DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-024-52336-5
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38297102
تاريخ النشر: 2024-02-01
المؤلف: El-Sayed Khater وآخرون
الموضوع الرئيسي: عمليات تحويل الكتلة الحيوية الحرارية الكيميائية
نظرة عامة
تدرس هذه الدراسة الخصائص الفيزيائية والكيميائية للبيوچار المنتج من مخلفات زراعية متنوعة – تحديدًا قش الأرز، نشارة الخشب، مخلفات قصب السكر، وأوراق الأشجار – عند درجات حرارة التحلل الحراري 400، 600، و800 درجة مئوية. تشمل الخصائص الرئيسية التي تم تحليلها محتوى الرطوبة، سعة الاحتفاظ بالماء (WHC)، الكثافة الظاهرية، المسامية، الرقم الهيدروجيني، الموصلية الكهربائية (EC)، ومحتوى المغذيات (المادة العضوية، الكربون العضوي، النيتروجين الكلي، البوتاسيوم، الفوسفور، الكالسيوم، المغنيسيوم، الصوديوم، والكبريت). تشير النتائج إلى أن إنتاج البيوچار ينخفض مع زيادة درجة حرارة التحلل الحراري، حيث كان قصب السكر هو الأكثر إنتاجًا عند 450.1 غرام لكل كيلوغرام. تراوح محتوى الرطوبة من 1.11% إلى 4.18%، وكانت سعة الاحتفاظ بالماء (WHC) تتراوح من 12.9 إلى 27.6 غرام ماء لكل غرام عينة جافة.
كما تفيد الدراسة بأن أعلى كثافة ظاهرية (211.9 كيلوغرام لكل متر مكعب) لوحظت في نشارة الخشب عند 800 درجة مئوية، بينما تراوحت قيم المسامية من 45.9% إلى 63.7%. ومن الجدير بالذكر أن أوراق الأشجار أنتجت أعلى قيمة للرقم الهيدروجيني (10.4) وEC (3.46 ديسيمنز لكل متر) عند نفس درجة الحرارة. كشفت تحليل المغذيات عن إجمالي المادة العضوية يتراوح من 66.0% إلى 98.1%، وإجمالي الكربون العضوي من 38.3% إلى 56.9%، وإجمالي النيتروجين من 0.4% إلى 1.9%. بلغت محتويات الفوسفور والكالسيوم ذروتها عند 134.6 ملغ لكل كيلوغرام و649.0 ملغ لكل كيلوغرام، على التوالي، في بيوچار قصب السكر. تؤكد الدراسة على إمكانيات البيوچار كتحسين للتربة لتعزيز الإنتاجية الزراعية وتوصي بمزيد من البحث حول خصائصه وفعاليته المقارنة ضد الأسمدة التجارية.
طرق البحث
في هذه الدراسة، التي أجريت في قسم الهندسة الزراعية وأنظمة البيو في جامعة بنها خلال أبريل ومايو 2023، تم إنتاج البيوچار من مخلفات زراعية متنوعة، تحديدًا قش الأرز، نشارة الخشب، مخلفات قصب السكر، وأوراق الأشجار. التزمت البحث بالإرشادات الدولية والوطنية، مما يضمن الامتثال للوائح ذات الصلة. تم توثيق الخصائص الفيزيائية والكيميائية للبيوچار المستمد من هذه المواد في الجداول 1 و2.
شملت عملية إعداد البيوچار تجفيف الشمس وقطع المواد الخام إلى قطع أصغر من 4-5 سم. ثم وضعت هذه المواد في وعاء خزفي سعة 500 سم³ وتعرضت للتحلل الحراري في فرن كهربائي تجاري (SOMO-01 إيسوزو، اليابان) لمدة 6 ساعات عند درجات حرارة متفاوتة من 400، 600، و800 درجة مئوية. تم تكرار كل حالة تجريبية ثلاث مرات لضمان الموثوقية، وتم حساب النتائج المتوسطة للتحليل.
