Tecnologia de Biochar

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O biochar é semelhante a outras matérias orgânicas carbonizadas, como o carvão vegetal. Ele é desenvolvido principalmente para a remediação de solos, seja em um ambiente agrícola ou para reabilitação mais geral do solo. Ele pode ser trabalhado no solo para aumentar os rendimentos, e sua alta estabilidade significa que ele pode armazenar carbono no solo por longos períodos de tempo. Diferentes métodos de produção levam a diferentes subprodutos que podem ser usados ​​como biocombustíveis.

NB O campo do biochar aborda muitos tópicos diferentes, incluindo microbiologia, química orgânica, termodinâmica, agronomia e ecologia. É extremamente difícil ter domínio de qualquer um desses campos que seja aplicável a um tópico emergente como o biochar, muito menos de todos eles. Portanto, é muito apreciado e encorajado que outros adicionem a esta página de acordo com sua expertise.

História

O biochar é comumente associado à Terra Preta, ou Terras Escuras, descobertas pelos europeus quando chegaram à bacia amazônica. Em solos tropicais, que geralmente são pobres em nutrientes, havia faixas significativas que eram muito mais escuras e produtivas do que outros solos mais claros. Acreditava-se que os povos amazônicos adicionavam emendas ao solo de forma a aumentar muito sua produtividade, emendas que eram estáveis ​​por milhares de anos. Embora não exista nenhuma maneira de determinar exatamente o método ou a lógica por trás da Terra Preta, algum método de produção de carvão (por meio de pirólise) de matéria orgânica parece ser o eixo, e melhorar a produtividade do solo o objetivo final. ^[1]

Desde essa descoberta, o biochar encontrou seu caminho para vários cantos do globo. Desde 1800, tem havido uma crescente apreciação pelos benefícios positivos das emendas de solo com carvão. Biochar é um termo desenvolvido recentemente, indicando matéria orgânica pirolisada desenvolvida para fins de introdução em campos agrícolas e melhoria de solos esgotados. Recentemente, energia significativa está sendo direcionada para a caracterização do biochar, pois uma variedade de matérias-primas pode ser pirolisada sob uma ampla gama de condições para atingir uma série de propósitos. O biochar não é útil apenas para melhorar a produtividade do solo, mas também pode sequestrar carbono, utilizar resíduos e produzir energia durante o processo de pirólise. Todos esses aspectos incentivam os esforços de pesquisa em países desenvolvidos e em desenvolvimento. ^[2] Os principais países produtores de biochar e sua produção estão resumidos abaixo ^[3] ( http://www.ecy.wa.gov/pubs/1107017.pdf ):

Teoria Científica/Engenharia

Vários aspectos do biochar lhe emprestam as qualidades favoráveis ​​que ele possui. Entre elas, propriedades químicas, capacidades de nutrientes e interações microbianas.

Propriedades químicas

O processo de pirólise transforma um composto em outro apenas pelo calor. ^[4] A pirólise é usada para transformar uma determinada matéria-prima de biomassa (resíduos de colheita, esterco, madeira, etc.) em biochar. Uma série de fatores afeta essa progressão, incluindo taxa de aquecimento, temperatura, tempo de aquecimento e tamanho das partículas. ^[2] Em qualquer substância orgânica, quantidades variáveis ​​de hidrogênio, oxigênio e carbono serão encontradas, entre outros elementos. Durante o processo de pirólise, os elementos são liberados em diferentes proporções. As proporções de diferentes elementos são indicativas da estabilidade da substância. As proporções de hidrogênio para carbono (H/C) e oxigênio para carbono (O/C), especialmente, são usadas para medir a estabilidade da substância. A diminuição nas proporções H/C e O/C corresponde a um processo conhecido como aromatização, ou a formação de anéis aromáticos. Um composto aromático é significativamente mais estável. Para quantificar isso, o combustível não queimado tem uma relação H/C aproximada de 1,5, enquanto o carbono negro é considerado como tendo uma relação de H/C menor ou igual a 0,2. ^[2] O biochar processado pode ter uma faixa de valores de H/C, mas aqueles pirolisados ​​a cerca de 400 C podem ter relações H/C abaixo de 0,5. ^[2] Novamente, a escolha da matéria-prima pode ter influência substancial nessas relações. O aumento da alteração térmica, devido às temperaturas mais altas de pirólise, leva à aromatização de compostos celulósicos. ^[5] Isso é demonstrado na tabela a seguir pela diminuição dos compostos H/C e O/C:

