Πώς να αποκτήσετε μια εικόνα για τη συμπεριφορά ροφητικής ενέργειας Biochar χρησιμοποιώντας στοιχεία σπάνιων γαιών
Το Biochar είναι ένα προϊόν πλούσιο σε άνθρακα που προέρχεται από πυρόλυση βιομάζας. Το Biochar έχει προκαλέσει μεγάλο ενδιαφέρον λόγω των μεγάλων δυνατοτήτων του για (i) βελτίωση της γονιμότητας του εδάφους, (ii) ενίσχυση της δέσμευσης άνθρακα και (iii) ευνοϊκή αποκατάσταση του εδάφους.
Η εφαρμογή του biochar συνεπάγεται κυρίως λειτουργικές ομάδες επιφάνειας, ειδικά για την ακινητοποίηση τοξικών μετάλλων (όχι βαρέων μετάλλων, βλέπε πλαίσιο παρακάτω).
Για παράδειγμα, όπως αναθεωρήθηκε από τους Pourret και Houben (2018), ο βιοξάνθρακας μπορεί να δεσμεύει το αλουμίνιο (Al), κυρίως λόγω της συμπλοκοποίησης του Al με την ομάδα υδροξυλίου και καρβοξυλίου στην επιφάνεια των σωματιδίων βιοκάρβουνου. Ομοίως, ο βιοαπάνθρακας μπορεί να προσροφήσει χαλκό (Cu) και μόλυβδο (Pb), χρησιμοποιώντας τις καρβοξυλικές, υδροξυλικές και φαινολικές λειτουργικές επιφανειακές ομάδες που περιέχουν οξυγόνο. Ως εκ τούτου, είναι απαραίτητο να κατανοήσουμε την επιφανειακή αντιδραστικότητα του biochar στην εφαρμογή του.
Αναλυτικές προσεγγίσεις έχουν χρησιμοποιηθεί συχνά για τον χαρακτηρισμό των λειτουργικών ομάδων βιοαπανθράκων. περιλαμβάνουν Φασματοσκοπία Υπέρυθρου Μετασχηματισμού Fourier (FTIR) ή Φασματοσκοπία Πυρηνικού Μαγνητικού Συντονισμού. Ωστόσο, αυτές οι τεχνικές δεν επιτρέπουν στους επιστήμονες να προσδιορίσουν σε ποιο βαθμό κάθε λειτουργική ομάδα συμβάλλει στη δέσμευση μετάλλων υπό διάφορες συνθήκες. Προηγούμενη έρευνα για το οργανικό υλικό έδειξε ότι η δέσμευση μετάλλων σε καρβοξυλικές και φαινολικές θέσεις εξαρτιόταν σε μεγάλο βαθμό από το pH και την ιοντική ισχύ στην υδατική φάση.
Ο χαρακτηρισμός αυτών των οργανικών υλικών έχει επίσης τονίσει ότι οι καρβοξυλικές ομάδες εμφανίζουν συνήθως θέσεις χαμηλής συγγένειας μετάλλων, ενώ οι φαινολικές ομάδες έχουν εκείνες υψηλής συγγένειας. Η κατανόηση της συμπεριφοράς και της σχετικής συνεισφοράς κάθε τύπου ομάδων (δηλαδή καρβοξυλικών και φαινολικών) στη δέσμευση μετάλλων από βιοαπάνθρακες υπό διάφορες συνθήκες (δηλαδή, pH και ιοντικές ισχύς) είναι επομένως κρίσιμη (i) για να αποκτήσουμε μια εικόνα για τη δέσμευση μετάλλων με το βιοαπάνθρακα και (ii) για την πρόβλεψη της συμπεριφοράς του μετάλλου με το βιοκάρβουνο σε ένα ευρύ φάσμα συνθηκών.
Η ανάλυση της σχετικής κατανομής (στο εξής θα περιγράφεται ως πρότυπο) της προσρόφησης στοιχείων σπάνιων γαιών (REE) από οργανικές ενώσεις έχει γίνει μια αναδυόμενη προσέγγιση για τον χαρακτηρισμό της επιφανειακής αντιδραστικότητας αυτών των οργανικών ουσιών. Σε αυτή τη μελέτη, θεωρούμε μόνο τις δεκατέσσερις σταθερές λανθανίδες (από το La έως το Lu) ως τα στοιχεία σπανίων γαιών που σχηματίζουν μια ομάδα που παρουσιάζουν πολύ παρόμοιες και συνεκτικές χημικές ιδιότητες. Λόγω των ειδικών ιδιοτήτων τους, οι συντελεστές κατανομής REE (που χρησιμοποιούνται για την εκτίμηση της πιθανής ρόφησης διαλυμένου μετάλλου από μια στερεά φάση όπως ο βιοαπάνθρακας) μεταξύ οργανικού υλικού και υδατικών διαλυμάτων είναι εξαιρετικά ευαίσθητοι στην ετερογένεια των θέσεων δέσμευσης (δηλαδή τη φύση της λειτουργικής ομάδας).
