نانوبیوچار- تولید و ویژگی های آن

1- مقدمه

اگرچه سهم هر کدام از عوامل تأثیرگذار بر تغییرات شرایط آب‌و‌هوایی نامشخص است، اما بی‌شک انتشار گازهای گلخانه‌ای یکی از مهم‌ترین آنها به شمار می‌رود. در سال‌های اخیر نیز افزایش فعالیت‌های انسانی موجب تولید و انتشار هرچه‌ بیشتر این قبیل گازها شده است. یکی از راه‌های جذب و جدا کردن کربن، حذف گازهای گلخانه‌ای از خروجی کارخانه‌های صنعتی و ذخیره‌سازی آنها در مخازن امن است. انتشار گاز دی‌اکسید کربن از خاک نیز اثرات نامطلوبی بر چرخه جهانی کربن و اکوسیستم دارد. کربن آلی خاک (SOC) بزرگ‌ترین مخزن کربن محسوب می‌شود و مقدار آن 2 برابر کربن موجود در اتمسفر است. حفظ یا انتشار کربن آلی خاک، یکی از عوامل مهمی است که روی غظت دی‌اکسید کربن اتمسفر تأثیر می‌گذارد. ترسیب کربن (Carbon sequestration) در خاک، فرایند آهسته‌ای است اما یک استراتژی طبیعی مؤثر برای تعدیل غلظت دی‌اکسید کربن در اتمسفر محسوب می‌شود. برآوردها حاکی از آن است که تغییرات اندک در کربن آلی خاک، تأثیرات قابل توجهی روی غلظت دی‌اکسید کربن اتمسفر می‌گذارد؛ به‌طوری‌که تغییرات 5 درصدی در میزان SOC، قابلیت تغییر بیش از 16 درصدی دی‌اکسید کربن اتمسفر را دارد. معمولاً خاک‌های کشاورزی، در اثر کشت و کار و شخم‌زدن‌های غیراصولی، مقدار قابل توجهی از کربن آلی خود را از دست می‌دهند. به همین دلیل، تغییر در روش‌های شخم‌زنی، آیش مناسب، بکارگیری گیاهانی با ریشه‌های عمیق، و ترسیب کربن در خاک می‌تواند میزان کربن آلی خاک را افزایش دهد. در این بین، ترسیب کربن به روش‌های مختلفی انجام می‌شود. جدول 1 چندین مورد از این روش‌ها و مزیت‌ها و محدودیت‌های هرکدام را فهرست کرده است. از بین روش‌های ذکر شده، روشی که کربن تولید شده از آن، اثرات بلند مدتی را از خود به جای گذاشته و پایداری قابل ملاحظه‌ای در برابر عوامل شیمیایی و بیولوژیکی داشته باشد، مناسب‌تر است. بیوچار این ویژگی‌ها را دارد و در اثر استفاده، علاوه بر اینکه مواد آلی خاک، افزایش و انتشار دی‌اکسید کربن از خاک کاهش می‌یابد، با بهبود ویژگی‌های فیزیکی و شیمیایی خاک، میزان رشد و عملکرد محصول افزایش خواهد یافت [1].

جدول 1- روش‌های مختلف ترسیب کرین و افزایش کربن آلی خاک

2- تولید نانو بیوچار

نانوبیوچار یک ماده غنی از کربن است که در طی فرآیند تجزیه حرارتی (Pyrolysis) و در اثر کربونیزه شدن زیست‌توده (Biomass) به‌وجود می‌آید. تفاوت تجزیه حرارتی و احتراق (Combustion)، حضور یا عدم حضور اکسیژن است (شکل 1 را ببینید).