Os compostos aromáticos são muito mais estáveis ​​do que os compostos alifáticos, razão pela qual se considera que o biochar dura tanto tempo nos solos. Acredita-se que alguns biochars durem milhares de anos, por exemplo, a Terra Preta na Amazônia. O acúmulo de matéria orgânica se deve em grande parte à estabilidade de tais corretivos do solo, levando a uma maior fertilidade do solo. ^[6]

Capacidades de Nutrientes

Um aspecto crítico do biochar é o efeito que ele tem sobre os nutrientes do solo. O biochar fornece nutrientes diretamente ao solo quando é adicionado. Eles também são altamente variáveis ​​e dependentes da matéria-prima. Por exemplo, concentrações mais altas de fósforo são encontradas em estoques de ração de origem animal. O nitrogênio total também é maior para biochars produzidos apenas a partir de plantas. ^[2] No entanto, os nutrientes fornecidos diretamente pelo biochar são geralmente vistos como menores em comparação a outros benefícios. ^[2] Foi demonstrado que o biochar aumenta a capacidade de troca catiônica nos solos. ^[7] Isso, por sua vez, resulta em uma maior retenção de nutrientes pelo biochar, que é disponibilizado às plantas, aumentando o rendimento. ^[8] Além disso, o biochar aumenta o pH dos solos, o que tem efeitos de interação com a disponibilidade de nutrientes. ^[8] Notavelmente, alguns rendimentos foram relatados como declinantes ao aumento do pH causado pela aplicação do biochar. ^[2] Deve-se prestar atenção cuidadosa às circunstâncias de uso.

Interações microbianas

O biochar tem muitos efeitos sobre as populações microbianas. Ele pode fornecer habitat e proteção contra predadores. ^[2] Nos solos de Terra Preta da Amazônia, em comparação com os solos circundantes, há maior biomassa microbiana, juntamente com uma menor taxa de respiração, o que indica maior eficiência. ^[7] Correspondente a isso, há uma menor proporção de CO2 para biomassa microbiana C, que é considerada responsável pela longevidade da Terra Preta. ^[2] A aeração do solo e a capacidade de retenção de água são influenciadas pelas adições de biochar, o que leva à diminuição do espaço poroso anaeróbico. Isso, por sua vez, limita a possível atividade dos micróbios para participar do ciclo de desnitrificação e resulta na diminuição das emissões de N2O. ^[9] A fixação biológica de nitrogênio também demonstrou melhorar drasticamente com adições de biochar. ^[10] Numerosas outras interações ocorrem com uma variedade de bactérias e fungos. Comunidades microbianas herdadas devem ser consideradas ao introduzir o biochar.

Produção

Ao considerar a produção de biochar, é essencial saber de antemão o que é desejado. Diferentes produtos são gerados em diferentes pontos operacionais. A pirólise de temperatura mais baixa (<400 C) produz maiores proporções de sólidos. A pirólise rápida, que ocorre entre 400 e 600 C, fornece principalmente um produto líquido, e a gaseificação, que ocorre acima de 600 C, fornece produtos gasosos. ^[11]

Biocombustíveis e gases sintéticos são produzidos durante a pirólise em quantidades variáveis. Esses gases sintéticos, ou gases sintéticos, são compostos de monóxido de carbono, metano e gases de hidrogênio, e podem ser usados ​​para continuar o processo de pirolização, após uma certa quantidade de energia de entrada. Essa energia de entrada necessária é de cerca de 10-20% da energia total produzida por esse mecanismo. Isso demonstra que a produção de biochar é, na verdade, um processo positivo em energia, ou exotérmico. Os agricultores que usam essa técnica podem, teoricamente, ser produtores líquidos de energia. ^[12]

Fatores-chave

O tipo de biochar produzido também varia amplamente com a temperatura. Abaixo está um gráfico que resume as considerações concorrentes que influenciam na produção de biochar.

