잠재적인 농업적, 환경적 영향을 지향하는 하수 슬러지 바이오 숯의 구조적 및 특성 변화에 대한 다단계 시각화
Scientific Reports 5권, 기사 번호: 9406(2015) 이 기사 인용
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하수 슬러지 바이오 숯은 300°C ~ 900°C의 다양한 열분해 온도에서 얻어졌으며 거시적 및 미시적 특성을 분석했습니다. 바이오 숯의 식물 이용 가능한 영양분과 물 추출 단계의 부식질 유사 물질 및 고형분의 고정 영양분을 잠재적인 농업적 영향에 대해 평가했습니다. FT-IR, Raman, XRD, XPS 및 SEM 기술을 사용하여 바이오 숯 표면의 화학 구조, 작용기 및 미세 결정 구조를 조사했습니다. 그 결과, 300~500°C에서 얻은 바이오 숯의 사소한 화학적 변화와 극적인 질량 손실이 밝혀진 반면, 바이오 숯의 중요한 화학적 변화는 600~900°C에서 나타났습니다. 더 높은 온도에서 얻은 바이오 숯 샘플에서는 식물에서 이용 가능한 영양소와 풀빅산 및 휴믹산 유사 물질의 농도가 감소했습니다. 이러한 결과는 300~500°C에서 열분해된 바이오 숯 샘플이 직접적인 영양원이 될 수 있으며 알칼리성 토양을 중화하는 데 사용될 수 있음을 의미합니다. 바이오 숯 샘플의 표면적과 다공성은 온도에 따라 증가하여 흡착 용량이 증가했습니다. 재배열은 600~900°C의 더 높은 온도에서 발생하여 바이오 숯이 점점 다방향족이 되고 흑연과 같은 탄소가 조직화됩니다.
도시 및 산업 폐수의 생물학적 처리는 필연적으로 상당한 양의 슬러지를 발생시킵니다. 하수 슬러지 처리의 경우 열분해는 유망한 경로입니다1,2,3. 하수 슬러지의 열분해는 공기가 없거나 산소가 부족한 대기에서 슬러지를 열분해하여 슬러지 유기물을 바이오가스, 바이오오일 및 탄소성 바이오숯 잔류물로 변형시키는 것입니다. 생 슬러지와 비교할 때 슬러지 바이오 숯은 병원균과 냄새가 최소화되며 중금속4(수은 및 카드뮴 제외)을 농축할 수 있습니다. 슬러지 바이오 숯을 생 슬러지와 비교한 연구에 따르면 슬러지 바이오 숯을 수정안으로 토양에 적용한 후 토양 특성이 개선된 것으로 나타났습니다5,6,7. 따라서 토양 개선 및 오래 지속되는 고체 형태의 탄소 격리를 위해 슬러지 바이오 숯을 사용하는 데 대한 관심이 높아지고 있습니다. 이용 가능한 영양소와 같은 바이오 숯의 농업적 성능과 효율성은 본질적으로 그 특성에 따라 달라지며 슬러지 바이오 숯의 물리적, 화학적 특성은 주로 최고 처리 온도(HTT)에 의한 열분해 조건에 크게 영향을 받습니다.
열분해 과정에서 슬러지 바이오 숯은 다양한 물리적, 화학적, 분자적 변화를 겪습니다. 문서화된 변경 사항 중 일부에는 농업 적용을 위한 다량 영양소 혜택과 관련된 수확량, 휘발성 함량, pH, 전기 전도도(EC), 경도, 부피 밀도 및 요소 구성의 변경 사항이 포함됩니다1,8,9. 반면, 다른 연구 부분에서는 500°C4, 300~700°C10, 300~500°C11 및 400~450°C12에서 하수 슬러지의 저온 열분해 중 중금속의 거동에 중점을 두었습니다. 농업 적용에 대한 독성. 이 두 부분의 연구는 거의 통합되지 않았으며 슬러지 바이오 숯의 장단점을 동시에 균형을 이루었습니다. 또한 중금속 농도는 온도가 높아질수록 감소할 수 있습니다13. 따라서 더 높은 온도 시나리오에 대한 연구 수요와 더 넓은 온도 범위(예: 본 연구에서는 300~900°C)에 대한 체계적인 비교가 필요합니다. 한편, 바이오 숯의 열분해 온도가 훨씬 유리할 수 있다는 기존 연구는 모호하고 포괄적입니다. 예를 들어, 600°C에서 얻은 바이오 숯은 400°C에서 얻은 것과 비교할 때 토양에서 CO2 배출을 줄이는 데 더 효과적이라고 보고되었습니다. 반면, Song12는 450°C에서 얻은 바이오 숯으로 개량된 토양에 심은 마늘이 500~550°C에서 얻은 다른 바이오 숯으로 개량된 토양에 심은 마늘과 비교할 때 가장 낮은 수준의 중금속을 함유하고 있음을 입증했습니다. 바이오 숯 적용에 대한 이러한 불확실성은 연구된 바이오 숯에 대한 설명이 충분하지 않았기 때문입니다. 즉, 거시적 규모의 특성만 기록되었습니다. 실제로 외부 특성은 본질적으로 바이오 숯 샘플의 내부 구조와 구성에 의해 결정됩니다. 따라서, 최종 하수 슬러지 바이오 숯의 거시적 및 미시적 특성을 조사한 다음 더 쉽게 분류하고 위의 조사를 기반으로 슬러지 바이오 숯의 잠재적 농업적 적용을 더 잘 평가하기 위해 체계적으로 차별화하는 것이 필요합니다.