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Biochar é semelhante a outras matérias orgânicas carbonizadas, como o carvão. É desenvolvido principalmente para a remediação de solos, seja num ambiente agrícola ou para uma reabilitação mais geral do solo. Pode ser aplicado no solo para aumentar a produtividade e sua alta estabilidade significa que 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 todos eles. Portanto, é muito apreciado e incentivado que outros adicionem informações a esta página de acordo com seus conhecimentos.

História

Biochar está comumente ligado à Terra Preta, ou Terras Negras, descobertas pelos europeus quando chegaram à bacia amazônica. Nos solos tropicais, que são normalmente pobres em nutrientes, existiam faixas significativas que eram muito mais escuras e mais produtivas do que outros solos mais leves. Acreditava-se que os povos amazônicos acrescentavam corretivos ao solo de forma a aumentar muito a sua produtividade, emendas que permaneceram 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 vegetal (via pirólise) de matéria orgânica parece ser o eixo, e melhorar a produtividade do solo o objetivo final. ^[1]

Desde esta descoberta, o biochar chegou a vários cantos do globo. Desde 1800, tem havido uma apreciação crescente dos benefícios positivos dos corretivos de solo com carvão. Biochar é um termo desenvolvido recentemente, indicando matéria orgânica pirolisada desenvolvida para introdução em campos agrícolas e melhoria de solos esgotados. Recentemente, uma energia significativa está sendo direcionada para a caracterização do biochar, uma vez que uma variedade de matérias-primas pode ser pirolisada sob uma ampla gama de condições para atingir uma variedade 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 estes aspectos incentivam os esforços de investigação tanto nos países desenvolvidos como nos países 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 conferem-lhe as qualidades favoráveis ​​que possui. Isso inclui propriedades químicas, capacidades de nutrientes e interações microbianas.

Propriedades quimicas

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 agrícolas, esterco, madeira, etc.) em biocarvão. Uma série de fatores afeta essa progressão, incluindo taxa de aquecimento, temperatura, tempo de aquecimento e tamanho das partículas. ^[2] Em qualquer substância orgânica serão encontradas quantidades variadas de hidrogênio, oxigênio e carbono, entre outros elementos. Durante o processo de pirólise, os elementos são liberados em diferentes proporções. As proporções dos 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 das relações H/C e O/C corresponde a um processo conhecido como aromatização, ou 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 H/C menor ou igual a 0,2. ^[2] O biocarvão processado pode ter uma faixa de valores H/C, mas aqueles pirolisados ​​a cerca de 400 C podem ter proporções H/C abaixo de 0,5. ^[2] Novamente, a escolha da matéria-prima pode ter influência substancial nessas proporções. O aumento da alteração térmica, devido às temperaturas mais elevadas de pirólise, leva à aromatização de compostos celulósicos. ^[5] Isto é demonstrado na tabela a seguir pela diminuição dos compostos H/C e O/C:

Os compostos aromáticos são muito mais estáveis ​​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. A acumulação de matéria orgânica deve-se em grande parte à estabilidade de tais correcções do solo, levando a uma maior fertilidade do solo. ^[6]

Capacidades nutricionais

Um aspecto crítico do biochar é o efeito que ele tem sobre os nutrientes do solo. Biochar fornece nutrientes diretamente ao solo quando é adicionado. Estes também são altamente variáveis ​​e dependentes da matéria-prima. Por exemplo, concentrações mais elevadas de fósforo são encontradas em rações 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 com outros benefícios. ^[2] Foi demonstrado que o biochar aumenta a capacidade de troca catiônica nos solos. ^[7] Isso, por sua vez, resulta em 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 diminuindo devido ao aumento no pH provocado pela aplicação de biochar. ^[2] Deve-se prestar muita atenção às circunstâncias de uso.

Interações microbianas

Biochar tem muitos efeitos nas populações microbianas. Pode fornecer habitat e proteção contra predadores. ^[2] Nos solos de Terra Preta da Amazônia, em comparação com os solos circundantes, está presente um aumento da biomassa microbiana, juntamente com uma menor taxa de respiração, o que indica maior eficiência. ^[7] Correspondente a isso está uma proporção menor 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. Isto, por sua vez, limita a possível atividade dos micróbios para participarem no 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. As comunidades microbianas herdadas devem ser consideradas ao introduzir o biochar.