Várias coisas são importantes a serem observadas:

1. O aumento rápido e extremo da área de superfície além de um certo limite, aproximadamente 450 C.
2. O aumento gradual (capacidade de troca catiônica e pH) ou declínio (recuperação de carbono) de outros fatores em toda a faixa de temperaturas.
3. O ótimo apresentado aqui ocorre em torno de 450-550 C, tanto para capturar o aumento na área de superfície quanto para limitar o declínio na recuperação de carbono.

Novamente, a escolha dos fatores depende do propósito final pretendido do biochar. Maior sequestro de carbono ocorre com maior recuperação de carbono, mas o biochar será menos estável, devido a uma transição limitada de carbono alifático para aromático. Outros benefícios também serão limitados, como a capacidade de retenção de água e o efeito de calagem pelo qual o biochar é frequentemente notado. Na conversão para carbono aromático, mencionada acima como aumentando com a temperatura, a disponibilidade de nutrientes no próprio biochar também diminui. Isso ocorre junto com o aumento da capacidade de troca catiônica, que, como foi visto anteriormente, pode ser responsável pela maior disponibilidade de nutrientes do solo. Outros fatores além da temperatura também desempenham um papel crítico. Isso inclui taxa de aquecimento, tempo de aquecimento e tamanho de partícula.

Considerações sobre o projeto do reator

Existe uma grande variedade de reatores disponíveis para processar biochar, e eles podem ser classificados por uma série de propriedades. ^[13]

Taxa de transferência de calor

A pirólise lenta ocorre a uma taxa de 5-7 C/min, e produz menos líquido e mais carvão. A pirólise rápida incorpora taxas de aquecimento acima de 300 C/min e gera principalmente bio-óleo. A tabela a seguir resume a produção de diferentes fases sob diferentes condições. ^[14]

Modo de operação

Podem ser utilizados métodos em lote, semi-lote e contínuo. Os métodos em lote são principalmente para gerar biochar, então subprodutos como bio-óleo e gases não são utilizados e frequentemente ventilados, levando a poluição significativa. Como ele deve passar por um ciclo repetitivo de aquecimento e resfriamento, muita energia é gasta neste método. As configurações em semi-lote transferem calor entre reatores em lote, levando a menores gastos de energia. O líquido pode ser recuperado, mas o biochar é o principal produto desejado. Os reatores contínuos são mais eficientes do que os em lote ou semi-lote, mas têm suas próprias limitações. Conhecimento técnico, vazão de matéria-prima e investimento de capital são todos significativos.

Métodos de aquecimento

O aquecimento pode ocorrer por meio de combustão parcial, carbonização por gases inertes ou aquecimento indireto. A combustão parcial é geralmente o modo utilizado para reatores de pequena escala. Uma parte da matéria-prima é queimada, o que gera a energia necessária para que o processo continue. Gases inertes podem ser aquecidos fora do reator com outra fonte de combustível e colocados em contato com a matéria-prima. Isso leva à carbonização em biochar e produz altos rendimentos. O reator também pode ser aquecido de fora, com a matéria-prima mantida em um ambiente anóxico. Com o início da pirólise, os gases produzidos podem gerar energia para continuar o processo. Os subprodutos podem ser recuperados mais facilmente e os rendimentos são altos.

Outros fatores

Vários outros fatores entram em jogo no projeto do reator, incluindo:

• Materiais de construção
• Portabilidade
• Posição do reator
• Matérias-primas
• Mecanismos de Carga e Descarga
• Tamanho do forno
• Ignição de Matéria-prima
• Controle de Processo
• Pressão
• Pré-tratamento

Estes são discutidos mais detalhadamente em "Métodos para a produção de biochar e biocombustíveis avançados no estado de Washington". ^[15] No entanto, para aplicação em países em desenvolvimento, pode ser melhor descrever brevemente alguns projetos específicos.

