البيوچار هو مادة غنية بالكربون تُنتج من مصادر نفايات عضوية مختلفة، مثل الحمأة البلدية والنفايات الزراعية. لقد حظي الفحم الحيوي باهتمام كبير بسبب خصائصه الفريدة مثل الحجم الكبير

مساحة السطح المحددة، هيكل مستقر، سعة تبادل كاتيون عالية، ومحتوى الكربون يمكن إدراك أهميته من خلال العدد المتزايد من المقالات المنشورة في السنوات العشر الماضية (الشكل 1). يمكن أن يحسن الفحم الحيوي خصوبة التربة ويمكنه احتجاز الكربون؛ وبالتالي يمكن أن يؤدي بشكل محتمل إلى التخفيف من تغير المناخ. لزيادة خصوبة التربة وإمكانية احتجاز الكربون، يحسن الفحم الحيوي الخصائص الفيزيائية (مستوى الرطوبة، محتوى الأكسجين، وسعة احتجاز الماء)، والخصائص الكيميائية (احتجاز الكربون وتثبيت الملوثات)، والخصائص البيولوجية (وفرة الميكروبات، النشاط، والتنوع) للتربة. كما يساعد في إزالة الملوثات المختلفة من أنظمة التربة والمياه. تُستخدم طرق تقليدية متنوعة لإزالة الملوثات العضوية وغير العضوية وغيرها من الملوثات الناشئة من الماء والتربة، مثل التجلط/التخثر، الترسيب الكيميائي، والتحلل البيوكيميائي. . هذه الطرق عادةً ما تقضي على الملوثات القيمة من الماء والتربة ولكنها تتمتع بكفاءة منخفضة مع تكاليف تشغيل وصيانة مرتفعة وإنتاج نفايات هائل في المقابل، فإن الامتزاز باستخدام النفايات العضوية الزراعية يظهر كطريقة فعالة من حيث التكلفة وسهلة الاستخدام وفعالة لإزالة الشوائب المختلفة من التربة وأنظمة المياه. الامتزاز هو آلية رئيسية لتمكين الفحم الحيوي من القضاء على الملوثات العضوية وغير العضوية. ترتبط قدرة الامتزاز للفحم الحيوي ارتباطًا مباشرًا بخصائصه الفيزيائية والكيميائية مثل المجموعات الوظيفية، وسعة تبادل الكاتيونات، وتوزيع حجم المسام، والمساحة السطحية، ومع ذلك، فإن هذه الخصائص تختلف باختلاف ظروف الإنتاج مثل طبيعة الكتلة الحيوية المستخدمة في إنتاج الفحم الحيوي، ودرجة حرارة التحلل الحراري، وما إلى ذلك. ومع ذلك، فإن الفحم الحيوي النقي، بسبب محدودية مواقع الامتزاز وانخفاض وظيفة السطح، لا يظهر قدرة محددة وعالية على امتصاص المغذيات. لزيادة قدرة الامتزاز، يتم تعديل/تفعيل الفحم الحيوي باستخدام عوامل تعديل متعددة تشمل القلويات، والأحماض، وأكاسيد المعادن، وعوامل الأكسدة، مما يظهر خصائص سطحية محسّنة وهياكل جديدة بعد المعالجة. بالمقارنة مع الفحم الحيوي النقي، يقدم الفحم الحيوي المعدل/الموظف ذو المساحة السطحية المتزايدة والمجموعات الوظيفية الوفيرة نوعًا جديدًا من المواد القائمة على الكربون مع إمكانيات امتصاص محسّنة للملوثات في أنظمة المياه والتربة. بشكل عام، يمكن اعتبار تقنيات التعديل الحيوي للبيوكربون ضمن ثلاثة أنواع رئيسية من التعديلات، وهي البيولوجية، الكيميائية، والفيزيائية. تشمل تقنيات التعديل الكيميائي المعالجة بالأكسدة، النقع بالحمض والقاعدة، المغنطة، تحميل المواد النانوية الكربونية، التعديل بالمعادن الطينية، المواد السطحية العضوية، العناصر غير المعدنية، والهيدروكسيدات المزدوجة الطبقات. هذه التعديلات لا تحسن فقط الخصائص الفيزيائية للفحم الحيوي، بل تؤثر أيضًا على خصائصه الكيميائية مثل مجموعات السطح الوظيفية، توزيع العناصر، الجهد الزتاوي، قدرة نقل الإلكترون، وسعة تبادل الكاتيونات بسبب تأثيرها على المسامية وإثراء سطح الفحم الحيوي بمجموعات وظيفية تحتوي على الأكسجين، وخاصة مجموعات الكربوكسيل. تعديل جسدي مثل التنشيط بواسطة البخار والميكروويف، وطحن الكرات يحسن حجم الجسيمات، وهيكل المسام، والمجموعات الوظيفية، والمساحة السطحية للفحم الحيوي . إنه يوفر مزايا على التقنيات الكيميائية كونه أقل تلوثًا في الطبيعة وأكثر جدوى اقتصادية في تصنيع الفحم الحيوي علاوة على ذلك، يمكن تفعيل الفحم النباتي من خلال تقنيات بيولوجية؛ مما يحمل ميزة استخدام ميكروبات متنوعة وطرق مرتبطة بيولوجيًا، ويساعد أيضًا في القضاء على الملوثات السامة. لقد كانت هناك مراجعات قليلة تركز على التطبيقات المتنوعة للفحم الحيوي مثل تحسين خصوبة وجودة التربة، والحفز، وإزالة الملوثات المائية. حتى الآن، تؤكد دراسات مختلفة على أهمية تطبيق الفحم الحيوي الخام والمعدل لإزالة الملوثات من نظام المياه. ومع ذلك، فإن دراسة شاملة تشمل استخدام مواد الامتصاص المعتمدة على الفحم الحيوي متعدد الوظائف في إزالة الملوثات من التربة والأنظمة المائية نادراً ما تم وصفها. علاوة على ذلك، فإن المعرفة المجمعة حول تقنيات التعدد الوظيفي لمواد الفحم/الممتصات، على سبيل المثال، إضافة عناصر غير معدنية، ضئيلة. بهدف وصف تحليل شامل للفحم الحيوي متعدد الوظائف من أجل معالجة الشوائب البيئية، استنادًا إلى الأدبيات المنشورة مؤخرًا، قامت هذه الدراسة المحدثة بتفصيل شامل للنهج الجديدة في تقنيات التعدد الوظيفي للفحم الحيوي. علاوة على ذلك، تم مناقشة إمكانية إعادة استخدام الفحم الحيوي المعدل/الموظف وكذلك الجانب الاقتصادي لإنتاج الفحم الحيوي وتطبيقه مقارنةً بمواد الامتصاص الأخرى المكلفة مثل الفحم النشط. يمكن أن تكون هذه المراجعة مفيدة في التحضير والتطبيق على نطاق واسع للفحم الحيوي المعدل/الموظف لإدارة التربة الملوثة والأنظمة المائية وقد تضمن الحماية المستدامة للبيئة.

