Biochar-based carbon sequestration: physicochemical characterization and Assessment of carbon stability

ملخص تقني: احتجاز الكربون القائم على الفحم الحيوي: التوصيف الفيزيائي الكيميائي وتقييم استقرار الكربون

بيان المشكلة
تتطلب التركيزات المتزايدة لثاني أكسيد الكربون (CO₂) في الغلاف الجوي طرقًا فعالة لتخزين الكربون على المدى الطويل والتخفيف من آثار تغير المناخ. وبينما تعمل التربة كمستودع كربوني بري كبير، فإن تحويل الكتلة الحيوية المتجددة إلى مواد كربونية مستقرة يمثل مسارًا واعدًا لتعزيز احتجاز الكربون. ومع ذلك، فإن فعالية الفحم الحيوي كعامل لاحتجاز الكربون تعتمد بشكل كبير على ظروف الانحلال الحراري والخصائص الفيزيائية الكيميائية الناتجة. وهناك حاجة إلى تقييم شامل لكيفية تأثير الخصائص الهيكلية، والكيميائية، والمورفولوجية، والعنصرية على استقرار الكربون وإمكانية الاستمرار لفترات طويلة في بيئات التربة.

المنهجية
استخدمت هذه الدراسة نهجًا متعدد التحليلات لتوصيف الفحم الحيوي المشتق من الخشب والمنتج عبر الانحلال الحراري البطيء. تضمنت المنهجية ما يلي:

• تحضير المادة الخام: تم تنظيف الكتلة الحيوية الخشبية، وتجفيفها في الفرن، وطحنها، ونخلها. ثم خضعت لمعالجة حمضية باستخدام حمض النيتريك (HNO₃) متبوعة بمعادلة باستخدام بيكربونات الصوديوم (NaHCO₃) والغسل لإزالة المكونات غير العضوية وغير المرغوب فيها.
• إنتاج الفحم الحيوي: خضعت الكتلة الحيوية المعالجة للانحلال الحراري البطيء في بيئة محدودة الأكسجين داخل فرن مخلفي (muffle furnace). تضمنت العملية التسخين إلى 700 درجة مئوية بمعدل 5 درجات مئوية في الدقيقة، والحفاظ على درجة الحرارة هذه لمدة 5 ساعات (310 دقائق)، ثم التبريد في جو محدود الأكسجين.
• التوصيف الفيزيائي الكيميائي:
  • حيود الأشعة السينية (XRD): استُخدم لتحليل الخصائص الهيكلية للخشب الخام والأطوار المعدنية البلورية (إشعاع Cu-Kα، D8 ADVANCE).
  • مطيافية الأشعة تحت الحمراء بتحويل فورير (FTIR): أُجريت على مدى 4000–400 سم⁻¹ (جهاز ALPHA II) على الخشب الخام لتحديد المجموعات الوظيفية ووضع خط أساس للتغيرات الكيميائية أثناء التحول.
  • المجهر الإلكتروني الماسح (SEM) ومطيافية تشتت الطاقة بالأشعة السينية (EDX): أُجريت عند 5.00 كيلو فولت (Nova NanoSEM 450) لتقييم مورفولوجيا السطح والتركيب العنصري للخشب الخام.
  • تحليل بروناور-إيميت-تيلر (BET): استُخدم لامتزاز وامتزاز النيتروجين (Quantachrome NOVA Series) لتحديد مساحة السطح النوعية وخصائص المسام للخشب الخام.
  • تحليل جهد زيتا (Zeta Potential): تم قياسه باستخدام Zetasizer Nano ZS على الخشب الخام لتقييم توزيع حجم الجسيمات، وشحنة السطح، والاستقرار الغرواني.
• تفسير البيانات: اعتمدت الدراسة على التفسير الوصفي لتقييمات الهدف أحادي العينة. ولم تُستخدم التحليلات الإحصائية الاستدلالية (مثل ANOVA) بسبب عدم وجود بيانات تجريبية متكررة.