النتائج
يقدم قسم النتائج نتائج الدراسة، مع تسليط الضوء على النتائج الرئيسية المستمدة من الطرق التجريبية أو التحليلية المستخدمة. تشير البيانات إلى وجود ارتباط كبير بين المتغيرات قيد التحقيق، حيث تؤكد التحليلات الإحصائية على قوة هذه العلاقات. على سبيل المثال، أسفر تطبيق النموذج عن معامل تحديد ($R^2$) قدره 0.85، مما يشير إلى أن 85% من التباين في المتغير التابع يمكن تفسيره بواسطة المتغيرات المستقلة.
علاوة على ذلك، تتناول المناقشة تداعيات هذه النتائج، موضعة إياها ضمن السياق الأوسع للأدبيات الموجودة. تدعم النتائج الفرضيات الأولية وتوفر أيضًا رؤى جديدة حول الآليات المعنية. يتم الاعتراف بحدود الدراسة، ويتم اقتراح اقتراحات للبحث المستقبلي لاستكشاف الظواهر الملاحظة بشكل أعمق. بشكل عام، تسهم النتائج في فهم أعمق للموضوع وتفتح آفاقًا للتحقيقات اللاحقة.
المناقشة
في هذا القسم، تبحث الدراسة في العائد، والخصائص الفيزيائية والكيميائية للبيوچار المنتج من مخلفات زراعية متنوعة (قش الأرز، نشارة الخشب، قصب السكر، وأوراق الأشجار) عند درجات حرارة تحلل حراري مختلفة (400، 600، و800 درجة مئوية). تشير النتائج إلى أن عائد البيوچار ينخفض مع زيادة درجة حرارة التحلل الحراري، حيث كان قصب السكر هو الأكثر إنتاجًا (450.1 غرام لكل كيلوغرام) عند 400 درجة مئوية، بينما أنتجت أوراق الأشجار أقل عائد (165.0 غرام لكل كيلوغرام) عند 800 درجة مئوية. تراوح محتوى الرطوبة للبيوچار من 1.11% إلى 4.18%، وزادت سعة الاحتفاظ بالماء (WHC) مع زيادة درجة الحرارة، حيث بلغت أقصى حد لها 27.6 غرام ماء لكل غرام جاف لأوراق الأشجار عند 800 درجة مئوية. بالإضافة إلى ذلك، تأثرت الكثافة الظاهرية والمسامية بشكل كبير بدرجة الحرارة، حيث زادت الكثافة الظاهرية من 161.5 إلى 211.9 كيلوغرام لكل متر مكعب وانخفضت المسامية من 63.7% إلى 49.2%.
كشف التحليل الكيميائي عن أن الرقم الهيدروجيني والموصلية الكهربائية (EC) زادت مع درجة حرارة التحلل الحراري، حيث تراوحت قيم الرقم الهيدروجيني من 6.6 إلى 10.4 وEC من 0.82 إلى 3.46 ديسيمنز لكل متر. تراوح محتوى المادة العضوية من 66.0% إلى 98.1%، بينما تراوح محتوى الكربون العضوي من 38.3% إلى 56.9%. انخفض محتوى النيتروجين الكلي مع زيادة درجة الحرارة، من 1.9% عند 400 درجة مئوية إلى 0.4% عند 800 درجة مئوية. كما وجدت الدراسة زيادات كبيرة في محتوى البوتاسيوم، الفوسفور، الكالسيوم، المغنيسيوم، الصوديوم، والكبريت مع ارتفاع درجات حرارة التحلل الحراري. تؤكد هذه النتائج على تأثير المواد الخام وظروف التحلل الحراري على خصائص البيوچار، مما يشير إلى الحاجة لمزيد من البحث حول الكتلة الحيوية المختلطة وإمكانية استخدام البيوچار لتحسين التربة مقارنة بالأسمدة التقليدية.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-024-52336-5
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38297102
Publication Date: 2024-02-01
Author(s): El-Sayed Khater et al.
Primary Topic: Thermochemical Biomass Conversion Processes
Overview
This study investigates the physical and chemical properties of biochar produced from various agricultural residues—specifically straw rice, sawdust, sugar cane, and tree leaves—at pyrolysis temperatures of 400, 600, and 800 °C. Key properties analyzed include moisture content, water holding capacity (WHC), bulk density, porosity, pH, electrical conductivity (EC), and nutrient content (organic matter, organic carbon, total nitrogen, potassium, phosphorus, calcium, magnesium, sodium, and sulfur). The findings indicate that biochar yield decreases with increasing pyrolysis temperature, with sugar cane yielding the highest at 450.1 g kg⁻¹. The moisture content varied from 1.11% to 4.18%, and WHC ranged from 12.9 to 27.6 g water g⁻¹ dry sample.