تمت مراجعة تقنيات التعديل القابلة للوصول في الأدبيات المنشورة وتلخصت في (الجدول 1) الذي يمكن تقسيمه إلى 4 فئات رئيسية، بما في ذلك التعديلات الفيزيائية والكيميائية، التعديلات المغناطيسية، والنقع بالمعادن (الشكل 2). التغييرات في الخصائص الفيزيائية والكيميائية للفحم الحيوي بعد تعديلات متعددة موضحة بالتفصيل في (الجدول 2).

تشمل المعالجة الكيميائية كل من طرق التعديل ذات الخطوة الواحدة وذات الخطوتين. يتم تحقيق مراحل التنشيط والكربنة في وقت واحد خلال التعديل الكيميائي ذي الخطوة الواحدة في وجود مادة تعديل. تتضمن عملية التعديل الكيميائي ذات الخطوتين كربنة المادة الخام تليها معالجة المنتج الناتج عن التحلل الحراري من خلال خلطه مع مادة تعديل مثل مواد كيميائية متنوعة.

أغراض تعديل الأحماض والقواعد هي إدخال مواقع ربط حمضية (مجموعات كربونية لاكتونية، مجموعات وظيفية فينولية) وتطوير هيكل مسامي أفضل لإزالة الملوثات. تم تحسين خصائص سطح البيوكربون من خلال استخدام المعالجة الكيميائية. لقد ناقشت العديد من الدراسات تأثير تعديل الأحماض على المجموعات الوظيفية، وأحجام المسام، والمساحة السطحية المحددة (SSA). النقع باستخدام أحماض قوية مثل ، و تم فحصه للتعديل، مما يمكن أن يزيد من حموضة سطح الممتزات ويحسن الهيكل المسامي للفحم الحيوي (الشكل 3).

