برترین کاربران هفتگی این مقاله

از ۱۳۹۷/۰۹/۱۷ تا ۱۳۹۷/۰۹/۲۳

هیچ کاربری در این بازه زمانی وجود ندارد

آمار مقاله
  • بازدید کل ۱,۴۰۹
  • بازدید این ماه ۹۰
  • بازدید امروز ۰
آمار آزمون مقاله
  • کل شرکت کنندگان ۲
  • قبول شدگان ۱
  • شرکت کنندگان یکتا ۲
  • میانگین درصد شرکت کنندگان ۶۷
واژه نامه فناوری نانو

نانو

nano

پيشوندي به معناي يک بيليونم يا (000،000،000،1/1). در متون فناوري‌نانو، معمولا براي مشخص کردن يک واحد اندازه‌گيري برابر با 10 به توان منفي 9 متر استفاده مي‌شود.

سطح مقاله

پیشرفته 2

نویسندگان
کلمات کلیدی
امتیاز کاربران

نانوبیوچار: تولید و ویژگی‌های آن

در اثر انتشار گازهای گلخانه‌ای و تغییر کاربری اراضی، شرایط آب و هوایی دنیا نیز در حال دگرگونی است. با احتساب رشد جمعیت و افزایش فعالیت‌های صنعتی و کشاورزی، انتشار ترکیبات کربنی و گازها به محیط رو به افزایش است. به موجب این امر، علاوه بر هدر رفتن انرژی، محیط زیست نیز آلوده می‌شود. با مدیریت صحیح و با کمک فناوری، می‌توان انتشار چنین گازهایی را کاهش داده و آن را به مواد جامد کربنی تبدیل کرد. این مواد جامد کربنی که در اصطلاح بیوچار نامیده می‌شوند، کاربردهای متنوعی در صنایع مختلف از جمله کشاورزی دارند. بیوچار در اثر اعمال فرایندهایی قابلیت تبدیل شده به نانوبیوچار را دارد. بنابراین ویژگی‌های فیزیکی و شیمیایی این ماده ارزشمند افزایش می‌یابد. در چنین حالتی، کاهش انتشار مواد آلاینده، اصلاح خاک، تولید انرژی و کنترل مواد زائد به نحو مطلوب‌تری انجام می‌شود.
1- مقدمه
اگرچه مقدار و میزان عوامل تأثیرگذار بر تغییرات شرایط آب و هوایی نامشخص است، اما بی شک یکی از مهم‌ترین آن‌ها انتشار گازهای گلخانه‌ای است. در سال‌های اخیر نیز افزایش فعالیت‌های انسانی موجب تولید و انتشار هرچه‌ بیشتر این قبیل گازها شده است. یکی از راه‌های جذب و جدا کردن کربن، حذف گازهای گلخانه‌ای از خروجی کارخانه‌های صنعتی و ذخیره‌سازی آن‌ها در مخازن امن است. انتشار گاز دی‌اکسید کربن از خاک نیز اثرات زیادی روی چرخه جهانی کربن و اکوسیستم می‌گذارد. کربن آلی خاک (SOC) بزرگ‌ترین مخزن کربن محسوب شده و مقدار آن 2 برابر کربن موجود در اتمسفر است. حفظ یا انتشار کربن آلی خاک یک عامل کلیدی است که روی غظت دی‌اکسید کربن اتمسفر تأثیر می‌گذارد. ترسیب کربن (Carbon sequestration) در خاک فرایندی آهسته بوده اما یک استراتژی طبیعی مؤثر برای تعدیل غلظت دی‌اکسید کربن در اتمسفر محسوب می‌شود. برآوردهای مقایسه‌ای نشان می‌دهد که تغییرات اندک در کربن آلی خاک، تأثیرات قابل توجهی روی غلطت دی‌اکسید کربن اتمسفر می‌گذارد. به‌طوری‌که تغییرات 5 درصدی در میزان SOC، قابلیت تغییر بیش از 16 درصدی دی‌اکسید کربن اتمسفر را دارد. خاک‌های کشاورزی در اثر کشت و کار و شخم‌زدن‌های غیراصولی، به مقدار قابل توجهی کربن آلی خود را از دست داده‌اند. بنابراین، تغییر در روش‌های شخم، آیش مناسب، به کارگیری گیاهانی با ریشه گسترده‌تر و عمیق و ترسیب کربن در خاک، می‌تواند میزان کربن آلی خاک را افزایش دهد. در این بین، ترسیب کربن به روش‌های مختلفی صورت می‌گیرد (جدول1).

