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.