بعد المعالجة بحمض الكبريتيك، حمض الهيدروكلوريك، حمض الستريك، حمض الأكساليك، أو حمض الفوسفوريك، كانت المادة الماصة الناتجة تمتلك عمومًا مساحة سطح أعلى بكثير، وحجم مسام أكبر، ومزيد من المجموعات الكارهة للماء والحامضية لامتصاص الملوثات. تشمل الآلية تحسين هيكل المسام والمساحة المحددة للمواد الممتصة، مما له تأثير كبير على الامتصاص الفيزيائي للملوثات. تظهر المجموعات الوظيفية مثل -COOH التي تتكون من خلال المعالجة الحمضية أيضًا تأثيرًا كبيرًا في آلية امتصاص الملوثات، مما يؤدي إلى تغيير قدرة الإزالة للمواد الماصة المعالجة. .

تعديل المعالجة الحمضية الخصائص الفيزيائية والكيميائية للفحم الحيوي لزيادة قدرات الامتزاز لإزالة الملوثات غير العضوية والعضوية من التربة ومياه الصرف. آلية التخليل قللت من حجم المسام الدقيقة للمواد الماصة المعتمدة على الحمأة وزادت من حجم المسام المتوسطة، مما حسن من قدرة امتصاص الفحم الحيوي للمضادات الحيوية والمعادن الثقيلة. . بالمقارنة مع الفحم الحيوي الطازج، أظهر الفحم الحيوي المشتق من الأوكالبتوس المعالج كفاءة إزالة أعلى للكروم سداسي التكافؤ أظهر الفحم الحيوي المعدل بحمض الستريك أقصى سعة امتصاص لـ و بالنسبة للرصاص والكادميوم في التربة، كانت هذه السعة أكبر من الفحم الحيوي غير المعالج. هو عامل تعديل يُستخدم بشكل متكرر في معالجة الأحماض ومواد أكثر صداقة للبيئة مقارنةً بالمواد الكيميائية الأخرى الخطرة والتآكلية مثل كلوريد الزنك. يمكن أن يتحلل المواد العطرية والأليفاتية واللجنوسليلوزية بينما ينشئ روابط متقاطعة من الفوسفات والفوسفات المتعدد لتفادي الانكماش في آلية تعزيز المسامية. المزيد من الأحماض المعدنية بما في ذلك HCl، ، و لقد تم استخدامها أيضًا بشكل واسع لتفعيل الفحم الحيوي. وقد تم الكشف عن أن التعديل بحمض النيتريك يسبب تدهور جدران المسام الدقيقة بسبب خاصيته التآكلية، مما يؤدي لاحقًا إلى تقليل المساحة السطحية. . بالمقارنة، التعديل أدى إلى تقليل المسامية من 12 إلى وزادت من حجم توزيع المسام الدقيقة غير المتجانسة في الفحم الحيوي. الأحماض العضوية مثل حمض الأكساليك تزيد من امتصاص الملوثات من خلال آليات تعزيز البروتون والليغاند. . ومع ذلك، فإن المعالجة المسبقة بـ أثر على محتويات الأكسجين والكربون وتطبيق مزيج من حمض الأكساليك و أظهر زيادة بمقدار 250 ضعف في مساحة السطح مقارنة بالفحم الحيوي غير المعالج وبالمثل، أظهر الفحم الحيوي المعدل بحمض الهيدروكلوريك من قش القمح مسامًا أكثر تباينًا مقارنة بالفحم الحيوي غير المعالج. يمكن أيضًا القضاء على الملوثات المعدنية/غير العضوية الأصلية بكفاءة من خلال تطبيق الحمض. بشكل عام، يتم توثيق أن التعديل بالأحماض يمكن أن يؤسس المجموعات الوظيفية المختلفة التي تحتوي على محتويات حمضية مثل مجموعات الأمين والكربوكسيل، مما يزيد من قدرة إزالة المعادن والألفة من خلال التعقيد السطحي وتبادل الكاتيونات مع هذه المواقع الأكثر نشاطًا.

داي وآخرون مطبق -معدل معدل لامتصاص الخيار البور المعدل لإزالة السلفاميثازين من التربة. معامل تقسيم الماء-الصلب العالي لـ تمت ملاحظته للتربة الطينية. كان من المفترض أن تكون كل من الامتصاص الكيميائي على مجموعات الهيمياستيل والانتشار الكيميائي في المسام عمليات احتفاظ. يلخص الجدول 3 طرق الأكسدة الكيميائية وتعديل الحمض/القلوي للبيوتشار الموصوفة.