Produção

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

Biocombustíveis e gases sintéticos são produzidos durante a pirólise em quantidades variadas. Esses gases sintéticos, ou gases de síntese, são constituídos pelos gases monóxido de carbono, metano e hidrogênio, e podem ser utilizados para dar continuidade ao processo de pirolização, após certa quantidade de energia de entrada. Esta energia de entrada necessária é cerca de 10-20% da energia total produzida por este mecanismo. Isso demonstra que a produção de biochar é na verdade um processo com energia positiva ou exotérmico. Os agricultores que utilizam esta técnica podem, teoricamente, ser produtores líquidos de energia. ^[12]

Fatores principais

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

Várias coisas são importantes de 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 da finalidade final do biochar. Um maior sequestro de carbono ocorre com uma maior recuperação de carbono, mas o biochar será menos estável, devido a uma transição limitada do carbono alifático para o carbono aromático. Outros benefícios também serão limitados, como a capacidade de retenção de água e o efeito de calagem, pelo qual o biochar é frequentemente observado. Na conversão em carbono aromático, mencionada acima como aumentando com a temperatura, a disponibilidade de nutrientes no próprio biocarvão também diminui. Isto ocorre paralelamente ao aumento da capacidade de troca catiônica, que, como visto anteriormente, pode ser responsável pela maior disponibilidade de nutrientes do solo. Outros fatores além da temperatura também desempenham um papel crítico. Estes incluem taxa de aquecimento, tempo de aquecimento e tamanho de partícula.

Considerações sobre o projeto do reator

Uma grande variedade de reatores está disponível para processar biochar e pode ser classificada 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

Métodos em lote, semi-lote e contínuo podem ser utilizados. Os métodos em lote destinam-se principalmente à geração de biochar, de modo que subprodutos como bioóleo e gases não são utilizados e muitas vezes são liberados, levando a uma poluição significativa. Como deve passar por um ciclo repetitivo de aquecimento e resfriamento, muita energia é gasta nesse método. As configurações semi-lote transferem calor entre os reatores descontínuos, 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 batelada ou semi-batelada, mas têm suas próprias limitações. Conhecimento técnico, taxa de fluxo de matéria-prima e investimento de capital são todos significativos.

Métodos de aquecimento

O aquecimento pode ocorrer por 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 a continuidade do processo. Os 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 externamente, com a matéria-prima mantida em ambiente anóxico. Com o início da pirólise, os gases produzidos podem gerar energia para dar continuidade ao processo. Os subprodutos podem ser recuperados mais facilmente e os rendimentos são elevados.

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 da matéria-prima
• Controle do processo
• Pressão
• Pré-tratamento

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

Opções de produção

Fornos de poço e monte

Os fornos de fossa e monte são os tipos mais simples de fornos. Em um forno de fossa, um pequeno fogo é aceso dentro de uma cova e lenha adicional é adicionada. Folhas e galhos são empilhados em cima para formar uma espécie de prateleira para colocar sujeira em cima. Deve ser gerenciado continuamente para permitir a entrada adequada de ar. 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 enormemente para a poluição do ar.

Forno de tijolos

Um forno de tijolos também pode ser utilizado para fazer biochar. Trata-se de um reator descontínuo simples com camada externa de tijolo, com filtragem de ar e duas portas para carga e descarga de carvão.

Forno Metálico

Um exemplo de forno metálico é o produzido pelo Tropical Products Institute (TPI). Um corpo cilíndrico é coberto por uma seção cônica. Esta tampa possui portas de liberação de vapor e o corpo possui entradas de ar na parte inferior. Este projeto permite que o ar seja controlado muito mais facilmente do que nos fornos de lama ou tijolos e tende a produzir mais biocarvão de maior qualidade. Infelizmente, este projeto ainda produz quantidades significativas de poluição atmosférica.

Forno de concreto

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

Rendimentos

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

Existem muitos outros designs de fornos mais complexos, mas estes provavelmente estão fora do alcance dos recursos para os pequenos agricultores que mais se beneficiariam com as aplicações de biochar.

Impactos

Biochar, como mencionado acima, possui algumas características importantes que levaram à sua popularidade. Esses 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 materiais orgânicos, tais como resíduos agrícolas, esterco ou madeira, forem pirolisados ​​e incorporados ao solo, o carbono presente nestes materiais permanecerá no solo por um período significativo, talvez da ordem de milhares de anos. Prevê-se que quantidades substanciais de carbono possam 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 biocarvão deve corresponder à taxa na qual as plantas são cultivadas. Além disso, a taxa de decomposição do biochar deve ser mais lenta que a das plantas. ^[2] Isto depende, como discutido anteriormente, da transição do carbono alifático para o carbono aromático. Variações na produção e aplicação de biochar afetam as escalas potenciais de sequestro, mas Johannes Lehmann, da Universidade Cornell, estimou que as terras agrícolas 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 deste montante total poderia ser garantido através de duas mudanças na prática. Uma delas é mudar de corte e queima para corte e carbonização, onde as árvores derrubadas são transformadas em biocarvão e transformadas no solo, em vez de simplesmente queimadas. Uma segunda é desviar resíduos para biochar.

