بررسی اثر نمک‌های فلزی بر برخی خصوصیات بیوچار ساقه پنبه

نوع مقاله : مقاله کامل علمی پژوهشی

نویسندگان

1 گروه مدیریت مرتع، دانشکده مرتع و آبخیزداری، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان

2 دانشیار گروه مدیریت مرتع، دانشکده مرتع و آبخیزداری، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان

3 دانشیار دانشگاه آزاد اسلامی (واحد قوچان)

10.22069/jwsc.2024.21551.3666

چکیده

سابقه و هدف: کاربرد سوخت‌های فسیلی و تغییر کاربری اراضی سبب افزایش فاجعه بار کربن در اتمسفر شده است و کاهش کیفیت خاک، گرمایش جهانی و تغییر اقلیم را بدنبال داشته است. کمبود ماده آلی، شوری و قلیایی بودن خاک، سه محدودیت مهم خاک‌های مراتع قشلاقی ایران است. بیوچار، یک ماده غنی از کربن است که طی فرایند پیرولیز از مواد اولیه حاوی کربن در دمای بالا و شرایط تقریباً بدون اکسیژن تولید می‌شود و به‌منظور بهبود کیفیت خاک، ترسیب کربن و حذف آلاینده‌ها از محیط‌زیست استفاده می‌شود. بیوچار را می‌توان به منظور کاربردهای خاص یا نیل به نتایجی بخصوص، مهندسی طراحی نمود. افزایش درصد کربن پایدار و بهبود خصوصیات فیزیکی- شیمیایی بیوچارهای مهندسی شده می‌تواند نقش مهمی در ترسیب کربن و اصلاح خصوصیات خاک‌های مراتع قشلاقی ایفا نماید.
مواد و روش‌ها: ساقه پنبه پس از شستشو و خشک شدن به قطعات کمتر از ۲ سانتیمتر خرد گردید. آنگاه به مدت ۴ ساعت در محلول با غلظت ۲۰ درصد نمک‎‌های فلزی کلرید کلسیم، کلرید منیزیم و کلرید آهن غوطه ور شده، دوباره خشک گردید. سپس، در کوره الکتریکی و در دماهای ۳۰۰، ۴۰۰، ۵۰۰، ۶۰۰ و۷۰۰ درجه سانتی‌گراد و با زمان ماندگاری دو ساعت، ۲۰ بیوچار شاهد و مهندسی شده از ساقه های پنبه تیمار شده با نمک های فلزی مختلف و تیمار نشده تولید شده، درصد عملکرد، درصد کربن آلی، درصد کربن پایدار، اسیدیته، و هدایت الکتریکی آنها اندازه‌گیری شد و نسبت وزن کربن پایدار به وزن ماده اولیه نیز، محاسبه گردید. تجزیه و تحلیل آماری در نرم افزار SPSS نسخه ۱۶ با استفاده از روش تجزیه واریانس واریانس یک‌طرفه و آزمون توکی انجام شد.
یافته‌ها: با افزایش دمای پیرولیز در تمامی بیوچارها (مهندسی شده و شاهد) روند کاهشی عملکرد مشاهده گردید بطوریکه بیشترین درصد عملکرد آنها در دما پیرولیز ۳۰۰ درجه سانتی‌گراد مشاهده شد. بالاترین درصد عملکرد (۲۰/۵۰ درصد) در بیوچار تیمار شده با کلرید آهن تولید شده در دمای ۳۰۰ درجه سانتی‌گراد بدست آمد. بیشترین میزان کربن آلی (۹۷/۵۰ درصد) و کربن پایدار (۵۷/۹۹ درصد) به ترتیب در بیوچارهای شاهد تولید شده در دمای ۵۰۰ درجه سانتی‌گراد و بیوچار تیمار شده با کلرید آهن تولید شده در دمای ۷۰۰ درجه سانتی‌گراد به دست آمد. بیشترین افزایش در نسبت وزن کربن پایدار به وزن ماده اولیه در بیوچار تیمار شده باکلرید آهن تولید شده در دمای ۳۰۰ درجه سانتی‌گراد مشاهده شد. کمترین و بیشترین قابلیت هدایت الکتریکی (۱/۱ و ۴۳/۷ دسی‌زیمنس یر متر) در بیوچار شاهد تولید شده در دمای ۳۰۰ درجه سانتی‌گراد و بیوچار تیمار شده با کلرید کلسیم تولید شده در دمای ۷۰۰ درجه سانتی‌گراد به دست آمد. بیشترین و کمترین اسیدیته (۸۳/۹ و ۶۰/۵) در بیوچار شاهد تولیدشده در دمای ۷۰۰ درجه سانتی‌گراد و بیوچار تیمار شده با کلرید آهن تولید شده در دمای ۳۰۰ درجه سانتی‌گراد مشاهده شد.
نتیجه‌گیری: با توجه به محدودیت‌های موجود در خاک مراتع قشلاقی ایران و خصوصیات بیوچارهای شاهد و اصلاح شده به همراه انرژی لازم برای تولید آنها، بیوچار تولید شده از ساقه پنبه تیمار شده با نمک کلرید آهن در دما۳۰۰ درجه سانتی‌گراد دارای بیشترین عملکرد و کربن پایدار بالایی بوده، پایین‌ترین اسیدیته و هدایت الکتریکی قابل قبولی دارد. لذا، به منظور استفاده در پروژه‌های ترسیب کربن و بوته کاری در مراتع قشلاقی ایران توصیه می‌شود.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Effects of metal salts on some characteristics of cotton stalk derived biochar