الأهداف الرئيسية للتعديل القلوي هي تحسين كمية المجموعات الوظيفية التي تحتوي على الأكسجين مثل الإيثر، والكربونيل، والكربوكسيل، والهيدروكسيل، بالإضافة إلى زيادة المساحة السطحية النوعية للفحم الحيوي الخام، مما يعزز إزالة العديد من الملوثات. التفعيل القلوي هو آلية تشمل المحلول القلوي (الذي يتمتع بالطبيعة القلوية) المستخدم لتغيير بنية الفحم الحيوي في مراحل ما قبل أو ما بعد الكربنة. أكثر العوامل القلوية استخدامًا هي هيدروكسيد الصوديوم وهيدروكسيد البوتاسيوم يمكن أن يؤدي تنشيط البيوكاربون باستخدام NaOH و KOH إلى تعزيز القلوية السطحية ومحتوى الأكسجين بينما يذوب المواد العضوية المكثفة (مثل السليلوز واللجنين) والرماد للمساعدة في التعديل اللاحق. بعد التنشيط القلوي، يتم تنظيف المسام المسدودة، مما يؤدي إلى زيادة المسامية. تمت ملاحظة الكربون الحيوي ذو المساحة السطحية الكبيرة جدًا بعد أن تم تفعيله بواسطة NaOH و أنواع البوتاسيوم مثل و قد يتم توليدها أثناء التعديل بسبب إدخال أيونات البوتاسيوم في طبقة البلورات التي تخلق هياكل الكربون المكثفة. و قد تنتشر في الهيكل الداخلي لمصفوفة الممتزات، وتوسع المسام المتاحة وتكون مسام جديدة مختلفة للمنتج. .

قد يزيد التنشيط الكيميائي للمواد الماصة من قدرتها على امتصاص الملوثات من خلال تشكيل مواقع امتصاص وفيرة إضافية على السطح المحسن، مما يوفر لسطح الفحم الحيوي بيئة أكثر ملاءمة لترسيب السطح، والتعقيد السطحي، والجذب الكهروستاتيكي، ويعزز الألفة الأعلى للامتصاص وسعة الامتصاص القوية من خلال تفاعلات قوية مع مجموعات الإيثر، والكربونيل، والكربوكسيل، والهيدروكسيل الوظيفية. توضح الشكل 4 والجدول 4 آلية وقدرة الممتزّات المعززة كيميائيًا على إزالة الملوثات.

الامتصاص. ومع ذلك، ظلت معظم خصائص السطح دون تغيير بعد نقعها في KOH، ، و تم زيادة الامتصاص بشكل ملحوظ، مما قد يكون بسبب العدد الكبير من المجموعات الوظيفية المحتوية على الأكسجين والمساحة السطحية الأكبر. علاوة على ذلك، فإن تعديل مجموعات الأمين والمجموعات الكربوكسيلية للمواد الماصة زاد بشكل كبير الامتزاز بواسطة تعقيد سطحي قوي مع -المجموعات الوظيفية، التي كانت انتقائية بشكل كبير وتأثرت قليلاً من خلال الكاتيون المتنافس زاد الفحم الحيوي المعالج بـ KOH بشكل كبير من قدرته على امتصاص As (V) بسبب زيادة حجم المسام والمساحة السطحية وتغيير المجموعات الوظيفية السطحية. .

يمكن زيادة إزالة الملوثات العضوية من خلال تفاعل EDA بين الحلقات العطرية للملوثات والفحم الحيوي . أبلغت دراسة أخرى عن قدرة إزالة التتراسيكلين ( ) عبر الممتزات المعالجة بـ KOH كانت أعلى بشكل ملحوظ مما تم الإبلاغ عنه في دراسات أخرى ( 5 إلى بينما كانت السعة الملحوظة لإزالة الكلوروميسيتين عبر الفحم المعالج بـ NaOH أكبر بكثير من الممتزات غير المنشطة على العكس، يمكن أن ينتج علاج اليوريا مجموعات وظيفية غنية بالنيتروجين بالإضافة إلى تعزيز الطبيعة الأساسية للسطح، مما يزيد من قوى التشتت لامتصاص حمض الكربوليك . هو وآخرون أظهرت أن الفحم الحيوي المعدل بحمض الأكساليك وحمض الكبريتيك حقق نتيجة أفضل قدرها 183 إلى إزالة السلفاديميثيل بيريميدين في أنواع مختلفة من التربة، ربما بسبب تعزيز المساحات السطحية والمجموعات الوظيفية السطحية في الممتزات المنشطة (الجدول 1).