PL249098B1

PL249098B1 - Sposób otrzymywania biowęgla z trocin drzewnych o powolnym uwalnianiu składników mineralnych z jego odcieku

Info

Publication number: PL249098B1
Application number: PL450246A
Authority: PL
Inventors: Patryk Oleszczuk; Monika Raczkiewicz; Iwona Ostolska; Karol Osipiuk
Original assignee: Univ M Curie Sklodowskiej
Priority date: 2024-11-12
Filing date: 2024-11-12
Publication date: 2026-03-02
Also published as: PL450246A1

Abstract

Przedmiotem zgłoszenia jest sposób otrzymywania biowęgla z trocin drzewnych o powolnym uwalnianiu składników mineralnych z jego odcieku, takich jak, fosfor, potas i magnez, znajdujących zastosowanie jako nawóz roślinny. Wynalazek rozwiązuje problem techniczny w postaci opracowania nowego, stosunkowo prostego, z użyciem biodegradowalnych reagentów, sposobu otrzymywania biowęgla, którego odciek wodny znajduje zastosowanie jako nawóz mineralny o powolnym zrównoważonym uwalnianiu składników odżywczych wspomagających wzrost i rozwój roślin.

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób otrzymywania biowęgla z trocin drzewnych o powolnym uwalnianiu składników mineralnych z jego odcieku, takich jak fosfor, potas i magnez, znajdujących zastosowanie jako nawóz roślinny.

Biowęgiel to produkt pirolizy, czyli termochemicznego rozkładu biomasy w warunkach ograniczonego dostępu lub całkowitego braku tlenu. Przyczynia się do zwiększenia dostępności składników odżywczych w glebie, poprawy jej porowatości, retencji wody, a także zwalczania nadmiernego zakwaszenia. Oprócz węgla, wodoru, azotu i tlenu, biowęgiel może zawierać takie pierwiastki, jak fosfor, potas, magnez, które przyczyniają się do poprawy wydajności i jakości pionowe co skutkuje możliwością użycia go jako bionawóz. Temperatura, opady atmosferyczne oraz uwarunkowania fizykochemiczne składników odżywczych mogą prowadzić do ich wymywania z gleby, a co za tym idzie, nie tylko narażenia na zanieczyszczenia środowiska, ale również straty finansowe i wyczerpywanie się zasobów tych pierwiastków. Poszukiwanie nawozów o powolnym uwalnianiu składników mineralnych jest istotne, ze względu na fakt, że stanowią zgodną z zasadami zielonej chemii, alternatywy dla nawozów sztucznych. Ich zaletą jest długoterminowe dostarczanie roślinom i glebie znacznej ilości potrzebnych składników, w odróżnieniu od nawozów sztucznych, w których wyrzut składników następuje gwałtownie.

Najpopularniejszą metodą otrzymywania biowęgli o powolnym uwalnianiu jest impregnacja, co zostało ujawnione w publikacji autorstwa Sepulveda-Cadavid i in. J Soil SciPianiNutr. 21, (2021) i opisie patentowym CN115028497A. Inne znane metody to kapsułkowanie, Xionfang An i in. J. Clean Prod. 272, (2020). granulacja. J.Shin i in. Appl. Sci. 8. (2018), czy też ko-piroliza, J.S. da Silva Carneiro i in.. Sci. Total Environ. 760, (2021). Znane są przypadki łączenia kilku metod, co widoczne jest w opisach patentowych: CN115322045 A. CN104909842A, CN111302861A.

Powyższe metody, prowadzące do uzyskania opartych na węglu materiałów o powolnym uwalnianiu, przebiegają z wykorzystaniem związków fosforu czy też magnezu lub wapnia. W większości przypadków są to metody wieloetapowe, wymagające stosowania kilku reagentów i dokładnej obróbki materiału przed lub po pirolizie.

Celem wynalazku było opracowanie prostego, ekologicznego sposobu otrzymywania biowęgla z materiału roślinnego, charakteryzującego się powolnym uwalnianiem składników mineralnych z jego odcieku, przydatnych do zasilania roślin.

Nieoczekiwanie okazało się, że mieszanina trocin drzew liściastych i iglastych poddana przed pirolizą impregnacji wodnymi roztworami cukrów prostych, prowadzi do otrzymywania biowęgla, z którego odcieku następuje powolne uwalnianie pierwiastków przydatnych do zasilania roślin jako ekologiczny bionawóz.

Sposób otrzymywania biowęgla z trocin drzewnych o powolnym uwalnianiu składników mineralnych z jego odcieku, według wynalazku, charakteryzuje się tym, że biomasę w postaci mieszaniny trocin drzew iglastych i liściastych impregnuje się roztworem wodnym cukru prostego, takiego jak glukoza albo fruktoza o stężeniach w zakresie od 10% do 50% w stosunku objętościowym 1:1, w temperaturze pokojowej 20-25°C i po czasie 48-72 godzin, po jej optymalnym nasyceniu i wysuszeniu, poddaje się procesowi pirolizy w czasie 3 do 4 godzin, w temperaturze 550°C - 750°C, w atmosferze azotu, po czym zalewa się ultraczystą wodą w stosunku w/v jak 1 do 10, a następnie wytrząsa na wytrząsarce horyzontalnej otrzymując odciek z zawartością pierwiastków przydatnych do użycia jako bionawóz roślinny.