Opções de produção

Fornos de Poço e Monte

Fornos de poço e monte são os tipos mais simples de fornos. Em um forno de poço, um pequeno fogo é iniciado dentro de um poço e madeira adicional é adicionada. Folhas e galhos são empilhados em cima para fazer uma espécie de prateleira para a terra ser adicionada em cima. Deve ser continuamente gerenciado para permitir o fluxo de ar adequado. Um forno de monte segue um tipo semelhante de operação, apenas a pirólise ocorre acima do solo, e as entradas de ar fornecem meios mais regulares de regular o fluxo de ar. Ambos os fornos têm rendimento limitado de biochar e contribuem muito para a poluição do ar.

Forno de tijolos

Um forno de tijolos também pode ser utilizado para fazer biochar. Este é um reator de lote simples com uma camada externa de tijolos, com filtragem de ar e duas portas para carregar e descarregar o char.

Forno de metal

Um exemplo de forno de metal é o produzido pelo Tropical Products Institute (TPI). Um corpo cilíndrico é coberto por uma seção cônica. Esta tampa tem portas de liberação de vapor, e o corpo tem entradas de ar ao redor da parte inferior. Este projeto permite que o ar seja controlado muito mais facilmente do que os fornos de lama ou tijolo, e tende a produzir mais biochar de melhor qualidade. Infelizmente, este projeto ainda produz quantidades significativas de poluição do ar.

Forno de concreto

Esta é uma estrutura retangular feita de concreto com portas de aço. Também é conhecido como forno Missouri. Ele pode produzir cerca de 3 vezes a quantidade de biochar que um forno de tijolos, mas com melhor qualidade. Embora tecnicamente complexo, este forno tem várias vantagens. Os termopares permitem o monitoramento da temperatura, o que facilita o controle do fluxo de ar. As chaminés podem ser aumentadas com uma chaminé e pós-combustor para limitar as emissões atmosféricas. ^[2]

Rendimentos

A tabela a seguir resume o rendimento potencial de carvão desses fornos. ^[16]

Existem muitos outros projetos de fornos mais complexos, mas eles provavelmente estão fora do escopo de recursos para pequenos agricultores que se beneficiariam mais das aplicações de biochar.

Impactos

Biochar, como mencionado acima, tem algumas características importantes que levaram à sua popularidade. Elas incluem:

• Sequestro de carbono
• Aproveitamento de resíduos orgânicos
• Geração de energia
• Melhoria do solo

Sequestro de Carbono

Durante o processo de pirólise, as estruturas de carbono são convertidas da forma alifática para aromática. Essa aromaticidade leva a uma alta estabilidade no solo. Assim, se o material orgânico, como resíduos de colheita, esterco ou madeira, for pirolisado e trabalhado no solo, o carbono presente nesses materiais permanecerá no solo por um período significativo, talvez na ordem de milhares de anos. Projeta-se que quantidades substanciais de carbono podem ser sequestradas no solo. ^[2]

Algumas restrições devem ser atendidas para que isso funcione. A taxa na qual o carbono nas plantas é convertido em biochar deve corresponder à taxa na qual as plantas são cultivadas. Além disso, a taxa de decomposição do biochar deve ser mais lenta do que a das plantas. ^[2] Isso depende, como discutido anteriormente, da transição do carbono alifático para o aromático. Variações na produção e aplicação do biochar afetam as escalas potenciais de sequestro, mas Johannes Lehmann, da Universidade Cornell, estimou que as terras cultiváveis ​​poderiam armazenar 224 gigatoneladas de carbono (GtC), e as pastagens temperadas poderiam sequestrar 175 GtC. Esta é uma quantidade aproximadamente equivalente a toda a biomassa da Terra. ^[17] Cerca de um quarto dessa quantidade total poderia ser garantida por duas mudanças na prática. Uma é mudar de corte e queima para corte e carvão, onde as árvores derrubadas são transformadas em biochar e transformadas no solo, em vez de simplesmente queimadas. Uma segunda é desviar os resíduos para o biochar.

