Fast and Slow Rates of Naphthalene Sorption to Biochars Produced at Different Temperatures
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This study investigated the sorption kinetics of a model solute (naphthalene) with a series of biochars prepared from a pine wood at 150-700 °C (referred as PW100-PW700) to probe the effect of the degree of carbonization of a biochar. The samples were characterized by the elemental compositions, thermal gravimetric analyses, Fourier transform IR spectroscopy, scanning electron microscopy, Brunauer-Emmett-Teller-N(2) surface areas (SA), and pore size distributions. Naphthalene exhibited a fast rate of sorption to PW150 owning a high oxygen content and a small SA, due supposedly to the solute partition into a swollen well-hydrated uncarbonized organic matter of PW150. The partial removal of polar-group contents in PW250/PW350, which increased the compactness of the partition medium, decreased the diffusion of the solute into the partition phase to result in a slow sorption rate. With PW500 and PW700 displaying low oxygen contents and high SA, the solute sorption rates were fast, attributed to the near exhaustion of a partition phase in the sample and to the fast solute adsorption on the carbonized biochar component. The results illustrate that the sorption rate of a solute with biochars is controlled largely by the solute's diffusivity in the biochar's partition phase, in which the medium compactness affects directly the solute diffusivity.Keywords:
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Abstract To investigate the change in biochar’s ability to directly immobilize Cd in soil ，a successive wheat cultivation with experiment was conducted. Three biochar with different Cd adsorption mechanisms were added into soils and a mesh bag was used to separate the soil particles (> 1 μm) from biochar. The results showed that the ash contents and anionic contents (CO 3 2- and PO 4 3- ) of the biochar decreased with the cultivation time, while the oxygen-containing functional groups content and CEC of the biochar increased. Resultly, the Cd concentration on biochar decreased, highly decreased by 68.9% for WBC300, while unstable Cd species (acid soluble and reducible fraction of Cd) on biochar increased with successive cultivation, increasing from 3% to 17% for WBC300 in FS. Correspondingly, the ability of biochar to inhibit Cd accumulation in wheat decreased. The results of this study illustrated that the ability of biochar to directly immobilize Cd in soil is not permanent, it gradually decreases with aging in soil. The adsorption mechanism of Cd on biochar changed from precipitation to complexation and ion exchange processes could be the main reason.
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우리나라 과수 재배면적은 81천ha으로 단위 면적당 과수전정지 발생량은 1,742 kg 10a-1이며, 연 간 발생량은 1,411천톤으로 농업부산물 중 볏짚 다음으로 많이 발생된다. 이러한 과수전정지 중 잔가지는 파쇄하여 퇴비로 사용하며, 굵은 가지는 땔감으로 사용하거나 또는 과수원 내에 방치하고 있는 실정이다. 이에 과수전정지의 활용도를 높이면서 동시에 농업 및 환경정화제로 이용가능 한 biochar가 대두되기 시작하였다. Biochar는 혐기적 조건에서 열분해를 통해 얻은 숯으로 많은 연구진에 의해 탄소격리, 온실가스 저감, 토양개량제로서 효과 등이 구명되고 있다. 본 연구는 배, 복숭아, 사과 및 단감 재배포장에서 과실의 수확이 끝난 뒤 전정 작업을 통해 수거된 과수전정지 를 전기가열형 biochar 장치에서 열분해 온도 및 시간을 600℃, 6시간으로 조절하여 저속열분해 하였으며, 제조된 biochar의 수율, 무기성분 특성을 조사하였다. 과수전정지 종류별 제조된 biochar 의 수율은 사과나무 (22.46%) > 감나무 (25.25) > 배나무 (20.28%) > 복숭아나무 (18.86%)순으로 사과나무 및 감나무가 가장 높았다. 과수전정지 종류별 biochar의 pH는 원재료에 비해 증가하는 경향이었으며, 배나무, 복숭아나무, 사과나무, 감나무 원재료의 EC는 1.12, 0.95, 0.84, 1.04 dS m-1 인데 비해 열분해 후 EC는 14.7, 26.2, 12.8, 17.5 dS m-1로 급격히 증가하는 경향이었다. 과수전 정지 종류별 biochar의 T-N 함량은 원시료에 비해 증가하는 경향이었고, 과수전정지 종류별로 비 교했을 때 배나무가 1.47%로 가장 높았으며, 사과나무가 0.49%로 가장 낮은 함량을 보였다. 과수 전정지 종류별 T-P 함량은 별 다른 차이 없이 1.25-1.74% 범위였다. 과수전정지 종류별 biochar의 K의 함량은 원시료 0.13-0.35% 범위에서 열분해 후에는 0.93-1.25%의 범위로 증가하는 경향이었으며, Ca의 함량도 K와 동일한 경향이었으며, 복숭아나무에서 1.41%으로 가장 높았고, 배나무가 0.91로 가장 낮았다. 과수 전정지 종류별 Mg의 함량은 사과나무에서 2,011 mg kg-1이었으며, 사과 나무를 제외한 전정지의 경우는 1,745-1,790 mg kg-1의 범위로 별 차이 없었다. 이상의 결과를 미루어 볼 때, 전기가열식 열분해 과정을 통해 생산된 과수전정지 biochar는 다량의 무기성분 함유하고 있었으며, 특히 농업적으로 이용시 화학비료의 절감 효과를 기대할 수 있을 것이라 판단된다.