نویسندگان [English]

  • Ebrahim Mahmoudi 1
  • Hamid Niknahad Gharmakher 2
  • susan khosroyar 3
  • Mohamad Rahim Forouzeh 2
1 Department of Rangeland Management, Faculty of Rangeland and Watershed Management, Gorgan University of Agricultural Sciences & Natural Resources, Gorgan, Iran
2 Associate Professor, Department of Rangeland Management, Faculty of Rangeland and Watershed Management, Gorgan University of Agricultural Sciences & Natural Resources, Gorgan, Iran
3 Associated Professor, Islamic Azad University (Ghouchan branch)
چکیده [English]

Background and Objectives: The use of fossil fuels and land use change has caused a catastrophic increase in carbon in the atmosphere, which has led to a decrease in soil quality, global warming, and climate change. The deficiency of organic matter, salinity and alkalinity of the soil are three important limitations of the soils of winter rangelands in Iran. Biochar is a carbon-rich material that is produced during the pyrolysis process from raw materials containing carbon at high temperature and under almost oxygen-free conditions. It is used to improve soil quality, carbon sequestration and remove pollutants from the environment. Biochar can be engineered/designed for specific applications or to achieve specific results. Increasing the percentage of stable carbon and improving the physico-chemical properties of engineered biochars can play an important role in carbon sequestration and improving the properties of winter rangelands soils.
Materials and Methods: After washing and drying, the cotton stalk was cut into pieces of less than 2 cm. Then it was immersed for 4 hours in a solution with a concentration of 20% metal salts of calcium chloride, magnesium chloride and iron chloride, and dried again. Then, in the electric furnace, at various temperatures of 300, 400, 500, 600 and 700 degrees centigrade, within two hours, 20 biochars (control and engineered ) were produced from treated cotton stalks with different metal salts and untreated cotton stalks. Finally, properties of produced biochars including yield percent, organic carbon percentage, stable carbon percentage, acidity and salinity were measured. Statistical analysis was performed in SPSS16 software using one-way analysis of variance and Tukey's test.
Results: The yield of produced biochars (control and engineered) significantly decreased with increasing temperature, so that the highest percentage of their yield was observed at pyrolysis temperatures of 300 °C. The highest percentage of yield (50.20%) was obtained in biochar treated with iron chloride produced at 300°C. The highest organic carbon (50.97%) and stable carbon (99.57%) were obtained in control biochar produced at 500°C and biochar treated with iron chloride produced at 700°C, respectively. The highest increase in the ratio of the weight of stable carbon to the weight of the feed stock was observed in biochar treated with iron chloride produced at 300 °C. The lowest and highest electrical conductivity (1.1 and 7.43 dSm) were obtained in control biochar produced at 300°C and calcium chloride treated biochar produced at 700°C. The highest and lowest acidity (9.83 and 5.60) were observed in control biochar produced at 700°C and iron chloride treated biochar produced at 300°C.
Conclusion: Considering the limitations in the soil of Iran's winter rangelands and the characteristics of control and engineered biochars along with the energy required for their production, Biochar produced from cotton stalks treated with iron chloride salt at 300°C has the highest performance and high stable carbon, the lowest acidity and acceptable electrical conductivity, therefore, it is recommended to use in carbon sequestration and plantation projects in winter rangelands of Iran.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Metal salts
  • biochar
  • cotton stalk
  • carbon sequestration