در فرآیند احتراق و در اثر اعمال دما و اکسیژن، زیست‌توده  می‌تواند به گازها و دی‌اکسید کربن، خاکستر ترکیب شده با اکسید‌های فلزی، سیلیکا، و سایر عناصر غیرآلی فرار تبدیل شود. اگر اکسیژن از واکنش حذف شود، تبدیل ترموشیمیایی (Thermochemical) زیست‌توده انجام می‌شود و گاز دی‌اکسید کربن به‌وجود نمی‌آید. در این صورت، کربن به شکل یک ماده جامد ظاهر می‌شود که به آن بیوچار (Biochar) می‌گویند. از دیگر محصولاتی که در فرآیند تجزیه حرارتی تولید می‌شود، می‌توان به سوخت زیستی مایع (Liquid bio-oil) و گازهای قابل احتراق (Syngas) مانند هیدروژن، متان و سایر گازهای هیدروکربنی اشاره کرد. به طور کلی، تجزیه حرارتی به دو حالت سریع و آهسته انجام می‌شود و بستگی به میزان حرارت اعمال شده به زیست‌توده دارد. اگر میزان حرارت اعمال شده کمتر از 100 درجه سانتی‌گراد بر دقیقه باشد، تجزیه حرارتی به صورت آهسته انجام می‌شود و بیوچار و Syngasها، محصولات نهایی واکنش خواهند بود. تجزیه حرارتی سریع معمولاً در حضور حرارت‌های بیش از 1000 درجه سانتی‌گراد بر دقیقه پیش می‌رود و در این حالت، سوخت‌های زیستی نیز تولید می‌شوند [2].

3- ویژگی‌های ساختاری نانوبیوچار   

     
بیوچار از هیدروکربن‌های آروماتیک چندحلقه شکل می‌گیرد و در آن، 6 اتم کربن به شکل حلقوی با یکدیگر پیوند می‌دهند. وجود چنین ساختار آروماتیکی موجب پایداری بیوچار در برابر تغییرات بیولوژیکی و شیمیایی است. بیوچار علاوه بر کربن، از عناصر دیگری مانند هیدروژن و اکسیژن نیز تشکیل می‌شود. بسته به نوع ماده اولیه مورد استفاده برای تولید بیوچار، مواد معدنی مختلفی نظیر نیتروژن، فسفر و گوگرد نیز می‌تواند در آن وجود داشته باشد. این ماده کربنی دارای گروه‌های عاملی فراوانی مانند هیدروکسیل، کتون، استر، آلدهید، آمینو، نیترو و کربوکسیل است. از سوی دیگر، بیوچارها دارای مقادیر قابل توجهی از اسیدهای آلی هیومیک و فولویک هستند. بسته به ترکیب و سطح ناهمگن بیوچارها، این مواد ممکن است ویژگی‌های آب‌دوستی یا آبگریزی از خود نشان دهند و خصوصیات بازی یا اسیدی داشته باشد. به همین دلیل، بیوچارها توانایی ترکیب با مواد آلی و غیرآلی را دارند. در تبدیل زیست‌توده گیاهی به نانوبیوچار، ساختار ذاتی و داخلی (Phytotamy) گیاه حفظ می‌شود و این امر بسیار حائز اهمیت است، زیرا سیستم آوندی گیاهان، نظم خاصی دارد و از دیواره‌های سلولی محکمی تشکیل شده است که بیوچار نهایی آن را به ارث می‌برد (شکل 2 را ببینید).

در نانوبیوچار اندازه تخلخل‌ها به سه دسته تقسیم‌بندی می‌شود: (1) تخلخل‌های ماکرومتری (Macropores) با قطر بیش از 50 نانومتر، (2) تخلخل‌های مزومتری (Mesopores) با قطری بین 2 تا 50 نانومتر، و (3) تخلخل‌های میکرومتری (Micropores) با قطری کمتر از 2 نانومتر. در حالت کلی، تخلخل‌های ماکرومتری نقش انتقال آب و هوا به داخل بیوچار را دارند و می‌توانند به عنوان مکان‌هایی عمل کنند که میکروارگانیسم‌ها با قرار گرفتن در داخل آنها به‌خوبی به فعالیت‌های خود بپردازند و در برابر شرایط نامساعد خود را محافظت کنند. در تخلخل‌های مزومتری و میکرومتری، جذب و واجذب (Adsorption/Desorption) یون‌ها و مولکول‌های آلی و معدنی انجام می‌شود. همین امر موجب می‌شود که ظرفیت بیوچار در نگهداری عناصر غذایی در بسترهای خاکی افزایش یابد. میزان سطح ویژه نانوبیوچار بسیار بیشتر از ذرات رس است (بیش از 1500 متر مربع بر گرم).