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This chapter contains sections titled: Introduction Preparation Methods of Biochar Physico-chemical Characterization of Plant-Based Biochar Biochar for Heavy Metal Removal Biochar for Dye Removal Biochar for Fluoride Removal Biochar for Persistent Organic Pollutant Removal Biochar for Other Pollutant Removal Biochar for Soil Treatment/Improvement Conclusion Acknowledgments
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작물 생육을 위한 토양의 질 평가는 크게 토양의 물리적 특성과 화학적 특성으로 구분할 수 있다. 이에 본 연구는 biochar 시용이 토양환경에 미치는 영향을 조사하기 위해 보릿짚을 이용하여 biochar로 제조하였으며, 전라남도 광양시 광양읍 세풍리에 위치한 배추 재배지에서 진행되었다. 배추 재배는 2015년 8월부터 11월까지 진행되었으며, 토양채취는 배추 이식 후 75일째에 채취하여 입도, pH, EC, O.M, T-N, Avail. P2O5 및 CEC를 조사하였다. 처리조건은 대조구(Cn)와 biochar 처리구(BC), 무기질 비료 처리구(IF), 그리고 biochar와 무기질 비료를 동시에 시용한 처리구 (BC+HIF)를 두었다. Biochar + 무기질 비료 처리구는 무기질 비료의 시용량은 기존시비량 대비절반으로 줄여서 시비하였다. Biochar 시용에 따른 토양의 입도를 분석한 결과 Cn 및 IF 처리구의 경우에는 0.1 mm 미만의 입도가 약 40%를 차지하고 있었으나, biochar를 시용한 처리구에서는 0.1 mm 미만의 입도가 약 29% 정도로 감소하는 결과를 나타내었다. 이로 인해 biochar 시용 처리구의 토양 입도는 0.1-0.5 mm의 입도가 증가되어 토양입단화가 향상되었다. 토양내 pH 및 EC 는 5.36-5.78 및 0.33-0.55 dS m-1 범위로 biochar 시용 처리구에서 약간 증가되는 경향으로 조사되었고, 유기물 함량은 전반적으로 biochar를 시용한 처리구에서 높았으나, 큰 차이는 없었다. 토양의 T-N 및 Avail. P2O5 함량은 각각 1.39-1.68 g kg-1 및 123-142 mg kg-1 범위로 조사되었으며, Cn 처리구를 제외한 나머지 처리구에서 큰 차이 없이 비슷하게 조사되었다. 토양내 CEC는 BC+HIF ≥ BC > IF > Cn 처리구 순으로 biochar 시용 처리구에서 높은 CEC를 나타내었다. 이와 같은 결과는 biochar의 경우 CEC가 높은 특성을 가지고 있어, 토양에 영향을 준 것으로 판단된다. 이사의 결과로 미루어 볼 때 biochar의 시용은 토양의 입단을 형성하고, pH 및 CEC를 증가시켜 작물의 생육에 필요한 환경을 만들어 주는 것으로 판단되어, 토양 비옥도가 낮은 우리나라 농업환경에 효과적일 것으로 판단된다.
