Cos’è, caratteristiche fisiche e chimiche · European Biochar Certificate EBC fondata da...

BiocharCos’è, caratteristiche fisiche e chimiche

Dr. Silvia Baronti

Istituto di Biometeorologia – Consiglio Nazionale delle RicercheAssociazione ICHAR

Firenze

Scuola di Biochar29, 30 Settembre 2016

Sessione I

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TERMINOLOGIA• Carbone minerale (termine anglosassone coal):

combustibile fossile estratto in miniere sotterranee o a cielo aperto, risultato della trasformazione di residui vegetali compressi, alterati,

chimicamente trasformati nel corso dei tempi (torba, lignite, litantacre, antitracite)

• Carbone vegetale, carbonella, (termine anglosassone char(generico) or charcoal )

combustibile per la produzione di calore o per cucinare, prodotto dal processo di carbonizzazione di materiali organici, generalmente

legno, attraverso una combustione in carenza di ossigeno

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biochar = bio + char

(biological + char da charcoal inglese carbonella)

è un neologismo che indica un materiale carbonioso ottenuto dalla pirolisi della biomassa

Il termine Bio sottolinea l’origine biologica, distinguendo da plastica carbonizzati o altri materiali di origine non biologica

L’assenza di una Direttiva Europea univoca che disciplini esattamente

cosa si definisce per biomassa e per pirolisi contribuisce a definire

come biochar molte matrici diverse tra loro con conseguenti

ripercussioni sull’applicabilità agronomica e non.

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Biomassa?

“rifiuti verdi, fanghi di depurazione, scarti di macellazione, polpe industria della carta,

foglie, scarti di produzione di cereali, scarti del settore forestale, scarti barbabietola da

zucchero, olive scarti di produzione, gusci di noce, digestato, residui di caffè, frazione

organica dei rifiuti urbani, residui di potature urbane”

Pirolisi?Slow pyrolysis temperatura 400 °C - 650 °C

Fast pyrolysis temperatura 650 °C – 850 °C

Gasification temperatura 900 °C – 1100 °C

Intervallo di Process retention times da 30 min a 1-2 sec

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Il termine ‘BIOCHAR‘ o AGRICHAR (carbone vegetale biologico):

Carbone vegetale prodotto specificatamente per l’utilizzo agronomico e ambientale attraverso l’applicazione al suolo in maniera deliberata con l’intento di migliorare le proprietà del suolo (Lehmann et al, 2006).

Cos’è il BIOCHAR

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Pneumatici????

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IBI promuove le buone pratiche, la collaborazione tra le parti interessate per promuovere sistemi di biochar economicamente validi sicuri ed efficaci per aumentare la fertilità del suolo e come strumento di mitigazione del clima.

http://www.biochar-international.org

Il Biochar è un materiale solido ottenuto dalla carbonizzazione della biomassa.

Il Biochar può essere aggiunto al suolo con l'intenzione di migliorare le funzioni

del suolo e per ridurre le emissioni dei gas serra. Il Biochar rappresenta un

metodo per aumentare il sequestro del carbonio nel suolo. Queste proprietà

sono misurabili e verificabili in un sistema di caratterizzazione o in un protocollo

per la compensazione delle emissioni di anidride carbonica.

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European Biochar Certificate

EBC fondata da ricercatori sul tema biochar con lo scopo di rappresentare a livello europeo un punto di riferimento per la produzione e l’applicazione del biochar. EBC si basa su dati scientifici pubblicati.

Il Biochar è una sostanza analoga al carbone ottenuto per la pirolisi di

biomassa sostenibile e che viene utilizzato per qualsiasi scopo che non

comporti la sua rapida mineralizzazione in CO2. Il Biochar è prodotto

dalla pirolisi di biomassa a temperature comprese tra 350 a 1000 °C, in

una atmosfera povera di ossigeno (<2%). La torrefazione, la

carbonizzazione idrotermale (Hydrothermal) e la produzione di coke sono

altri processi di carbonizzazione i cui prodotti non possono essere definiti

come biochar.

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ICHAR (2009)L'associazione ha lo scopo generale di promuovere soluzioni, tecnologie, studi avanzati, attività dimostrative e progetti educativi finalizzati alla riduzione delle emissioni di gas climalteranti in atmosfera attraverso l’uso di BIOCHAR e comunque di biomasse vegetali e di tutti i loro sottoprodotti.

Nel 2012 presenta al Ministero dell’Agricoltura l’istanza per l’annessione del biochar nella lista degli ammendanti ammessi (DL 75 del 29/04/2010), approvata ad Agosto 2015.

Il Biochar è carbone vegetale finalizzato all’utilizzo quale ammendante,

prodotto a seguito di processi di pirolisi e gassificazione a carico di

prodotti e residui di origine vegetale provenienti dall’agricoltura e dalla

selvicoltura, oltre che di sanse di oliva, vinacce, cruscami, noccioli e

gusci di frutta, cascami non trattati della lavorazione del legno, in

quanto sottoprodotti di attività connesse.