ویژگی‌های نانوبیوچار مانند ترکیب عنصری، درصد تخلخل، اندازه ذرات یا منافذ، و وجود هیدروکربن‌های تجزیه‌پذیر، تابع مستقیمی از پارامترهای فرآیند تجزیه حرارتی و نوع زیست‌توده هستند. ساختار تخلخل‌های نانوبیوچار شدیداً به درجه حرارت اعمال شده بستگی دارد. دمای بالا و مدت زمانی که زیست‌توده  تحت تأثیر آن قرار دارد، بسیار مهم است. این فاکتورها تعیین‌کننده مقدار نانوبیوچار تولیدی از زیست توده هستند. اساساً در یک درجه حرارت معین، ترکیبات و اجزای فرار از زیست‌توده خارج می‌شوند و این امر موجب تشکیل منافذ میکرومتخلخل می‌شود. به طور کلی، مجموع سطح ویژه کل و منافذ میکرومتخلخل، با افزایش دما افزایش می‌یابد. حداکثر سطح ویژه در محدوده دمایی 650 تا 850 درجه سانتی‌گراد اتفاق می‌افتد. دلایل متعددی برای این امر ذکر شده است، اما مهم‌ترین آنها، وجود مایعی متشکل از ترکیبات هیدورکربنی، رزین، الکل‌ها و دیگر ترکیبات (Tars) است که در طی فرآیند تولید نانوبیوچار، مانع از تشکیل منافذ میکرومتری می‌شود و با از بین رفتن این ماده در دمای متوسط 750 درجه سانتی‌گراد، منافذ میکرومتری بیشتری ایجاد می‌شود و سطح ویژه به‌طور مؤثرتری افزایش می‌یابد. در نانوبیوچارهای پایه لیگنین، میزان خاکستر (Ash) مواد اولیه روی کربونیزه شدن تأثیر می‌گذارد. با کاهش این میزان خاکستر، نانوبیوچار تولید شده خواص و ویژگی‌های بهتری از خود نشان می‌دهد. وجود ترکیبات لیپیدی، هیومیک اسید، و فولویک اسید منجر به کاهش تخلخل بیوچار می‌شود.

بسته به نوع زیست‌توده اولیه در برخی از نمونه‌ها، ساختار سلولی در اثر اعمال حرارت، ذوب شده و به یک حالت پلاستیکی تبدیل می‌شود. این پدیده می‌تواند مانع از تشکیل منافذ میکرومتری در بیوچارها شود. البته نرخ افزایش درجه حرارت نیز بر ذوب شدن ساختار سلولی تأثیرگذار است. بررسی‌ها روی چوب درخت کاج نشان می‌دهند که اگر میزان افزایش درجه حرارت، 20 درجه سانتی‌گراد بر ثانیه باشد، نانوبیوچاری با ساختار مناسب شکل می‌گیرد، اما اگر این افزایش دما به سرعت و با نرخ گرمایشی 500 درجه سانتی‌گراد بر ثانیه انجام شود، ساختار سلولی ذوب می‌شود و منافذ میکرومتری قادر به شکل‌گیری نخواهند بود. یک سری فرآیندهای فیزیکی و شیمیایی نیز موجب افزایش سطح ویژه نانوبیوچار می‌شود که در اصطلاح، به آنها، «فعال‌سازی بیوچار» می‌گویند. روش‌های فعال‌سازی فیزیکی شامل استفاده از گازهای اکسیدکننده مانند بخار معمولی، دی‌اکسید کربن یا اکسیژن است که بر نانوبیوچار در دماهای بالای 700 تا 1200 درجه سانتی‌گراد اعمال می‌شود. اساس روش فعال‌سازی شیمیایی نیز ترکیب زیست‌توده با اسید‌ها، بازها یا نمک‌ها قبل از کربونیزه شدن است. نانوبیوچاری که به صورت شیمیایی فعال می‌شود نسبت به فرآیندهای فیزیکی، در دماهای پایین‌تری کربونیزه می‌شود، اما میزان سطح ویژه ایجاد شده در اثر هر دوی این فرایندها تقریباً مشابه است [2و3].