جدول 1- روش‌های مختلف ترسیب کرین و افزایش کرین آلی خاک
روش‌های ترسیب کربن ویژگی‌ها
جذب و ذخیره‌سازی توسط گیاهان روشی ساده اما بازگشت مجدد کربن به اتمسفر در اثر تجزیه گیاه
کشت بدون شخم و تناوب محصول نیاز به زمان طولانی دارد
پوشش محصولات زراعی با ریشه عمیق روشی ساده اما با اثراتی کوتاه مدت
استفاده از بیوچار پایدار و دارای اثر طولانی مدت، نیاز به تحقیقات بیشتر
ترسیب زمین‌شناسی (Geologic sequestration) هزینه بسیار بالا و تکنولوژی پیچیده

اما روشی که کربن تولید شده از آن، اثرات دراز مدتی را از خود به جای گذاشته و پایداری قابل ملاحظه‌ای در برابر عوامل شیمیایی و بیولوژیکی داشته باشد، مناسب‌تر است. بیوچار این ویژگی‌ها را داراست و در اثر استفاده، علاوه بر این‌که مواد آلی خاک افزایش و انتشار دی‌اکسید کربن از خاک کاهش می‌یابد، با بهبود ویژگی‌های فیزیکی و شیمیایی خاک، میزان رشد و عملکرد محصول افزایش خواهد یافت [1].

2- تولید نانو بیوچار
نانوبیوچار یک ماده غنی از کربن محسوب شده که در طی فرایند تجزیه حرارتی (Pyrolysis) و در اثر کربونیزه شدن توده زیستی (Biomass) شکل می‌گیرد. تفاوت تجزیه حرارتی و احتراق (Combustion) در حضور یا عدم حضور اکسیژن است (شکل 1).
 
filereader.php?p1=main_6512bd43d9caa6e02
شکل 1- تفاوت فرآیند احتراق و تجزیه حرارتی

در فرایند احتراق و در اثر اعمال درجه حرارت و اکسیژن، توده زیستی به گازها و دی‌اکسید کربن، خاکستر ترکیب شده با اکسید‌های فلزی، سیلیکا و دیگر عناصر غیر آلی فرار تبدیل می‌شود. اگر اکسیژن از واکنش حذف شود، تبدیل ترموشیمیایی (Thermochemical) توده زیستی صورت گرفته و گاز دی‌اکسید کربن تشکیل نمی‌شود. در این صورت، کربن به شکل یک ماده جامد ظاهر شده که به آن بیوچار (Biochar) می‌گویند. از دیگر محصولاتی که در طی فرایند تجزیه حرارتی تولید می‌شود، می‌توان به سوخت زیستی مایع (Liquid bio-oil) و گازهای قابل احتراقی (Syngas) چون هیدروژن، متان و دیگر گازهای هیدروکربنی اشاره کرد. به طور کلی، تجزیه حرارتی به دو حالت سریع و آهسته انجام می‌گیرد که بستگی به میزان حرارت اعمال شده به زیست توده دارد. اگر میزان حرارت کمتر از 100 درجه سانتی‌گراد بر دقیقه باشد، تجزیه حرارتی آهسته نام دارد و بیوچار و Syngasها تولید می‌شوند. تجزیه حرارتی سریع، اعمال حرارت‌های بیش از 1000 درجه سانتی‌گراد بر دقیقه است که در این حالت سوخت‌های زیستی نیز تولید می‌شوند [2].