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Biomassa«La biomasa è la parte biodegradabile dei prodotti, rifiuti e residui provenienti dall’agricoltura (comprendente residui vegetali e animali) dalla selvicoltura e dalle industrie connesse, nonché la parte biodegradabile dei residui industriali e urbani»(Dlleg 387/03 art. 2)

• RESIDUI FORESTALI, DELL’INDUSTRIA DEL LEGNO

• RESIDUI ORGANICI, LIQUIDI BIODEGRADABILI (liquami, residui agroindustriali liquidi, acque reflue fognarie)

• RESIDUI AGROINDUSTRIALI SOLIDI

• COLTURE ENERGETICHE

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I BIOCHAR SONO TUTTI DIVERSI!!!!!

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La caratterizzazione generica del biochar è impossibile, i dati bibliografici evidenziano una elevata variabilità delle proprietà chimiche e fisiche che sono

influenzate da:

Le caratteristiche del biochar sono alla base del suo uso come ammendante nel suolo e possono essere direttamente o indirettamente correlate alle modifiche che il biochar induce

nei suoli.

PROCESSO DI PRODUZIONE, sistema tecnologico utilizzato(processo, tecnica, temperatura,

velocità della reazione)

BIOMASSA DI PARTENZA

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Caratteristiche del BIOCHAR

Caratteristiche fisiche

• Superfice specifica• Porosità• Densità

Caratteristiche chimiche

• Contenuto in Carbonio• Contenuto in macro e micro elementi• pH• CSC

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STRUTTURA DEL LEGNO vs BIOCHAR

Il contenuto originario di cellulosa, emicellulosa e lignina della biomassa influenza la struttura e le proprietà fisiche del biochar

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Fino alla temperatura di circa 120 °C la materia organica inizia a subire delle decomposizioni termiche che portano ad perdita di umidità chimica, all’aumentare della temperatura, in sequenza, sono degradateemicellulosa, cellulosa e lignina.

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E’ la massima temperatura raggiunta nella reazione ad influenzare i parametri fisici del biochar

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ELEVATA SUPERIFICE DI REAZIONE paragonabile a quella dell’argilla(5 m2/g della caolinite a 750 m2/g della Na-Montomorillonite)

Possibili effetti sul suolo: nei suoli sabbiosi influisce positivamente sull’assorbimento dell’acqua

TEMPERATURA

AREA SUPERFICIALE

Kloss et al., 2012. Characterization of Slow Pyrolysis Biochars: Effects of Feedstocks and Pyrolysis Temperature on Biochar Properties

A 450 °C è stata trovata una superficie specifica di 10 m2/g mentre ad una temperatura tra 600°C e 750°C è stato registrato un valore di 400 m2/g . Brown et al., 2006

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POROSITA’

TEMPERATURA

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L’utilizzo del biochar sul suolo modifica la la sua porosità: influenza i rapporti suolo‐acqua‐aria. Maggiori benefici in terreni sciolti con tessitura grossolana, nei suoli argillosi può anche avere effetti negativi sulla disponibilità di acqua.

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Macroporosità del biochar

i macropori sono molto importanti per la vita di un suolo, in quanto svolgono funzioni di aerazione e funzioni idrologiche (Throe e Thompson, 2005). Svolgono un ruolo rilevante nel movimento della radici delle piantagioni nel suolo e sono l‟habitat di uno svariato numero di microrganismi del suolo.

le cellule microbiche si aggirano intorno a dimensioni che vanno dagli 0.5μm ai 5μm per di batteri, funghi, attinomiceti e licheni, mentre le alghe vanno dai 2 μm ai 20μm (Lal 2006).

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Max water absorption (g g-1 of d. m.) 4.53

Bulk Density g cm-3 0,43

Hydrophobicity (WDPT) Hydrophilic

BET m2 g-1 410 ± 6

Total porosity mm3/g 2722

Transmission pores(> 50m) mm3/g 318

Storage pores (50m-0.5m) mm3/g 1997

Residual pores (˂0.5m) mm3/g 406~ 20 m

e 600°C.Ilcarboniopresentenelbiochar èin granparte informa

aromatica,ma

anche inquesto

casotemperature ecaratteristiche della

biomassaneinfluenzano lastruttura.L.’aspetto

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CARATTERISTICHE CHMICHE

ampia variabilità soprattutto, per quanto riguarda il contenuto di ceneri minerali all’interno della biomassa

Percentuale dei 4 component principali del biochar(Brown, 2009; Antal and Gronli, 2003)

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Durante la formazione del

biochar, a temperature più

basse di pirolisi si riescono ad

ottenere carboni vegetali con

caratteristiche più simili

possibili al materiale di

partenza, con l’aumentare delle

temperature i quantitativi di

elementi chimici presenti

diminuisce (Spokas et al.,

2012).

