Кристаллическая решетка биоугля

Какую пользу биоуголь приносит почве?

Многие преимущества biochar проистекают из его необычной пористой структуры, которая обеспечивает материалу невероятно большую площадь поверхности. Хорошо сделанный biochar может иметь площадь поверхности более 185 квадратных метров на грамм. Для сравнения, часть теннисного корта, используемая для одиночных матчей, имеет площадь 195 квадратных метров.

БОЛЕЕ ПОДРОБНО: ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА БИОЧАР И ДРЕВЕСНОГО УГЛЯ: непрерывная установка карбонизации BIO-KILN.

Biochar состоит из пористой, богатой углеродом основы, которая повышает жизнеспособность почвы за счет:

— Улучшение инфильтрации и удержания воды;

— Предотвращение вымывания питательных веществ из почвы;

— Диверсификация и увеличение числа полезных микроорганизмов почвы

— Снижение кислотности почвы — например, путем удаления нежелательных ионов алюминия, повышая таким образом pH очень кислой почвы.

— Удержание удобрений в почве и адсорбция полезных ионов аммония.

Как правило, большинство сельскохозяйственных предприятий уничтожают не естественным способом большое количество природных отходов, образующихся от опадания листвы и плодов, а также от древесного мусора, который образуется в результате лесозаготовки. И в то же время, современное сельское хозяйство, основанное на химии, значительно сокращает содержание углерода в почве. Азотные удобрения в сочетании с обработкой почвы ускоряют микробное дыхание, сжигают углерод в почве быстрее, чем его заменяют. Из-за утраты своего первоначального запаса органического углерода в почве и удобрений, полученных из органических материалов , почвы стали почти постоянно питаться минеральными питательными веществами и пестицидами для поддержания прежнего уровня урожайности.

Возможно ли, что biochar может заменить часть этого недостающего углерода в почве? Природа производит мегатонны биочар в процессе естественных лесных пожаров в лесах. Прерийные пожары также могут генерировать много биочара. Существует практика запланированных пожаров отдельных лесополос, для получения древесного угля природным образом и увеличения стойкости деревьев к стихийным пожарам.

В целом, biochar может действовать как феноменальный сельскохозяйственный катализатор, работая синергетически с микроорганизмами и другими компонентами почвы, чтобы улучшить плодородие почвы в долгосрочной перспективе. Исследователи сообщили об увеличении урожайности на 30–300%.

Biochar изготавливается путем нагревания биомассы без доступа кислорода. Этот процесс называется пиролизом, который включает сушку биомассы и последующее выделение легковоспламеняющихся паров.

Так чем же объясняется эффективность биочар? Давайте рассмотрим структуру пор biochar под электронным микроскопом.

Получающийся уголь напоминает почерневшую, сжатую версию оригинальной биомассы. Но сейчас в нем очень мало кислорода. Микроскопически он наследует большую часть структуры исходной биомассы. Единственное отличие состоит в том, что он был преобразован из лигнина, целлюлозы и гемицеллюлозы в один из аллотропов углерода. То, что вы найдете, — это коллекция разрозненных графитовых кристаллов на основе углеродных колец гексагональной формы с небольшим количеством оставшегося водорода и кислорода, а также минералов (золы), которые были в исходном сырье. Они очень устойчивы, и микробам требуется много времени, чтобы разрушить их, чем и объясняется долгий срок службы biochar.

Сплавленные углеродные кольца образуют особую связь друг с другом, которая позволяет электронам перемещаться внутри в молекуле, создавая электрические свойства, подобные тем, которые возникают в инженерных углеродных материалах, таких как листы графена и металлические нанотрубки. В зависимости от температуры пиролиза и конечного состояния элементов, biochar может быть изолятором, полупроводником или проводником электричества. Электрические активные конденсированные углеродные кольца являются прекрасной базой для окислительно-восстановительных реакций, которые важны для биохимии почвы, действуя как катализатор. В качестве почвах микроорганизмы используют ароматические вещества как в качестве донора электронов. Biochar помогает бактериям обмениваться электронами между собой, улучшая их эффективность как микробного сообщества.

Благодаря своему порам и электрическам biochar способен как к поглощению, так и к адсорбции. Абсорбция является функцией пор. Большие поры поглощают воду, воздух и растворимые питательные вещества, как обычная губка. Адсорбция зависит от площади поверхности и заряда. Поверхность biochar адсорбционные материалы с помощью электрохимических связей используют как электрическую губку.

Пористость проявляется во многих масштабах: от крупных сосудов и клеточных структур, сохранившихся от исходной биомассы, до нанопор, образованных крошечными молекулярными дислокациями. Количество пористости зависит в основном от исходного материала, размера частиц и самой высокой температуры пиролиза. Температура определяет, сколько летучих компонентов (водород и кислородсодержащие соединения) будет удалено и сколько образуется чистого углеродного графита. Как правило, пористость увеличивается при удалении большего количества летучих веществ. Кроме того, при температурах, приближающихся к 1000 градусам Цельсия, поры начинают разрушаться или таять. По этой причине самая высокая точка температуры пиролиза является ключевой переменной, которую необходимо знать при производстве биочар для конкретной цели. Пористость также будет зависеть от исходного сырья, так как сырье с высоким содержанием золы, например трава, реагирует на нагрев совершенно иначе, чем сырье с низким содержанием золы, такое как древесина или бамбук. Для древесного сырья пористость обычно достигает пика при температуре около 750 градусов C.

И это далеко не всё! При температурах 400-500 градусов, смолы древесины не сгорают, а твердеют и покрывают тонким слоем поры древесного угля. Отвердевшие смолы обладают высочайшей способностью к ионному обмену, т.е. ион какого-либо вещества легко присоединяется и затем прочно удерживается, и не вымывается даже дождями. Но, столь прочно удерживаемое поверхностью угля вещество легко усваивается корнями растений или гифами микоризных грибов. Наверняка вам знаком термин «симбиоз»? Так вот: бактерии, живущие в почве и на корнях растений, выделяют энзимы, способные растворять минералы. Образующиеся при этом ионы захватываются и удерживаются смолой biochar, а растения, по мере надобности, эти ионы с угля «снимают» своими корнями и питаются.

Немалое количество питательных элементов попадает в почву с дождями или водой для полива. Большинство элементов также улавливается и удерживается древесным углём. В результате получается, что почва, с внесённым в нее биочаром, способна прокормить растения сама по себе, без удобрений.

Из вышеописанного выведем, для удобства, уникальные свойства biochar:

Прекрасный запасник макро и микроэлементов, питательных веществ;
Увеличивает пористость земли в тысячи раз;
Ускоряет рост растений;
Увеличивает доступность в почве Ca, Mg, P и K;
Сохраняет влажность почвы;
Стабилизирует почву;
Увеличивает плодородность земли;
Предотвращает слипание земли в комки;
Служит транспортным путём для микоризы и бактерий, ускоряет потребление питательных веществ корнями;
Увеличивает общую биомассу;
Стимулирует фиксацию симбиотического азота в корневой системе.

Как долго может служить biochar?

Biochar способен обеспечить долгосрочную жизнеспособность почвы и оставаться от сотен до тысяч лет. Например, датирование радиоактивного углерода, проведенное на почве terra preta в регионе Амазонки, которое используется и сегодня, показало, что углерод образовался от 500 до 7000 лет до настоящего времени (определено как до 1950 г. н.э.).

Необычайная долговечность biochar проистекает из того факта, что он содержит ароматические углеродные соединения, которые прочно связаны друг с другом и придают исключительную химическую стабильность.