Biowęgiel-pochodzenie i właściwości

Biowęgiel, inaczej karbonizat, biokarbon, jest znany już od tysiącleci. Zarówno w Japonii (pierwsze udokumentowane aplikacje doglebowe biowęgla z ryżu datowane są na 1697 r.), jak i po przeciwnej stronie globu, w Amazońskiej Puszczy. Badania prowadzone na terenie dzisiejszej Brazylii wskazują już na prekolumbijskie wykorzystywanie zwęglonych szczątków organicznych jako środka użyźniającego glebę. Zastanawiano się, jaką tajemnicę pozostawiły po sobie plemiona Indian niegdyś tam zamieszkujących. Okazało się, że sporą część profilu glebowego Terra Preta de Indio – czarnej ziemi Indian, zajmuje czarna substancja, o dużej zawartości próchnicy, co w okolicy, przy glebach silnie zerodowanych, jest wręcz niemożliwe. Po gruntownych badaniach tego obszaru dowiedziono, że profil glebowy Terra Preta miał pochodzenie antropogeniczne i był celowo oraz systematycznie kształtowany przez człowieka przez dłuższy okres czasu. Działania zamieszkujących tam plemion sprowadzały się do starej indiańskiej dewizy – produkcji tylko tego, co jest się w stanie zutylizować. W myśl tej zasady wprowadzano z powrotem do środowiska niezużyte zasoby, lecz by uniknąć chorób i zakażeń, spalano nieprzekompostowaną część odpadów gospodarskich (również odchody i szczątki ludzkie oraz zwierzęce), by w ten sposób chronić swoje siedliska przed chorobami i uzyskać cenny dodatek do gleby, który umożliwiał im uzyskiwanie większych plonów na słabych glebach. Popiół w ten sposób otrzymywany służył do sterylizacji odchodów i rozkładających się rozmaitych substancji organicznych w pobliżu siedlisk ludzkich.

Współczesna nauka określiła otrzymywanie biowęgla mianem procesu pirolizy (z greckiego πῦρ -ogień i λύσις –rozkład), co jest definiowane jako najstarszy proces termicznego, beztlenowego przetwarzania biomasy, w czasie którego powstają trzy frakcje produktów: olej, syngaz i biowęgiel. Proces ten można prowadzić w temperaturze od 350 do 700 °C. Na udział poszczególnych produktów procesu pirolizy składają się takie czynniki jak: temperatury spalania i tempo jej przyrostu, czas rozkładu, wartość ciśnienia oraz rodzaj substratów. Czynniki te są także kluczowe dla właściwości otrzymanych biowęgli i ich późniejszego zastosowania w rolnictwie czy ochronie środowiska, bowiem dzięki porowatej strukturze, wprowadzony do gleby biowegiel poprawia jej właściwości powietrzno-wodne, co sprzyja rozwojowi mikroorganizmów glebowych i zapewnia korzystne warunki dla ryzosfery roślin uprawnych.

Wśród substratów wykorzystywanych do produkcji biowęgla można znaleźć różnorodne materiały, są to np.: rośliny energetyczne (np. wierzba, miskant, topinambur, Amaranthus caudatus, czyli szarłat ogrodowy, ślazowiec pensylwański czy burak energetyczny), biomasa pochodzenia rolniczego (rośliny – np. słonecznik, rzepak, kukurydza, owies, różne ich części, nasiona chwastów, łuski ryżowe, kokos, puste owoce olejowca komposty, zarażone patogenami kiszonki), odpady z przetwórstwa rolno-spożywczego (przeterminowane i zepsute pożywienie, łupiny orzechów, pulpy pofermentacyjne, kości, pomiot kurzy, obornik), odpady leśne, osady ściekowe, organiczna część odpadów komunalnych czy też biomasa roślin wodnych.

Na właściwości biowęgla wpływają głównie, oprócz wspomnianej temperatury i technologii procesu pirolizy, właśnie właściwości substratów użytych do jego produkcji. Dla przykładu można podać, że by otrzymać biowęgiel charakteryzujący się dużym udziałem makrospor, substrat musi zawierać znaczną ilość biomasy lignocelulozowej, którego spalanie przebiega w warunkach powolnej pirolizy.