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Il Contenuto in carbonio può variare da meno del 20% fino all’80-90%

Tratto da : Mukome et al., 2012

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I parametri variano molto con il feedstock, ma il parametro che varia è il pHpH >7

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Il pH del suolo aumenta con il Biochar

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Esperimento in Vigneto-Long Experiment 5 anni

SOIL PROPERTIES

SOM C/N pH Mg Ca Na Pav K C 2010 1.16b 5.43b 5.50b - - - - -

se 0.04 0.1 0.22

C 2011 1.42b 5.56b 5.25b 246.7ns 1706b 265.8ns 16.8b 442ns

se 0.11 0.15 0.32 0.5 0.03 0.1 21.12

C 2012 1.60b 6.52b 5.39b - - - - -

se 0.07 0.01 0.26 C 2013 1.57b 7.08b 5.24b 236.7ns 2043b 347.2ns 17.3b 275ns

se 0.11 0.02 0.14 18.54 145.32 34.21 1.24 22.13

C 2014 - - 5.94b 272.7ns 2168b 306.2ns 18.3b 539ns

se 0.14 1.45 78.56 6.54 0.05 0.05

B 2010 2.33b 5.26b 5.94b - - - - -se 0.44 0.03 0.24

B 2011 2.26b 5.18b 6.32a 223.8ns 2918b 284.6ns 21.2ab 481ns

se 0.50 0.05 0.25 24.78 55.96 21.54 0.5 12.23

B 2012 2.26b 5.22b 6.34a - - - -se 0.50 0.01 0.24

B 2013 2.33b 5.44b 6.35a 288.2ns 2653b 398.2ns 24.3ab 525ns

se 0.41 0.02 0.30 24.65 55.25 33.47 0.04 0.02

B 2014 - - 6.54a 472.1ns 2374b 312.6ns 25.9a 530ns

se 0.13 54.1 21.9 18.21 0.21 6.78

BB 2010 9.37a 17.71a 7.18a - - - - -se 2.07 0.01 0.11

BB 2011 8.93a 14.00a 6.76a 252.4ns 5242a 273.8ns 32.1a 448ns

se 1.08 75 0.20 15.46 35.64 45.12 0.1 12.4BB 2012 7.40a 11.56a 6.61a - - - - -

se 2.49 0.05 0.30 BB 2013 8.02a 13.47a 6.55a 334.3ns 4040a 314.9ns 34a 535ns

se 1.85 0.05 0.25 1.23 52.98 5.46 0.05 23.1

BB 2014 - - 7.31a 254.1ns 319.9a 383.4ns 22.7a 547ns

se 0.08 1.85 45.6 0.05 0.08 16.78

(Maienza et al., 2016 submitted)

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Carbon content of charcoal produced from larch wood at different temperatures. Charcoal was produced in a mufflefurnace at 400 gradi, 500 gradi 600gradi and 860 grardi. Criscuoli et al., 2014

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23.3 kg C/m2of pyrogenic C sono ancora presentii dopo 160 annicirca nel suolo dopo l’aggiunta di of 29 kg C/m2

Carbon sequestration è stata stimata di circa 80% del quantitative di C originario

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• Aumenta la produttività delle colture agricole. • Contribuisce a compensare le emissioni climalteranti dell’agricoltura.• Diminuisce l’inquinamento da nitrati e fosfati.• Consente la messa a coltura di terre marginali.• Riduce la quantità dei concimi organici.• Accumula Carbonio nel suolo.• Riduce l’assorbimento delle piante di contaminanti nel suolo.• Riduce l’acidità del suolo (incremento pH). • Aumenta la capacità di scambio cationico del suolo.• Aumenta l’acqua disponibile per le piante nel suolo.• Incrementa la biomassa microbica del suolo.• Contribuisce alla fissazione dell’azoto simbiontico. • Diminuisce l’emissione di CH4 e N2O• Aumenta la resilienza dell’agricoltura ai cambiamenti ambientali.

EFFETTO DEL BIOCHAR AL SUOLO

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Esperimenti biochar

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La produzione e conseguentemente l’applicazione al suolo del biochar persegue

pertanto quattro obiettivi

1. La mitigazione dei cambiamenti climatici attraverso lo stoccaggio di carbonio

organico in forma molto stabile nel suolo, con un contenimento delle emissioni di

gas a effetto serra.

2. Il miglioramento della fertilità del suolo e conseguentemente delle rese produttive

agricole, con riduzione dei fabbisogni in acqua e fertilizzanti delle specie coltivate.

3. La gestione e la valorizzazione dei prodotti, dei sottoprodotti agricoli e delle

biomasse in genere.

4. La produzione di energia elettrica e calore mediante conversione del syngas o

l’impiego diretto di quest’ultimo come combustibile.

CONSIDERAZIONI GENERALI

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