Προκύπτουν συγκεκριμένα σχέδια συντελεστών κατανομής, ανάλογα με τον τύπο των κύριων θέσεων δέσμευσης στην επιφάνεια της οργανικής ουσίας. Για παράδειγμα, ένα μοτίβο συντελεστή κατανομής καταγραφής εμφανίζει μια μεσαία προς τα κάτω κοιλότητα REE (MREE) όταν η δέσμευση REE συμβαίνει σε καρβοξυλικές θέσεις. Αντίθετα, η δέσμευση REE σε φαινολικές ομάδες έχει ως αποτέλεσμα ένα μοτίβο συντελεστή κατανομής λογαριασμών που παρουσιάζει κανονική αύξηση από La σε Lu. Αυτά τα αποτελέσματα επιτρέπουν τη χρήση των REE ως ιχνηθέτη για να προσδιοριστεί ποιες από τις καρβοξυλικές, φαινολικές ή χηλικές λειτουργικές ομάδες εμπλέκονται στη δέσμευση μετάλλων με οργανικό υλικό υπό διάφορες περιβαλλοντικές συνθήκες.
Η μελέτη των Pourret και Houben (2018) ανέπτυξε αυτή τη νέα προσέγγιση βασισμένη σε προηγούμενες εργασίες σχετικά με τις αλληλεπιδράσεις REE με την οργανική ύλη για την καλύτερη κατανόηση της φύσης και του ρόλου των θέσεων δέσμευσης μετάλλων στο βιοκάρβουνο υπό διάφορες ισχύς pH και ιοντικών ουσιών.
Η προσρόφηση στοιχείων σπάνιων γαιών σε βιοαπανθράκωμα αναλύθηκε χρησιμοποιώντας πειράματα παρτίδας (από ρΗ 3 έως 9 και IS 10 mol/L έως 10 mol/L). Τα μοτίβα στοιχείων σπανίων γαιών εμφάνισαν μια μεσαία REE (MREE) προς τα κάτω κοιλότητα σε pH κάτω από 5 και ιοντική ισχύ αντιπροσωπευτική των συνθηκών χαμηλής αλατότητας (δηλαδή 10 mol/L). Αυτά τα πρότυπα REE συμφωνούν με τα τρέχοντα σύνολα δεδομένων που ποσοτικοποιούν τη σύνδεση REE με οργανικό υλικό. Σίγουρα, η προς τα κάτω κοιλότητα MREE που παρουσιάζεται από το μοτίβο REE-biochar ταιριάζει με τα πρότυπα REE με διάφορες οργανικές ουσίες (π.χ. χουμικά οξέα, οξικό κ.λπ.).
Χάρη σε τέτοιες ομοιότητες στη σύγκριση σχημάτων μοτίβων, μας βοηθά να τονίσουμε το γεγονός ότι οι καρβοξυλικές ομάδες είναι οι κύριες θέσεις δέσμευσης REE στο βιοαπανθρακικό. Τελικά, η ισχύς συγκόλλησης μετάλλου με το βιοκάρβουνο αυξάνεται όταν το pH και η ιοντική ισχύς αυξάνονται. Υποδηλώνει ότι το biochar είναι πιο αποτελεσματικό για μακροχρόνια ακινητοποίηση μετάλλων σε περιμετρικό ουδέτερο pH και σχετικά υψηλή ιοντική ισχύ. Αυτά τα αποτελέσματα επαληθεύτηκαν περαιτέρω με τη χρήση μοντελοποίησης ειδών και τα συμπεράσματα επιβεβαιώθηκαν.
Σε αντίθεση με τεχνικές όπως το FTIR, που δεν δίνουν λεπτομέρειες σχετικά με τη συμπεριφορά της επιφανειακής αντιδραστικότητας του βιοαπανθρακώματος, η παρούσα συνεισφορά μας που βασίζεται σε προηγούμενες εργασίες για αλληλεπιδράσεις REE-οργανικού υλικού ήταν ο πρώτος που αγωνίστηκε να εξηγήσει τη σχετική κατανομή των θέσεων δέσμευσης μετάλλων στο βιοκάρβουνο υπό διάφορες συνθήκες (π. διάφορα pH και ιοντικές ισχύς). Τα αποτελέσματά μας διευκρινίζουν ότι οι περιβαλλοντικές συνθήκες επηρεάζουν όχι μόνο την ποσότητα του ροφημένου μετάλλου στο βιοκάρβουνο αλλά και τις αντοχές και σταθερότητες δέσμευσης μετάλλου-βιοκάρβουνου. Πιο αναλυτικά, η ισχύς της δέσμευσης του μετάλλου με το βιοκάρβουνο αυξάνεται όταν το pH και η ιοντική ισχύς αυξάνονται. Πράγματι, τέτοια αποτελέσματα έχουν μεγάλη σημασία για τη χρήση του biochar ως ροφητή μετάλλων μακροπρόθεσμα. Η μελέτη μας υπογραμμίζει επίσης τις μεγάλες δυνατότητες των REE ως δακτυλικών αποτυπωμάτων για τον χαρακτηρισμό θέσεων δέσμευσης μετάλλων σε μήτρες ροφήσεως, συμπεριλαμβανομένου του βιοαπανθρακώματος.
Αυτά τα ευρήματα περιγράφονται στο άρθρο με τίτλο Characterization of metal binding sites on biochar using σπάνιων γαιών ως δακτυλικό αποτύπωμα, που δημοσιεύτηκε πρόσφατα στο περιοδικό Heliyon . Αυτή η εργασία διεξήχθη από τους Olivier Pourret και David Houben από το UniLaSalle.