3- ویژگی‌های ساختاری نانوبیوچار
بیوچار از هیدروکربن‌های آروماتیک چند حلقه شکل گرفته است که در آن 6 اتم کربن به شکل حلقوی در ارتباط با هم هستند. وجود چنین ساختار آروماتیکی موجب پایداری بیوچار در برابر تغییرات بیولوژیکی و شیمیایی است. بیوچار علاوه بر کربن از عناصر دیگری چون هیدروژن و اکسیژن تشکیل شده است. بسته به نوع ماده اولیه‌ای که بیوچار از آن شکل می‌گیرد، مواد معدنی مختلفی (نیتروژن، فسفر، گوگرد و غیره) نیز می‌تواند در آن وجود داشته باشد. این ماده کربنی دارای گروه‌های عاملی فراوانی چون هیدروکسیل، کتون، استر، آلدهید، آمینو، نیترو و کربوکسیل است. همچنین انواع بیوچار دارای مقادیر قابل توجهی از اسیدهای آلی هیومیک و فولویک است. ترکیب و سطح ناهمگن بیوچار ممکن است ویژگی‌های آب‌دوستی و/یا آب‌گریزی را از خود بروز دهد و خصوصیات بازی و اسیدی داشته باشد. بنابراین توانایی ترکیب با مواد آلی و غیرآلی را دارد. در تبدیل زیست توده گیاهی به نانوبیوچار، ساختار ذاتی و داخلی (Phytotamy) گیاه حفظ می‌شود. این خصوصیت بسیار مهم بوده زیرا که سیستم آوندی گیاهان از نظم و ترتیب خاصی برخوردار است و دارای دیواره‌های سلولی محکمی است (شکل 2).

filereader.php?p1=main_c81e728d9d4c2f636
شکل 2- تصویر SEM از ساختار داخلی یک نانوبیوچار که از زیست توده گیاهی شکل گرفته است.