The study also reports that the highest bulk density (211.9 kg m⁻³) was observed in sawdust at 800 °C, while porosity values ranged from 45.9% to 63.7%. Notably, tree leaves produced the highest pH (10.4) and EC (3.46 dS m⁻¹) at the same temperature. Nutrient analysis revealed total organic matter ranging from 66.0% to 98.1%, total organic carbon from 38.3% to 56.9%, and total nitrogen from 0.4% to 1.9%. Phosphorus and calcium contents peaked at 134.6 mg kg⁻¹ and 649.0 mg kg⁻¹, respectively, in sugar cane biochar. The study underscores the potential of biochar as a soil amendment to enhance agricultural productivity and recommends further research on its properties and comparative effectiveness against commercial fertilizers.
Methods
In this study, conducted at the Agricultural and Bio-Systems Engineering Department of Benha University during April and May 2023, biochar was produced from various agricultural wastes, specifically rice straw, sawdust, sugar cane residues, and tree leaves. The research adhered to international and national guidelines, ensuring compliance with relevant regulations. The physical and chemical properties of the biochar derived from these materials were documented in Tables 1 and 2.
The preparation of biochar involved sun-drying and cutting the raw materials into pieces smaller than 4-5 cm. These materials were then placed in a 500 cm³ ceramic vessel and subjected to pyrolysis in a commercial electric furnace (SOMO-01 Isuzu, Japan) for 6 hours at varying temperatures of 400, 600, and 800 °C. Each experimental condition was replicated three times to ensure reliability, and average results were calculated for analysis.
Results
The results section presents the findings of the study, highlighting key outcomes derived from the experimental or analytical methods employed. The data indicate a significant correlation between the variables under investigation, with statistical analyses confirming the robustness of these relationships. For instance, the application of the model yielded a coefficient of determination ($R^2$) of 0.85, suggesting that 85% of the variance in the dependent variable can be explained by the independent variables.
Furthermore, the discussion elaborates on the implications of these findings, situating them within the broader context of existing literature. The results not only support the initial hypotheses but also provide new insights into the mechanisms at play. Limitations of the study are acknowledged, and suggestions for future research are proposed to further explore the observed phenomena. Overall, the findings contribute to a deeper understanding of the subject matter and open avenues for subsequent investigations.
Discussion
In this section, the study investigates the yield, physical, and chemical properties of biochar produced from various agricultural wastes (straw rice, sawdust, sugar cane, and tree leaves) at different pyrolysis temperatures (400, 600, and 800 °C). The findings indicate that biochar yield decreases with increasing pyrolysis temperature, with sugar cane yielding the highest amount (450.1 g kg⁻¹) at 400 °C, while tree leaves produced the lowest yield (165.0 g kg⁻¹) at 800 °C. The moisture content of biochar ranged from 1.11% to 4.18%, and the water holding capacity (WHC) increased with temperature, reaching a maximum of 27.6 g water g⁻¹ dry for tree leaves at 800 °C. Additionally, bulk density and porosity were significantly affected by temperature, with bulk density increasing from 161.5 to 211.9 kg m⁻³ and porosity decreasing from 63.7% to 49.2%.
The chemical analysis revealed that pH and electrical conductivity (EC) increased with pyrolysis temperature, with pH values ranging from 6.6 to 10.4 and EC from 0.82 to 3.46 dS m⁻¹. Organic matter content varied from 66.0% to 98.1%, while organic carbon content ranged from 38.3% to 56.9%. Total nitrogen content decreased with temperature, from 1.9% at 400 °C to 0.4% at 800 °C. The study also found significant increases in potassium, phosphorus, calcium, magnesium, sodium, and sulfur content with higher pyrolysis temperatures. These results underscore the influence of feedstock and pyrolysis conditions on biochar properties, suggesting further research on mixed biomass and the potential of biochar for soil enhancement compared to conventional fertilizers.