Visualização multiescala das mudanças estruturais e características do biocarvão de lodo de esgoto orientado para possíveis implicações agronômicas e ambientais

Scientific Reports volume 5, Número do artigo: 9406 (2015) Citar este artigo

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Biocarvões de lodo de esgoto foram obtidos em diferentes temperaturas de pirólise de 300°C a 900°C e suas propriedades macro e microescala foram analisadas. Os nutrientes disponíveis para as plantas e substâncias semelhantes ao húmus do biocarvão na fase extraível com água e os nutrientes fixos na fração sólida foram avaliados quanto às suas potenciais implicações agronômicas. As técnicas de FT-IR, Raman, XRD, XPS e SEM foram utilizadas para investigar a estrutura química, grupos funcionais e estrutura microcristal na superfície do biochar. Os resultados revelaram mudanças químicas menores e perda dramática de massa no biocarvão obtido a 300-500°C, enquanto mudanças químicas significativas no biocarvão foram obtidas a 600-900°C. As concentrações de nutrientes disponíveis para as plantas, bem como de materiais semelhantes a ácidos fúlvicos e húmicos diminuíram nas amostras de biocarvão obtidas em temperaturas mais altas. Esses resultados implicam que as amostras de biocarvão pirolisadas a 300–500°C podem ser uma fonte direta de nutrientes e usadas para neutralizar o solo alcalino. A área superficial e a porosidade das amostras de biochar aumentaram com a temperatura, o que aumentou sua capacidade de adsorção. O rearranjo ocorreu em temperaturas mais altas de 600 a 900°C, resultando no biochar tornando-se cada vez mais poliaromático e seu carbono semelhante ao grafite tornando-se organizado.

O biotratamento de efluentes municipais e industriais inevitavelmente leva a quantidades significativas de lodo. Para tratamento de lodo de esgoto, a pirólise é um caminho promissor1,2,3. A pirólise do lodo de esgoto é a degradação térmica do lodo na ausência de ar ou em uma atmosfera deficiente em oxigênio, transformando a matéria orgânica do lodo em biogás, bio-óleo e resíduo de biocarvão carbonáceo. Quando comparado com o lodo bruto, o biochar de lodo tem patógenos e odor mínimos e é capaz de concentrar metais pesados4 (exceto mercúrio e cádmio). Estudos comparando biocarvão de lodo com lodo bruto revelaram que as propriedades do solo melhoraram após a aplicação de biocarvão de lodo ao solo como corretivo5,6,7. Portanto, tem havido um interesse crescente no uso de biochar de lodo para beneficiamento do solo e sequestro de carbono em uma forma sólida de longa duração. O desempenho agronômico e a eficácia do biocarvão, assim como os nutrientes disponíveis, dependem essencialmente de suas características e as propriedades físicas e químicas dos biocarvões de lodo são fortemente influenciadas pelas condições de pirólise, predominantemente pela mais alta temperatura de tratamento (HTT).

Durante o processo de pirólise, o biocarvão de lodo passa por várias mudanças físicas, químicas e moleculares. Algumas das mudanças documentadas incluem aquelas no rendimento, conteúdo volátil, pH, condutividade elétrica (CE), dureza, densidade aparente e composição do elemento que estão relacionadas aos benefícios de macronutrientes para aplicação agrícola1,8,9. Considerando que, a outra parte dos estudos se concentrou no comportamento de metais pesados ​​durante a pirólise de baixa temperatura de lodo de esgoto a 500°C4, 300–700°C10, 300–500°C11 e 400–450°C12, que estão relacionados com a toxicidade para agro-aplicação. Essas duas partes da pesquisa raramente foram reunidas e equilibravam os prós e os contras do biocarvão de lodo simultaneamente. Além disso, as concentrações de metais pesados ​​podem diminuir em temperaturas mais altas13. Portanto, desperta a demanda de pesquisa em cenário de temperatura mais alta e a comparação sistemática em uma faixa de temperatura mais ampla (por exemplo, 300–900°C no presente estudo). Enquanto isso, os estudos existentes sobre a partir de qual temperatura de pirólise o biochar poderia ser muito benéfico são ambíguos e inclusivos. Por exemplo, relataram14 que o biochar obtido a 600°C foi mais eficaz na redução da emissão de CO2 do solo, quando comparado com o obtido a 400°C. Considerando que, Song12 demonstrou que o alho plantado em solo corrigido com biocarvão obtido a 450°C continha o menor nível de metais pesados, quando comparado com aquele plantado em solo corrigido com outros biochars obtidos a 500–550°C. Essa incerteza da aplicação do biocarvão deve ser atribuída à descrição insuficiente sobre o biocarvão estudado, ou seja, apenas as características de macroescala foram registradas. Na verdade, as propriedades externas são essencialmente determinadas pela estrutura intrínseca e composição das amostras de biocarvão. Portanto, é necessário investigar as propriedades de macro e microescala do biochar de lodo de esgoto final e, em seguida, diferenciá-los sistematicamente para facilitar a categorização e avaliar melhor o potencial de aplicação agronômica do biochar de lodo com base na investigação acima.