Remoção de resíduos

A geração de resíduos orgânicos é uma preocupação crescente. Os resíduos gerados por populações humanas e animais devem ser tratados de forma produtiva. Infelizmente, esses resíduos frequentemente poluem recursos de águas superficiais e subterrâneas. O biochar oferece uma solução para isso, pois os resíduos orgânicos podem ser usados ​​como matéria-prima. A remoção de resíduos limita os efeitos sobre as mudanças climáticas de várias maneiras:

• Redução das emissões de metano provenientes da decomposição de resíduos
• Redução do uso de energia para reciclagem e transporte de resíduos
• Recuperação de energia ^{[2] [18]}

Geração de energia

Conforme discutido acima, o processo de pirólise pode ser usado para gerar energia, além do biochar. No entanto, ao longo da faixa de temperaturas operacionais de produção, há uma compensação entre a quantidade de biochar produzida e a energia produzida. É provável que quantidades realmente significativas de energia possam ser geradas, a ponto de a produção de biochar poder representar uma fonte de energia alternativa, embora longe de ser suficiente por si só. ^[2] A pirólise pode oferecer uma alternativa mais limpa à simples queima de biomassa, também, apresentando uma solução potencial para o problema da qualidade do ar interno em muitos países em desenvolvimento.

Melhoria do solo

Finalmente, há o papel que o biochar pode desempenhar na melhoria do solo. Isso pode acontecer pela aplicação direta de nutrientes encontrados no biochar, mas também indiretamente. Tais benefícios podem ser aproveitados para maior produtividade agrícola e reabilitação mais geral do solo de terrenos degradados ou desertificados.

O estado atual da agricultura está longe de ser sustentável. A ênfase pesada em monoculturas leva à mineração de nutrientes do solo. O uso excessivo de fertilizantes inorgânicos corre o risco de acidificar o solo, além de níveis extremos de escoamento superficial que poluem as águas a jusante, criando zonas mortas. O biochar sozinho não resolverá esses problemas, mas é um componente importante de uma mudança de direção.

Durante a produção, os gases no material orgânico são queimados, deixando para trás principalmente carbono com uma grande quantidade de espaço poroso e área de superfície. ^[19] Conforme discutido acima, essas qualidades aumentam a capacidade de retenção de água e a capacidade de troca de cátions, o que por sua vez aumenta a disponibilidade de nutrientes do solo para as plantas. Isso dá longevidade ao solo e reduz a necessidade de uso de fertilizantes. O biochar também pode aumentar a eficiência da biota do solo. Além disso, o biochar dá um efeito de calagem ao solo, aumentando o pH e a disponibilidade de nutrientes para as plantas.

Os efeitos reais do biochar no solo, como foi mencionado inúmeras vezes neste artigo, dependem de vários fatores:

• Matéria-prima utilizada
• Taxa de aplicação e combinação com fertilizantes
• Condições de produção
• Tipo de solo e comunidade microbiana associada
• Culturas cultivadas

Assim, é quase impossível, neste ponto, *prever* os efeitos do biochar nos solos. A caracterização do biochar continua sendo uma tarefa incrivelmente importante para os propósitos de definir propriedades relevantes e permitir a comunicação sobre vários tipos. As propriedades da matéria-prima que são importantes a serem consideradas incluem: ^[2]

• Proporção de componentes orgânicos, incluindo lignina, celulose e outros
• Proporção de compostos inorgânicos
• Proporção de materiais não-biomassa
• Distribuição de volume, densidade real, porosidade e tamanho dos poros
• Distribuição do tamanho das partículas
• Resistência à compressão e à tração
• Teor de umidade

Destes, para simplificar a classificação, foram propostos quatro parâmetros: ^[2]

• Conteúdo de carbono, hidrogênio e oxigênio, e fração lábil e estável do C total
• Composição por outros elementos
• Distribuição da área de superfície e do tamanho dos poros
• pH e capacidade de troca catiônica

Os parâmetros de produção de biochar, enumerados brevemente acima, também precisam ser registrados e documentados.

