Saludos estimados amigos de Hive.
El biocarbón (o biochar), ha ganado mucho interés en la literatura de los últimos años, como mencioné en un post, debido a su utilización para el secuestro de carbono y mitigar el cambio climático o también como mejorador de la calidad de los suelos con interés agrícola. Por lo que el producir biocarbón a partir de materiales que principalmente constituyen un desecho cobra gran relevancia, ya que se pueden generar energías esencialmente renovables (como biogás o biocombustibles) y a su vez disminuir el contenido de CO2 en la atmosfera, ya que principalmente está compuesto de formas de carbono resistentes a la oxidación[1]; lo que hace necesaria mayor investigación del efecto que tienen estos materiales sobre el suelo y el ambiente en general.
Biocarbón a partir de biomasa. Imagen propia.
Pero aclaremos, ¿Qué es el biocarbón?
No se trata de cualquier forma de carbón obtenido a partir de la quema de productos naturales; con este término solo se denomina al conjunto de elementos carbonosos obtenidos a partir de la quema controlada de materiales orgánicos (o biomasa) mediante el procedimiento de pirólisis, es decir, a temperaturas relativamente bajas y con poco o ningún suministro de oxigeno[2]. Esto lo diferencia esencialmente del carbón que utilizamos como combustible o del carbón activado que utilizamos como adsorbente.
Este biocarbón tiene la ventaja de que puede ser producido en grandes cantidades, especialmente donde se generan gran cantidad de biomasa, y bueno, tal es el caso de nuestras actividades domésticas. Consideren tan solo cuanta biomasa se produce en nuestros hogares como subproducto de la limpieza de frutas, vegetales y hortalizas; o producto de las actividades de jardinería, como corte de grama y limpieza de hojas. Por lo que la disponibilidad de esta materia prima no es problema.
Si bien muchos reportes indican que su implementación en el suelo es una estrategia efectiva para mejorar su fertilidad, algunos reportes sugieren que resulta más optimo si se emplea más de un tipo de biomasa como materia prima en el proceso de preparación. Por esta razón, y por qué se requiere conocer las condiciones apropiadas de la pirolisis y las características del biocarbón obtenido, es muy importante la caracterización física y química de este compuesto antes de darle cualquier uso, especialmente cuando su finalidad es disponerlo en el ambiente. Por ello, con esta publicación quiero compartir un método de preparación de biocarbón a partir de biomasa mixta y algunos de los métodos de análisis disponibles para su caracterización fisicoquímica. Ya que dicha caracterización es necesaria para identificar la estructura básica y las propiedades del biocarbón, a fin de poder predecir su potencial en diversas aplicaciones, especialmente las ambientales.
Preparación del biocarbón
La materia prima carbonizada tendrá esencialmente diferentes propiedades a partir de la biomasa seleccionada para su preparación. Para propósito del estudio se utilizaron residuos domésticos, específicamente cascaras de plátano, papa, zanahoria y naranja.
Preparación de la materia prima. Imagen propia.
La materia prima seleccionada fue cortada en tozos pequeños, de aproximadamente 2x2 cm, luego fue secada a 100 °C durante 24 horas. El proceso de pirolisis se realizó a escala laboratorio, disponiendo la biomasa tratada en un balón de fondo redondo colocado en una plancha de calentamiento, la esta misma se opero a 400 °C durante 30 minutos; en esta etapa se condensan los gases obtenidos del proceso de pirolisis de los residuos mediante un condensador que emplea una corriente de agua a temperatura ambiente (28 °C), por donde entra la corriente de gases del proceso y evita así la entrada de aire nuevo.
Montaje experimental para la pirólisis de la biomasa. Imagen propia.
Luego del proceso y reducida la temperatura interna del recipiente, el carbón obtenido fue recolectado y almacenado en un desecador para realizar posteriormente los respectivos análisis. Lo cual resulta necesario, ya que en la superficie del carbón se pueden producir reacciones de oxidación a medida que se enfría si es dejado en contacto con el aire de la atmosfera. Cambiando los grupos funcionales presentes en su superficie.
Caracterización
En general podemos decir que el biocarbón obtenido es un sólido poroso, de color negro y estructura amorfa, el cual, básicamente conserva la forma de la materia prima de la que proviene. En la siguiente imagen se observa una muestra representativa del biocarbón.
Resultado de la pirólisis de la biomasa. Imagen propia.
Pero las características fisicoquímicas del producto dependen de la materia prima y método de preparación.; por tanto, las características del producto se evalúan según la variación de la concentración de elementos como C, H y O en la biomasa a utilizar. Y como se sabe, el carbono fijo es el residuo que queda luego de la quema de la materia prima y que el material volátil se escapa durante el proceso, por lo que su estimación se emplea para la determinación de la cantidad de materia carbonosa que se producirá a partir de determinada materia prima. Y sus relaciones se emplean para establecer la aromaticidad del compuesto.
Métodos analíticos
pH: se empleo mediante el método potenciométrico, preparando para ello una solución 1:20 p/v de biocarbón y agua destilada, según lineamientos de la norma ASTM D1512-05.
% Humedad: el contenido de humedad se determinó mediante pérdida de masa por secado en entre 105 y 110 °C hasta obtener una masa constante, según la norma ASTM D 3173.
Material volátil: esta se determinó como la pérdida de masa de productos volátiles, excluida la humedad. Se determinó según la norma ASTM D 3175.
% cenizas: se expresa como la diferencia de masa entre el residuo carbonizado y la masa de producto seco inicial. Determinado según lo establecido en la norma ASTM D 3174.
Carbono Fijo (CF): se determinó tomando la diferencia entre 100 y la suma de los porcentajes de cenizas y material volátil.
% de C, H y N: la determinación de la concentración de C, H, N y se realizó mediante un análisis elemental.