Remoção de resíduos

A geração de resíduos orgânicos é uma preocupação crescente. Os resíduos gerados pelas populações humanas e animais devem ser tratados de forma produtiva. Infelizmente, estes resíduos poluem frequentemente os recursos hídricos superficiais e subterrâneos. Biochar oferece uma solução para isso, pois resíduos orgânicos podem ser utilizados como matéria-prima. A remoção de resíduos limita os efeitos sobre as alterações climáticas de várias maneiras:

• Diminuição das emissões de metano provenientes da decomposição de resíduos
• Diminuição 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 utilizado para gerar energia, além de biocarvão. No entanto, ao longo da gama de temperaturas de funcionamento da produção, existe um compromisso entre a quantidade de biocarvão produzido e a energia produzida. É provável que possam ser geradas quantidades verdadeiramente significativas de energia, ao ponto de a produção de biochar poder representar uma fonte de energia alternativa, embora longe de ser suficiente por si só. ^[2] A pirólise também pode oferecer uma alternativa mais limpa à simples queima de biomassa, apresentando uma solução potencial para o problema da qualidade do ar interior 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 dos nutrientes encontrados no biochar, mas também indiretamente. Tais benefícios podem ser aproveitados para uma maior produtividade agrícola e uma reabilitação mais geral do solo em terrenos degradados ou desertificados.

O estado actual da agricultura está longe de ser sustentável. A forte ênfase nas 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 por si só não resolverá estes problemas, mas é um componente importante de uma mudança de direção.

Durante a produção, os gases do material orgânico são queimados, deixando para trás principalmente carbono com grande espaço poroso e área de superfície. ^[19] Conforme discutido acima, estas qualidades melhoram a capacidade de retenção de água e a capacidade de troca catiônica, 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. Biochar também pode aumentar a eficiência da biota do solo. Além disso, o biochar confere um efeito de calagem ao solo, aumentando o pH e aumentando a disponibilidade de nutrientes para as plantas.

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

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

Assim, é quase impossível, neste momento, *prever* os efeitos do biochar nos solos. A caracterização do biochar continua sendo uma tarefa extremamente importante para 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
• Volume, densidade real, porosidade e distribuição de tamanho de poro
• Distribuição de tamanho de partícula
• Resistência à compressão e tensão
• 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
• Área de superfície e distribuição de tamanho de poro
• pH e capacidade de troca catiônica

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

Avaliação

Devido à grande variedade de condições que levam à produção de biochar, numerosos efeitos, tanto positivos como negativos, foram relatados. Os efeitos para a agricultura são principalmente em termos de melhoria do rendimento. Medidas de nutrientes do solo, capacidade de retenção de água e pH também são importantes. Numerosos testes foram realizados com biochar e os efeitos no rendimento das colheitas foram registrados. Algumas razões apresentadas para melhorias são: ^[2]

• Capacidade de armazenamento de água
• Cor preta na temperatura
• Aumento da absorção de N
• Fertilizante retido
• pH mantido
• Melhor nutrição de nutrientes como P, K e Cu
• Aumento na disponibilidade de P e N
• Melhorar 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 série de respostas foi registrada para diferentes parâmetros. Biomassa, rendimento, densidade das árvores, altura e volume são todos descritores potenciais da resposta do biochar, mas o rendimento é provavelmente o mais amplamente aplicável. É conhecida uma série de respostas no rendimento, desde uma redução de 71% até 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 redução de 55% a aumento de 65% 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 máxima quantidade de informações possível. Isso ajudará os pesquisadores a analisar o efeito de vários detalhes.

Recomendações

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

• Desenvolvendo um sistema de classificação universal de biochars
• Desenvolvendo um conjunto padrão de dados para coletar durante testes de biochar
• Limitar as tendências de produção de poluição dos reatores de biochar, mantendo ao mesmo tempo a simplicidade e a disponibilidade para os pequenos agricultores e garantindo a recuperação de subprodutos
• Realização de testes para biochar em uma ampla gama de condições de pirólise - temperatura, taxa de aquecimento, pressão, etc.
• Avaliar quais culturas respondem melhor às diferentes aplicações de biochar, para tornar estes resultados tão relevantes quanto possível para os pequenos agricultores

Disseminação

Numerosos grupos estão promovendo e apoiando o uso do biochar. Alguns deles incluem:

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

Referências

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Dados da página

Autores	Am Wohlgemuth
Licença	CC-BY-SA-3.0
Linguagem	Inglês (pt)
Traduções	turco
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Criada	25 de abril de 2012 por AmWohlgemuth
Modificado	29 de junho de 2023 por Irene Delgado
Citar como	AmWohlgemuth (2012–2023). "Tecnologia Biochar" . Apropédia . Recuperado em 2 de março de 2024 .
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