu v těchto matricích chrání organickou hmotu před oxidací, a tak mění jejich náchylnost k biodegradaci, a tudíž podporuje sekvestraci uhlíku v těchto matricích.

Biouhel pro remediace

Již v roce 1948 ve své disertační práci zmiňuje Tryon [18] myšlenku, že by hnědé uhlí mělo mít schopnost poutat znečišťující látky v půdě. Především v posledním desetiletí bylo v tomto směru napsáno mnoho publikací. Tabulka II. udává příklady látek, které byly na biouhlí sorbovány.

Tabulka II. Výběr znečišťujících látek, u nichž byla pozorována sorpce na různé typy biouhlu

Látka	Vstupní biomasa pro biochar		citace
Organické polutanty	simazine	tvrdé dřevo	[19]
	atrazine	kravský hnůj	[20]
	naftalen, nitrobenzen	jedlové jehličí	[21]
Rizikové prvky	kadmium	blahovičník, pšenice	[22]
	měď, nikl, olovo	bavlník	[12]

Řada autorů potvrzuje hypotézu omezení mobility rizikových prvků. Například Gomez–Eyles a kol. [23] pozorovali v inkubačním experimentu průkazné snížení přijatelného kadmia a mědi a zvýšení pH po aplikaci biouhlu v průběhu 1 – 2 měsíců.

V našem experimentu byl sledován vliv biouhlu na transport kadmia půdním profilem. Hodnotil se vliv aplikace 5 %, 10 % a 15 % biouhlu do extrémně kontaminované půdy a dopad této aplikace na růst rostlin a transport prvků půdním profilem. Pro sledování těchto parametrů byly použity lyzimetrické nádoby, v nichž byly pěstovány vrby. Každý pátý týden v průběhu vegetace byl odebírán perkolát. Již při třetím odběru se projevil pozitivní vliv biouhlu na imobilizace kadmia. V porovnání s kontrolní variantou, byl zjištěn významně nižší obsah kadmia, ale nebyl zjištěn rozdíl mezi variantami s aplikovaným biouhlem. Dále byla pozorována zvyšující se hodnota pH odebíraného roztoku se vzrůstající dávkou biouhlu.

Graf 3 ukazuje významně vyšší výnos biomasy na variantách, kde byl aplikován biouhel ve srovnání s kontrolou. Mezi variantami s přídavkem biouhlu se neprojevil rozdíl. Na základě našich výsledků můžeme uvést závěrem, že aplikace biouhlu do kontaminované půdy omezila pohyb kadmia, a byl tak podpořen růst pěstovaných vrb.

Další možností využití pyrolýzy ve směru remediací je nakládání s biomasou z fytoextrakčních technologií. Pyrolýzou kontaminované biomasy se zabývali Stals a kol. [24]. Pyrolyzovali kontaminovanou biomasu vrb a zjistili, že při finální teplotě 350 a 450 °C lze získat pyrolýzní olej pro energetické účely s přijatelným obsahem rizikových prvků.

Závěr

Používání biouhlu jako půdního aditiva je velmi atraktivní ve smyslu sekvestrace uhlíku. Ač byl popsán jeho pozitivní vliv na půdní úrodnost, je třeba přesně definovat podmínky přípravy biouhlu a jeho vlastnosti a následně popsat vhodnost tohoto materiálu pro dané typy půd. Využívání biouhlu na kontaminovaných půdách má potenciál, ale platí zde opět potřeba získat přesně definovaný materiál pro konkrétní účely. Při pyrolýze kontaminované biomasy je potřeba dalšího výzkumu následného využití tohoto materiálu buď pro energetické účely, nebo pro účely aplikace do půdy.

Článek vyšel v publikaci kolektivu autorů, „Sborník z 20. mezinárodní konference, Racionální využití hnojiv zaměřené na zdroje živin a využití odpadních látek v zemědělství konané 27. 11. 2014 na ČZU v Praze“, Česká zemědělská univerzita v Praze, Praha, 2014.

Reference

• [1] R. Marchetti and F. Castelli, J. Environ. Qual. 2013, 42 (3), 893.
• [2] J. Morley, The National Greenkeeper 1929, 3, 8.
• [3] W. Sombroek, Centre for Agricultural Publications and Documentation, 1966.
• [4] J. Lehmann et al., Mitig. Adapt. Strategies Glob. Chang. 2006, 11, 403.
• [5] D. Mohan et al., Energy Fuels 2006, 20, 848.
• [6] J. Rosa et al., Soil. Sci. Soc. Am. J. 2007, 72, 258.
• [7] K. A. Spokas, Carbon Manag. 2010, 1(2), 289.
• [8] J. Lehmann et J. Joseph, Biochar for Environmental Management: Science and Technology, Earthscan, London 2009.
• [9] K. Y. Chan et al., Aust. J. Soil Res. 2007, 45, 629.
• [10] B. Glaser et al., Biol. Fert. Soils 2002, 35, 219.
• [11] M. Keiluweit et al., Environ. Sci. Technol.2010, 44 (4), 1247.
• [12] M. Uchimyia et al., Chemosphere 2011, 82, 1438.
• [13] B. Liang et al., Soil. Sci. Soc. Am. J. 2006, 70, 1719.
• [14] J. M. Novak et al., Soil. Sci. 2009, 174, 105.
• [15] J.W. Gaskin et al., Transaction of the ASABE, 2008, 51(6), 2061.
• [16] V. Nelissen et al., Agronomy 2014, 4 (1), 52.
• [17] N. Phuong-Thi et al., Bioresour. Technol. 2013, 148, 401.
• [18] E. H. Tryon, Ecol. Monogr. 1948, 18, 81.
• [19] D. L. Jones et al., Soil Biol. Biochem. 2011, 43, 804.
• [20] X. Cao et al., Environ. Sci. Technol. 2009, 43,3285.
• [21] B. Chen et al., Environ. Sci. Technol. 2008, 42, 5137.
• [22] Z. Zhang et al., J. Soisl Sediments 2012, 13(1),140.
• [23] J. L. Gomez et al. Environ. Pollut. 2011, 159 (2), 616.
• [24] M. Stals et al., J. Anal. Appl. Pyrol. 2010, 89, 22.

Tweet

Bioplynová stanice s kogeneračními jednotkami TEDOM

Olej pro plynové motory – klíčová volba pro kogenerační jednotky

Kam směřuje české odpadové hospodářství z pohledu prevence jejich vzniku?

Jak získat udržitelnou biomasu

Biometan se vyplatí a má budoucnost