FTIR: los cambios ocurridos en la biomasa durante la carbonización se pueden registrar cuando el biocarbón se somete a espectroscopía infrarroja por transformada de Fourier (FTIR). Por lo que, la FTIR es un técnica apropiada para la caracterización del material. El espectro obtenido se realizó entre los números de onda de 4000 a 400 cm-1 con pastillas de KBr.
Resultados
El análisis gravimétrico inmediato de la muestra estableció las siguientes características en el material.
Tabla 1. Análisis gravimétrico del carbón obtenido.
Cuando se realizan suspensiones con el biocarbón estas muestran un pH un poco superior al valor neutro; el valor del pH dependerá del proceso de pirolisis y de la materia prima, y es importante conocer este valor porque puede ser determinante en la fertilidad del suelo a aplicar, este podría ser utilizado en suelos con características ácidas, que pueden presentar altas concentraciones de compuestos que atan al fosforo, dejándolo poco disponible para las plantas[4]. Este biocarbón muestra un bajo contenido de humedad, en comparación con la materia prima de la cual proviene, este factor dependerá de las condiciones como se maneje el biocarbón e influirán en su almacenamiento. El contenido de ceniza representa la materia inorgánica presente en el biocarbón, se constituye principalmente por carbonatos de potasio y magnesio entre otros, en este biocarbón observamos un bajo contenido de cenizas. Por otro lado observamos un alto contenido de material volátil, este factor determina el contenido de material que se perderá por volatilización, lixiviación o degradación microbiana una vez que forman parte del suelo. En lo que respecta al contenido de carbono fijo, este representa las formas de carbono resistente, las cuales no se degradaran el suelo (no en periodos relativamente cortos), y este valor determina la potencialidad del biocarbono para ser utilizado en el secuestro de carbono atmosférico, ya que agregado al suelo de esta forma representa una cantidad de carbono que no retornará tan fácilmente a la atmosfera.
Tabla 2. Análisis elemental de la muestra de biocarbón
En esta muestra de biocarbón se observa un alto contenido de carbono, esta es una característica importante ya que representa la propiedad del biocarbón de enriquecer el suelo con carbono orgánico, también sugiere una alta estabilidad de las formas de carbono durante el proceso de pirolisis. El contenido de H y O determinan las formas de carbono que forman grupos funcionales o que tienen estructuras con anillos aromáticos, responsables de la estabilidad química del carbón, mientras que el contenido de N indica la presencia de formas de nitrógeno difíciles de descomponer. La baja relación H/C en comparación con la relación O/C, indican mayor proporción de compuestos con grupos funcionales que compuestos aromáticos, y esto influye en las propiedades adsortivas del material. Por otro lado, la relación C/N nos muestra un material con pocos compuestos nitrogenados difíciles de descomponer.
Otra manera de determinar los grupos funcionales presentes en la superficie del material es mediante la FT-IR. En la siguiente imagen podemos observar el resultado de la espectroscopia del biocarbón.
Espectro IR del biocarbón obtenido. Imagen propia.
En la imagen podemos observar picos de absorbancia en 2340 cm-1, lo que identifica a los gropos cetiles, entre 1758 y 1719 cm-1, que hace referencia a al estiramiento de grupos carboxilos (C=O) y en 1600 que corresponde al enlace C=C de compuestos aromáticos. Las absorbancias observadas entre 1300 y 1000 cm-1 se asocia con enlaces C-O y C-H, indicativos de la presencia de grupos ester y alcoholes[5]. La determinación de estos compuestos es importante porque hablamos de un material que se podría disponer en el ambiente, por lo que es preciso conocer la presencia de grupos aromáticos y otros compuestos que pueden influir en la retención de minerales y otras formas al entrar en contacto con el suelo.
Aportes de la publicación
Con esta publicación tenemos una referencia de los métodos que podemos emplear en la preparación de biocarbón por medio de pirolisis, así como de algunos métodos que tenemos disponibles para la caracterización de este material.
La caracterización de estos materiales nos ayudaran a determinar los grupos funcionales presentes en estos, especialmente los que forman fuertes estructuras con el carbono y que se asocian con su potencialidad en el secuestro del carbono atmosférico.
También nos muestra la posibilidad de utilizar residuos domésticos comunes para la elaboración de biocarbón, y con ello darle disponibilidad a estos desechos, que de otro modo se descompondrán en el ambiente, contribuyendo con la emisión de más carbono a la atmosfera.
Referencias:
1. Escalante Rebolledo, A., G. Pérez López, C. Hidalgo Moreno, J. López Collado, J. Campo Alves, E. Valtierra Pacheco y J. D. Etchevers Barra.( 2016). Biocarbón (biochar) I: Naturaleza, historia, fabricación y uso en el suelo. Terra Latinoamericana 34: 367-382.
2. Obemah D. Nartey y Baowei Zhao Biochar (2014). Preparation, Characterization, and Adsorptive Capacity and Its Effect on Bioavailability of Contaminants: An Overview. Hindawi Publishing Corporation Advances in Materials Science and Engineering.
3. K. Thomas Klasson (2017). Biochar characterization and a method for estimating biochar quality from proximate analysis results. Biomass and Bioenergy. Volume 96, Pag. 50-58.
4. Guerra, P. (2015).Producción y caracterización de Biochar a partir de la biomasa residual de sistemas agroforestales y de agricultura convencional en la Amazonía Peruana. Universidad Nacional Agraria La Molina – Perú.
5. Figueredo, N., Marciano, L., Azevedo, L., Siebeneichlerd, A. y Tronto, J. (2017). Characterization of biochars from different sources and evaluation of release of nutrients and contaminants. Revista Ciência Agronômica, v. 48, n. 3, p. 395-403.