Materiał ten charakteryzuje się szeregiem pozytywnych właściwości, co czyni go możliwym do wykorzystania w różnych warunkach. Biowęgiel, oprócz połączeń organicznych zawiera także frakcję mineralną, którą tworzą mikro- i makroelementy, co dla organizmów glebowych i roślin stanowi cenne źródło składników pokarmu.

Choć sam biowęgiel nie jest żywą bądź martwą materią organiczną (taką jak żyjące rośliny czy kompost), to jednak ma znaczenie dla życia biologicznego gleby i wykazuje właściwości biologiczne, które doskonale wpisują się w potrzeby żywych organizmów. Poprzez swoją strukturę (liczne makro i mikropory, zawartość wody i powietrza, pierwiastki występujące na powierzchni ziaren) stanowi doskonałe podłoże i nośnik dla mikroorganizmów wprowadzanych do gleby czy do kompostu. Na przykład dla bakterii metanogennych spełnia nieocenioną funkcję adsorbowania i wymiany jonów na jego powierzchni reaktywnej takich substancji jak: amoniaku (NH3) i jonów amonowych (NH4), które są inhibitorami w procesie fermentacji metanowej (gdzie stężenie azotu przewyższające 3 g/L jest toksyczne dla tych mikroorganizmów). Natomiast dla rozwoju roślin przyczynia się dwojako: pośrednio- przez poprawę struktury gleby i jej właściwości oraz bezpośrednio jako rezerwuar składników pokarmowych, w postaci jonów występujących na powierzchni ziaren biowęgla.

Poprawa odczynu pH gleby w wyniku aplikacji biowęgla zależy od wielu czynników. Choć biowęgle mają zazwyczaj odczyn obojętny bądź zasadowy, to swoje właściwości alkalizujące zaznaczają w glebie, wprost proporcjonalnie do ilości wprowadzonego materiału. Badania nad odczynem gleb zanieczyszczonych chromem wykazały, że dodatek biowęgla (10 t/ha) zwiększył pH oraz wymianę jonową, zarówno gleb zanieczyszczonych, jak i kontrolnych.

^Źródła:

^{Bis Z. 2013. Biowęgiel jako alternatywa dla CCS, http://www.farmer.pl/produkcja-roslinna/nawozy/biowegiel-jako-alternatywa-dla-ccs,47903.html}

^{Major J. A new soil management tool for farmers and gardeners. http://www.upcycleorganics.com/documents-etc/ASD%20Guide%20to%20Biochar(3).pdf}

^{Malińska K. 2012. Biowęgiel odpowiedzią na aktualne problemy ochrony środowiska. Inżynieria i ochrona środowiska 4, 387-403.}

^{Mohan D., Sarswat A., Yong Sik Ok, Pittman Jr. C. U. 2014. Organic and inorganic contaminants removal from water with biochar, a renewable, low cost and sustainable adsorbent – a critical review. Biosource Technology 160, 191-202.}

^{Nigussie A., Kissi E., Misganaw M., Ambaw G. 2012. Effect of biochar application on soil properties and nutrient uptake on Lettuces (Lactuca sativa) grown in chromium polluted soils. American-Eurasian Journal on Agricultural and Environmental Sciences 12(3), 369-376.}

^{Xiang-Hong L., Xing-Chang Z. 2012. Effect of Biochar on pH of Alkaline Soils in the Loess Plateau: Results from Incubation Experiments. International Journal of Agriculture & Biology 14, 745-750.}

^{The virtues of biochar: A new growth industry? http://www.economist.com/node/14302001}

^{Yining S., Bin G., Ying Y., June F., Ming Z., Yanmei Z., Hao C., Liuyan Y. 2014. Effects of feedstock type, production method, and pyrolysis temperature on biochar and hydrochar properties. Chemical Engineering Journal 240, 574-578.}