4- اثر نانوبیوچار بر میزان کربن آلی خاک

همان‌طور که اشاره شد، کربن آلی خاک (SOC) به مرور زمان تجزیه می‌شود و به صورت گاز دی‌اکسید کربن به اتمسفر انتشار می‌یابد. بر اساس نتایج به دست آمده، اضافه کردن نانوبیوچار به خاک به میزان قابل‌توجهی کربن آلی خاک را افزایش می‌دهد. برای نمونه، با افزودن 8 درصد نانوبیوچار به خاک، میزان کربن آلی آن حدود 41 درصد افزایش می‌یابد و پس از گذشت 210 روز، از نانوبیوچار افزوده شده به خاک کاسته نمی‌شود. بر اساس نتایج، این فرضیه به اثبات می‌رسد که نانوبیوچار موجب افزایش پایداری کربن آلی خاک می‌شود و میزان معدنی سازی (Mineralization) آن را کاهش می‌دهد. پایداری کربن آلی خاک می‌تواند از سه طریق زیر افزایش یابد: (1) تثبیت فیزیکی کربن آلی در اثر تجمع و کلوخه شدن (Aggregation)، (2) ترکیب شدن و پیوستگی کربن آلی با ذرات رس و سیلت خاک (silt یا نوعی خاک ریزدانه) و (3) تثبیت بیوشیمیایی خاک از طریق تشکیل ترکیبات SOC  مقاوم به تجزیه. در بین عوامل ذکر شده، جذب شدن کربن آلی خاک به درون بیوچار، محتمل‌ترین حالت افزایش پایداری SOC است. در اکثر تحقیقات نیز با اضافه کردن بیوچار به خاک، تجزیه SOC کاهش می‌یابد [1].

5- اثر نانوبیوچار بر انتشار دی‌اکسید کربن از خاک

در ابتدا و با افزودن بیوچار به خاک، میزان انتشار دی‌اکسید کربن افزایش می‌یابد. برای مثال، با افزودن 8 درصد بیوچار به خاک، در مدت زمان 20 روز اولیه، میزان انتشار گاز دی‌اکسید کربن در خاک حاوی بیوچار افزایش می‌یابد؛ اما پس از گذشت 120 روز، خروج گاز بسیار کمتر می‌شود. به عبارت دیگر، با افزایش بیوچار خاک در مدت زمان‌های طولانی، میزان انتشار گاز دی‌اکسید کربن کاهش می‌یابد. به طور کلی، انتشار گاز دی‌اکسید کربن از خاک به شرایط خاک، جمعیت میکروبی خاک، و خصوصیات فیزیکی- شیمیایی بیوچار بستگی دارد. البته با افزودن بیوچار به خاک، بخش ناپایدار آن ممکن است موجب تحریک و افزایش رشد میکروارگانیسم‌ها شود. تخلخل‌های ماکرومتری بیوچار، ظرفیت نگهداری رطوبت خاک را افزایش می‌دهند و افزایش رطوبت به معنی کاهش تجزیه شدن SOC است. بنابراین بیوچار به طور غیرمستقیم و با افزایش رطوبت خاک موجب کاهش انتشار گاز دی‌اکسید کربن می‌شود [1].

6- نتیجه‌گیری

افزودن نانوبیوچار به خاک باعث افزایش پایداری کربن آلی خاک در برابر عوامل محیطی و کاهش مینرالیزاسیون آن می‌شود. همین امر موجب می‌شود تا میزان انتشار گاز دی‌اکسید کربن به میزان قابل توجهی کاهش یابد. افزایش کربن آلی نیز اثراتی مانند بهبود ساختمان خاک، افزایش ظرفیت نگهداری آب در خاک، افزایش فعالیت میکروارگانیسم‌ها، و فراهمی زیستی هرچه بیشتر و بهتر عناصر غذایی برای خاک را به همراه دارد. بنابراین هر چه میزان بیوچار خاک افزایش یابد، اثرات مثبت آن در محیط زیست نیز بیشتر و بیشتر خواهد شد.