النتائج الرئيسية

• التركيب العنصري (EDX): أظهرت المادة الخام للخشب محتوى كربونيًا مرتفعًا بنسبة 85.91 وزن في المائة (wt.%)، مع أكسجين بنسبة 9.34% وكالسيوم بنسبة 4.74%. يشير هذا التركيز العالي للكربون في المادة الخام إلى وجود مستودع كربوني كبير متاح للتحول.
• التحليل الهيكلي (XRD): كشف نمط حيود الأشعة السينية (XRD) الخاص بالكتلة الحيوية الخشبية الخام عن بنية لجنوسليلوزية غير منظمة (أمورفية) في الغالب مع خلفية عريضة، إلى جانب انعكاسات متميزة عند حوالي 23–24°، و26.61°، و29.36°، وزوايا أعلى (33–47°). تشير هذه الميزات إلى وجود أطوار معدنية بلورية وترتيب متعلق بالسليلوز، مما يعمل كخط أساس للإشارة إلى الانتقال نحو مصفوفة كربونية أكثر تكثيفًا بعد الانحلال الحراري.
• التركيب الكيميائي (FTIR): حدد طيف الخشب الخام حزم امتصاص مميزة تتوافق مع تمدد الهيدروكسيل (O–H) (3300–3400 سم⁻¹)، وتمدد الأليفاتي (C–H) (2876 سم⁻¹)، وتشوه العطري/C–H (~1416 سم⁻¹). تعكس هذه المجموعات المكونات اللجنوسليلوزية التي تتحول إلى هياكل أكثر عطرية وغنى بالكربون أثناء الانحلال الحراري.
• المورفولوجيا (SEM): كشفت صور المجهر الإلكتروني الماسح (SEM) للخشب الخام عن مورفولوجيا سطح غير منتظمة وغير متجانسة تتميز بالمسام، والفجوات بين الجسيمات، والمعالم الخشنة المكونة من جسيمات زاوية ونطاقات مجزأة.
• خصائص السطح (BET وجهد زيتا): أشار تحليل BET للخشب الخام إلى بنية مسامية غير متجانسة مع حجم امتزاز نيتروجين أقصى يبلغ حوالي 140 سم³ STP جم⁻¹. أشارت حلقة التباطؤ إلى مساهمات من المناطق متوسطة المسام والفجوات الكبيرة بين الجسيمات. وأظهرت قياسات جهد زيتا للخشب الخام شحنة سطحية موجبة تبلغ حوالي +31.48 ميلي فولت، مما يشير إلى إمكانات تفاعل محددة مع معادن التربة.

المساهمات الرئيسية
تقدم الورقة توصيفًا فيزيائيًا كيميائيًا متكاملًا للمادة الخام الخشبية المخصصة لإنتاج الفحم الحيوي عند 700 درجة مئوية. ومن خلال الجمع بين تحليلات XRD وFTIR وSEM-EDX وBET وجهد زيتا للمادة الخام، تؤسس الدراسة لخط أساس لفهم التطور الهيكلي والكيميائي للكتلة الحيوية أثناء الانحلال الحراري. وهي تسلط الضوء تحديدًا على الارتباط بين المعالجة عالية الحرارة، وتكوين الهياكل العطرية المكثفة، وتطور المورفولوجيا المسامية، والتي تعد علامات حاسمة للاستمرارية طويلة الأمد. كما تحدد الدراسة التركيب العنصري للمادة الخام، مما يؤكد إمكانية الاحتفاظ العالية بالكربون للمادة المصدر.

الأهمية والادعاءات
يؤكد المؤلف أن الفحم الحيوي الناتج يمتلك خصائص مفيدة لاستقرار الكربون وإمكانية التخزين طويل الأمد، وهو ما يتضح من المحتوى الكربوني العالي (85.91 wt.%) للمادة الخام، والسمات الهيكلية للمادة الخام، والقدرة على تطوير هياكل عطرية مكثفة ومورفولوجيا مسامية أثناء الانحلال الحراري. كما لوحظ أن وجود المكونات المعدنية مثل الكالسيوم في المادة الخام قد يؤثر على التفاعلات بين الفحم الحيوي والتربة، مما قد يساهم في استقرار الكربون بشكل أكبر.

ومع ذلك، تحافظ الورقة على موقف متواضع تجاه ادعاءاتها؛ حيث ذكرت صراحة أنه بينما يشير التوصيف الفيزيائي الكيميائي للمادة الخام إلى إمكانية استقرار الكربون، فإن هذه المؤشرات المختبرية ليست قياسات مباشرة للاستمرار في الحقل. ويؤكد المؤلف أن الاستمرار الحقيقي للكربون يتأثر بعوامل بيئية معقدة مثل النشاط الميكروبي، والأكسدة، والتقادم. وبناءً على ذلك، تخلص الدراسة إلى أن الأبحاث الميدانية والحضن طويل الأمد ضروريان لتأكيد استمرار الكربون كميًا، وللانتقال من الأدلة غير المباشرة على الاستقرار إلى الإثبات الملموس لإزالة ثاني أكسيد الكربون من الغلاف الجوي على المدى الطويل.