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在西南的澳大利亚的土壤高度被捱过并且在为农业生产的营养素缺乏。biochar 的增加作为改进土壤 C 存储，质地和这些土壤的滋养的保留的一个平均数被建议了。在在这个区域的沙的土壤的克莱改正是过去常改进土壤条件的一个管理惯例，包括水抵抗性。在这研究，木质的 biochar (Simcoa biochar ) 用扫描电子被描述显微镜学在前，和四个星期在以后，它被合并到每在泥土内容和有机物不同的四土壤。在在土壤的孵化显示出土壤粒子的附件的不同的度到 biochar 以后，扫描 Simcoa biochar 的电子显微镜学出现在 28 d 以后。另外，三 biochars， Simcoa biochar，激活的 biochar 和 Wundowie biochar 的效果，在土壤上，微生物引起的生物资源 C 和土壤呼吸在一个短期的孵化实验被调查。所有三 biochars 将有更大的潜力增加土壤，这是 hypothesised 在土壤的微生物引起的活动那有的更高的有机物和泥土。在在土壤的 28-d 孵化以后，所有三 biochars 在粘土似的土壤导致了更高微生物引起的生物资源 C，但是在以前这次，不太显著的差别在跟随 biochar 申请的四土壤之中在微生物引起的生物资源 C 被观察。
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Biochar는 산소가 없는 혐기조건에서 유기물질을 열분해하여 얻은 물질로 제조된 biochar는 토양에 투입되어 기후변화를 완화 시킬 수 있는 것으로 알려져 있다. 본 연구는 브로콜리 재배시biochar를 수준별로 토양에 투입한 후 토양으로부터 배출되는 온실가스 발생량을 조사하였다. Biochar제조를 위한 원료는 대나무(B)를 이용하였고, 400℃에서 4시간 동안 열분해하여 biochar를 제조하였다. 제조된 biochar를 무처리구, 비료처리구, biochar 50 kg 10-1 (B50), biochar 100 kg 10a-1 (B100) 및 biochar 200 kg 10a-1 (B200) 처리구로 나누어 브로콜리 재배토양에 투입하여 5일간격으로 총 60일 동안 토양으로부터 발생되는 CH4 및 N2O 발생량을 조사하였고, 이를 이용하여 기본배출계수로 환산하여 브로콜리 생육 60일 동안의 CH4 및 N2O의 총 배출량과 저감효율을 조사하였다. 대나무 biochar의 처리조건에 따른 토양내 CH4의 발생량은 생육 5일째에 무처리구, 비료처리구, B50, B100 및 B200 처리구에서 각각 11.17, 10.58, 9.15, 6.12 및 5.31 mg CH4 m-2 hr-1으로 조사되었고, 이후 재배기간에도 무처리구의 CH4 발생량이 나머지 처리구에 비해 가장 높게 지속되었다. 브로콜리 재배시 N2O 발생량은 비료처리구에서 전 생육기간 동안 가장 높은 N2O 발생량을 보였으며, biochar 투입량이 많을수록 N2O의 발생량이 점점 감소하는 경향이었다. 대나무biochar 시용량에 따른 온실가스의 기본배출계수 및 총 배출량은 CH4의 경우 전반적으로 무처리구에서 가장 높았고, N2O의 경우 비료처리구가 가장 높았다. 대나무 biochar 시용시 온실가스의 저감효율을 평가한 결과, CH4의 경우 무처리구 대비 17~44%의 저감효율을 보였고, 비료처리구 대비 10~39%의 저감효율을 보였으며, N2O의 경우는 비료처리구 대비 9~15%의 저감효율을 보였다.
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作为一种土壤改正， Biochar 在土壤水保留上有重要效果。在这研究， biochars 的 4 种不同类型被用来从 Hebei 省在沙的土壤在水力的性质和水蒸发上调查他们的影响，中国。Biochar 在沙的土壤有强壮的吸收能力。在在沙的土壤的到那的 biochar 的水内容的比率是不到孔的相应比率。因为在沙的土壤和 biochar 之间的不同水力的性质，沙的土壤的浸透的水力的传导性逐渐地与增加的 biochar 增加减少了。有更大的毛孔体积和平均毛孔直径的 biochar 最好浇保留。更多的水在沙的土壤被保留 biochar 什么时候，然而并非什么时候在单个层被增加 biochar 一致地与土壤被混合。增加的 biochar 的粒子尺寸在沙和 biochar 的混合的水力的性质上有重要影响。把 biochar 磨成粉末破坏了毛孔结构，它同时减少了水吸收能力和 biochar 的水力的电导率。为这个原因，把 biochar 粉末加到沙的土壤不减少土壤本身的水蒸发损失。
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농업부산물 중 볏짚은 규산, 칼리 및 질소 등이 함유되어 있어 대부분 퇴비로 제조되어 경지에 환원되고 있지만, 볏짚 외에 대부분의 농업부산물은 그 활용도가 매우 낮은 편으로 이들의 농업적 재활용 방안이 필요한 실정이다. 특히, 농업부산물은 질소, 인 및 칼리 등 비료학적 성분이 풍부하여 농업적 이용가능성이 높을 것으로 판단된다. 본 연구에서는 논, 밭에서 발생되는 다양한 농업부산물을 이용하여 biochar로 제조한 후 각각의 biochar의 비료학적 특성을 평가하였다. Biochar 토양개량제 제조에 사용된 농업부산물은 왕겨(RH), 보릿짚(BS), 고춧대(PS), 옥수수대(CS)를 이용하였으며, 400℃에서 4시간동안 열분해하여 biochar를 제조하였다. 제조된 biochar의 질소 및 칼리 함량은 PS > CS > RH > BS biochar순으로 높았고, 인 함량은 PS > CS > BS > RH biochar 순으로 높게 조사되었다. 농업부산물 biochar 토양개량제의 B, Cu, Fe, Mn, Ni 및 Zn 함량은 토양개량제의 종류에 상관없이 각각 0.1~11.5, 3.7~24.2, 7.6~322, 83.8~1,331, 0.7~3.6 및 63.1~305 mg/kg 범위로 조사되었다. 따라서 농업부산물을 활용하여 제조한 biochar를 토양에 주입한다면 토양개량효과와 함께 질소, 인산, 칼리 및 미량성분을 공급할 수 있어 비료학적 가치가 있을 것으로 판단된다.
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