تخلخل نانوبیوچار نشان‌دهنده‌ توزیع اندازه منافذ بوده که بسیار متغیر است. در نانوبیوچار اندازه منافذ در سه گروه منافذ با اندازه درشت (Macropores) با قطر بیش از 50 نانومتر، منافذی با اندازه متوسط (Mesopores) با قطری بین 2 تا 50 نانومتر و منافذ با اندازه ریز (Micropores) با قطری کمتر از 2 نانومتر جای می‌گیرد. در این بین، منافذ ماکرو نقش انتقال آب و هوا را داشته و همچنین جایگاهی است که میکروارگانیسم‌ها با قرار گرفتن در آن‌ها به خوبی به فعالیت‌های خود می‌پردازند و در برابر شرایط نامساعد خود را مصون نگاه می‌دارند. در منافذ کوچک‌تر، به‌ویژه منافذ میکرو، جذب و واجذب (Adsorption/Desorption) یون‌ها و مولکول‌های آلی و معدنی صورت می‌گیرد. همین امر موجب می‌شود که در بستری چون خاک، ظرفیت نگهداری عناصرغذایی افزایش یابد. میزان سطح ویژه نانوبیوچار بسیار بیشتر از ذرات رس است (بیش از 1500 متر مربع بر گرم).
ویژگی‌های نانوبیوچار، مانند ترکیب عناصر، تخلخل، اندازه ذرات و منافذ و وجود هیدروکربن‌های تجزیه‌پذیر، تحت تأثیر پارامترهای فرایند تجزیه حرارتی و نوع زیست توده است. ساختار منافذ نانوبیوچار به شدت متأثر از درجه حرارت است. دمای بالا و مدت زمانی که توده زیستی تحت تأثیر آن قرار دارد، بسیار مهم است. این فاکتورها تعیین‌کننده مقدار نانوبیوچار تولیدی از زیست توده هستند. اساساً در درجه حرارت خاصی، ترکیبات و اجزای فرار از زیست توده خارج می‌شوند. در نتیجه خارج شدن چنین ترکیباتی، منافذ میکرو شکل می‌گیرند. به طور کلی، مجموع سطح ویژه کل و منافذ میکرو، با افزایش دما بیشتر می‌شود. حداکثر سطح ویژه در محدوده دمایی 650 تا 850 درجه سانتی‌گراد اتفاق می‌افتد. دلایل زیادی برای این امر ذکر کرده‌اند. اما مهم‌ترین دلیل اشاره شده، وجود مایعی متشکل از ترکیبات هیدورکربن‌ها، رزین، الکل‌ها و دیگر ترکیبات (Tars) است که در طی فرایند تولید نانوبیوچار، مانع از تشکیل منافذ میکر می‌شود و با از بین رفتن این ماده در دمای متوسط 750 درجه سانتی‌گراد، منافذ میکرو بیشتری ایجاد شده و سطح ویژه به طور مؤثرتری افزایش می‌یابد. در نانوبیوچارهای بر پایه لیگنین، میزان خاکستر (Ash) مواد اولیه روی کربونیزه شدن تأثیر می‌گذارد. با کاهش این میزان خاکستر، نانوبیوچار تولید شده خواص و ویژگی‌های بهتری را بروز می‌دهد. وجود ترکیبات لیپیدی و هیومیک و فولویک اسید منجر به کاهش تخلخل بیوچار می‌شود.
در برخی نمونه‌ها که بستگی به نوع زیست توده اولیه دارد، ساختار سلولی در اثر اعمال حرارت، ذوب شده و یک حالت پلاستیکی ایجاد می‌شود که مانع از تشکیل منافذ میکرو می‌شود. البته نرخ افزایش درجه حرارت نیز بر ذوب شدن ساختار سلولی تأثیرگذار است. بررسی روی چوب درخت کاج نشان داد اگر میزان افزایش درجه حرارت میزان 20 درجه سانتی‌گراد بر ثانیه باشد، نانوبیوچاری با ساختار مناسب شکل می‌گیرد. اما اگر این افزایش دما به سرعت و به صورت 500 درجه سانتی‌گراد بر ثانیه باشد، ساختار سلولی ذوب شده و منافذ میکرو شکل نمی‌گیرند. یک سری فرایندهای فیزیکی و شیمیایی نیز موجب افزایش سطح ویژه نانوبیوچار می‌شود که در اصطلاح به آن فعال شدن بیوچار می‌گویند. روش‌های فعال کردن فیزیکی شامل استفاده از گازهای اکسیدکننده مانند بخار معمولی، دی‌اکسید کربن یا اکسیژن است که بر نانوبیوچار در دماهای بالای 700 تا 1200 درجه سانتی‌گراد اعمال می‌شود. روش فعال‌کردن شیمیایی، در حقیقت ترکیب زیست‌توده با اسید‌ها، بازها یا نمک‌ها قبل از کربونیزه شدن است. نانوبیوچاری که به صورت شیمیایی فعال می‌شود نسبت به فرایندهای فیزیکی، در دماهای پایین‌تری کربونیزه می‌شود، اما میزان سطح ویژه ایجاد شده در اثر هر دوی این فرایندها تقریباً مشابه است [2و3].

4 - اثر نانوبیوچار بر میزان کربن آلی خاک
همان‌طور که اشاره شد، کربن آلی خاک (SOC) به مرور زمان تجزیه شده و به صورت گاز دی‌اکسید کربن به اتمسفر انتشار می‌یابد. بر اساس نتایج به دست آمده، اضافه کردن نانوبیوچار به خاک به میزان قابل توجهی کربن آلی خاک را افزایش می‌دهد. در تحقیقی، با اضافه کردن 8 درصد نانوبیوچار به خاک، میزان کربن آلی حدود 41 درصد افزایش یافت و پس از گذشت 210 روز از این آزمایش، از نانوبیوچار افزوده شده به خاک کاسته نشد. بر اساس نتایج، این فرضیه به اثبات می‌رسد که نانوبیوچار موجب افزایش پایداری کربن آلی خاک شده و میزان معدنی شدن (Mineralization) آن کاهش می‌یابد. افزایش پایداری کربن آلی خاک به سه حالت 1) تثبیت شدن فیزیکی کربن آلی در خلال تجمع و فلوکوله شدن (Aggregation)، 2) ترکیب شدن و پیوستگی کربن آلی با ذرات رس و سیلت خاک و 3) تثبیت بیوشیمیایی از طریق تشکیل ترکیبات SOC مقاوم به تجزیه، است. در بین عوامل ذکر شده، جذب شدن کربن آلی خاک به درون بیوچار، محتمل‌ترین حالت افزایش پایداری SOC محسوب می‌شود. در اکثر تحقیقات نیز با اضافه کردن بیوچار به خاک، تجزیه SOC کاهش می‌یابد [1].