Avaliação

Devido à grande variedade de condições que levam à produção de biochar, vários efeitos, tanto positivos quanto negativos, foram relatados. Os efeitos para a agricultura são principalmente em termos de rendimento melhorado. Medidas de nutrientes do solo, capacidade de retenção de água e pH também são importantes. Vários testes foram conduzidos com biochar, e os efeitos sobre o rendimento das colheitas foram registrados. Algumas razões dadas para melhorias são: ^[2]

• Capacidade de retenção de água
• Cor preta na temperatura
• Aumento da absorção de N
• Fertilizante retido
• pH mantido
• Melhoria da nutrição de nutrientes como P, K e Cu
• Aumento da disponibilidade de P e N
• Melhorando as propriedades físicas do solo endurecido
• Efeito de calagem (aumento do pH)

Algumas razões para reduções de rendimento são:

• Deficiência de micronutrientes induzida por pH
• Mudança nas propriedades do solo

Uma gama de respostas foi registrada para diferentes parâmetros. Biomassa, rendimento, densidade de árvores, altura e volume são todos potenciais descritores da resposta do biochar, mas o rendimento é provavelmente o mais amplamente aplicável. Uma gama de respostas no rendimento é conhecida, de uma redução de 71% a um aumento de até 880%. ^[2]

Outra revisão das respostas das culturas às aplicações de biochar encontrou os seguintes resultados: ^[20]

• Um aumento médio de 10% na produção agrícola, com uma variação de 55% de redução a 65% de aumento na produtividade agrícola
• Melhorias modestas para solos ácidos e neutros (14% e 13%, respectivamente)
• Melhorias semelhantes para solos de textura grossa e média (10% e 13%, respectivamente)

A ampla gama de condições operacionais e dados registrados nos testes revisados ​​apontam para a necessidade de registrar e comunicar a quantidade máxima de informações possível. Isso ajudará os pesquisadores a analisar o efeito de vários detalhes.

Recomendações

Dado o tremendo potencial do biochar para aliviar as mudanças climáticas, aumentar a produtividade agrícola, utilizar resíduos de forma eficaz e gerar energia, é essencial aprender o máximo possível sobre ele e as melhores maneiras de usá-lo. Algumas etapas para incentivar isso incluem:

• Desenvolvimento de um sistema de classificação universal de biochars
• Desenvolvimento de um conjunto padrão de dados para coleta durante testes de biochar
• Limitar as tendências poluentes dos reactores de biochar, mantendo a simplicidade e a disponibilidade para os pequenos agricultores e garantindo a recuperação dos subprodutos
• Realização de testes de biochar em uma ampla gama de condições de pirólise - temperatura, taxa de aquecimento, pressão, etc.
• Avaliar quais culturas respondem melhor a diferentes aplicações de biochar, para tornar esses resultados o mais relevantes possível para pequenos agricultores

Disseminação

Vários grupos estão promovendo e apoiando o uso de biochar. Alguns deles incluem:

• Iniciativa Internacional de Biochar (IBI) - A principal fonte de informações sobre biochar, a IBI dissemina informações sobre biochar, além de desenvolver diretrizes de sustentabilidade e monitorar projetos de biochar. [1]
• Biochar Farms - A missão da Biochar Farms é reunir e compartilhar informações confiáveis ​​sobre biochar. [2]
• Lista de discussão sobre biochar - Este site tem uma série de discussões sobre vários aspectos do biochar - produção e compra de biochar, pesquisas em andamento, etc. [3]

Referências

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Dados da página

Autores	Sou Wohlgemuth
Licença	CC-BY-SA-3.0
Linguagem	Inglês (en)
Traduções	Turco , Português
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Criado	25 de abril de 2012 por AmWohlgemuth
Modificado	29 de junho de 2023 por Irene Delgado
Citar como	AmWohlgemuth (2012–2023). "Tecnologia Biochar" . Appropedia . Recuperado em 4 de setembro de 2024 .
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