5 - اثر نانوبیوچار بر انتشار دی‌اکسید کربن از خاک
در ابتدا و با اضافه کردن بیوچار به خاک، میزان انتشار دی‌اکسید کربن افزایش می‌یابد. در بررسی‌های انجام شده با افزودن 8 درصد بیوچار به خاک، در مدت زمان 20 روز اولیه، میزان انتشار گاز دی‌اکسید کربن در خاک حاوی بیوچار افزایش یافت. اما پس از گذشت 120 روز از انجام آزمایش، خروج گاز دی‌اکسید کربن از خاک حاوی بیوچار بسیار کمتر بود. با افزایش بیوچار خاک، در مدت زمان‌های طولانی، میزان انتشار گاز دی‌اکسید کربن کاهش می‌یابد. نتایج نشان داد که پس از گذشت 7 ماه، خروج گاز دی‌اکسید کربن از خاک حاوی 8 درصد بیوچار نسبت به خاک بدون بیوچار، به میزان 29 درصد کمتر بود. البته تمامی این اعداد نسبی بوده و بسته نوع خاک می‌تواند متفاوت باشد. به طور کلی انتشار گاز دی‌اکسید کربن از خاک به شرایط خاک، جمعیت میکروبی خاک و خصوصیات فیزیکوشیمیایی بیوچار بستگی دارد. البته با اضافه کردن بیوچار به خاک، بخش ناپایدار آن ممکن است موجب تحریک و افزایش رشد میکروارگانیسم‌ها شود. منافذ ماکرو بیوچار موجب می‌شود که ظرقیت نگهداری رطوبت خاک افزایش یاید، افزایش رطوبت به معنی کاهش تجزیه شدن SOC است. بنابراین بیوچار به طور غیرمستقیم و با افزایش رطوبت خاک موجب کاهش انتشار گاز دی‌اکسید کربن می‌شود [1].

6 - نتیجه‌گیری کلی
افزودن نانوبیوچار به خاک باعث افزایش پایداری کربن آلی خاک در برابر عوامل محیطی و کاهش معدنی شدن آن می‌شود. همین امر موجب می‌شود تا میزان انتشار گاز دی‌اکسید کربن به میزان قابل توجهی کاهش یابد. از سوی دیگر با تثبیت کربن آلی خاک، منجر به افزایش کربن آلی می‌شود. افزایش کربن آلی نیز اثراتی چون بهبود ساختمان خاک، افزایش ظرفیت نگهداری آب، افزایش فعالیت میکروارگانیسم‌ها و فراهمی هرچه بیشتر و بهتر عناصر غذایی برای خاک را به همراه دارد. بنابراین، هر چه میزان بیوچار خاک افزایش یابد، اثرات مثبت آن در محیط زیست نیز بیشتر و بیشتر خواهد شد.

منابـــع و مراجــــع

[1].Atkinson, C.J., Fitzgerald, J.D. and Hipps, N.A. (2010). Potential mechanisms for achieving agricultural benefits from biochar application to temperate soils: a review. Plant and Soil, 337(1-2): 1-18.

[2].Hua, L., Lu, Z., Ma, H. and Jin, S. (2014). Effect of biochar on carbon dioxide release, organic carbon accumulation, and aggregation of soil. Environmental Progress & Sustainable Energy, 33(3): 941-946.

[3].Peterson, S.C., Jackson, M.A. and Appell, M. (2013). Biochar: Sustainable and Versatile. 1143: 193-205.