Wynalazek rozwiązuje problem techniczny w postaci opracowania nowego, stosunkowo prostego, z użyciem biodegradowalnych reagentów, sposobu otrzymywania biowęgla, którego odciek wodny znajduje zastosowanie jako nawóz mineralny o powolnym zrównoważonym uwalnianiu składników odżywczych wspomagających wzrost i rozwój roślin.

Wynalazek został przedstawiony w następujących przykładach.

Przykład 1

L mieszaniny trocin sosnowych i dębowych zmieszano z 1 L wodnego 10% roztworu glukozy, odstawiono w temperaturze 20°C do całkowitego nasycenia biomasy i wysuszono. Następnie, tak przygotowany materiał, poddano procesowi pirolizy w temperaturze 550°C w czasie 3 godzin. Otrzymane 4 g produktu wytrząsano w 40 mL ultraczystej wody (1:10 w/v) na wytrząsarce horyzontalnej. Odcieki biowęgla pobrano po 1,6, 24, 96, 120, 144, 196 i 268 godzinach, a następnie poddano analizie metodą indukcyjnie sprzężonej (ICP-OES). by określić stężenia potasu, fosforu i magnezu, uwolnionych z biowęgla do odcieku. Dla porównania przygotowano biowęgiel z trocin nieimpregnowanych, identycznym sposobem jak wyżej. Wyniki zobrazowano na rysunku jako: fig.la, przedstawiająca stężenia uwolnionego fosforu w czasie; fig. 1 b, przedstawiająca stężenia uwolnionego potasu w czasie; fig. 1c, przedstawiająca stężenia uwolnionego magnezu w czasie.

Przykład 2

L mieszaniny trocin sosnowych i dębowych zmieszano z 1 L wodnego 50% roztworu glukozy, odstawiono w temperaturze 20°C do całkowitego nasycenia biomasy i wysuszono. Następnie, tak przygotowany materiał, poddano procesowi pirolizy w temperaturze 600°C w czasie 3 godzin. Otrzymane 4 g produktu wytrząsano w 40 mL ultraczystej wody (1:10 w/v) na wytrząsarce horyzontalnej. Odcieki biowęgla pobrano po 1,6, 24, 96, 120, 144, 196 i 268 godzinach, a następnie poddano analizie metodą spektrometrii emisyjnej ze wzbudzeniem w plazmie indukcyjnie sprzężonej (ICP-OES), by określić stężenia potasu, fosforu i magnezu uwolnionych z biowęgla do odcieku. Dla porównania przygotowano biowęgiel z trocin nieimpregnowanych, identycznym sposobem jak wyżej. Wyniki zobrazowano na rysunku jako: fig. 2a, przedstawiająca stężenia uwolnionego fosforu w czasie; fig. 2b, przedstawiająca stężenia uwolnionego potasu w czasie; fig. 2c, przedstawiająca stężenia uwolnionego magnezu w czasie.

Przykład 3

L mieszaniny trocin sosnowych i dębowych zmieszano z 1 L wodnego 10% roztworu fruktozy, odstawiono w temperaturze 25°C do całkowitego nasycenia biomasy i wysuszono. Następnie, tak przygotowany materiał, poddano procesowi pirolizy w temperaturze 550°C w czasie 4 godziny. Otrzymane 4 g produktu wytrząsano w 40 mL ultraczystej wody (1:10 w/v) na wytrząsarce horyzontalnej. Odcieki biowęgla pobrano po 1,6, 24, 96, 120, 144, 196 i 268 godzinach, a następnie poddano analizie metodą spektrometrii emisyjnej ze wzbudzeniem w plazmie indukcyjnie sprzężonej (ICP-OES), by określić stężenia potasu, fosforu i magnezu uwolnionych z biowęgla do odcieku. Dla porównania przygoto wano biowęgiel z trocin nieimpregnowanych, identycznym sposobem jak wyżej. Wyniki zobrazowano na rysunku jako: fig. 3a, przedstawiająca stężenia uwolnionego fosforu w czasie, fig. 3b przedstawiająca stężenia uwolnionego potasu w czasie; fig. 1c, przedstawiająca stężenia uwolnionego magnezu w czasie.

Przykład 4

L mieszaniny trocin sosnowych i dębowych zmieszano z 1 L wodnego 50% roztworu fruktozy, odstawiono w temperaturze 25°C do całkowitego nasycenia biomasy i wysuszono. Następnie, tak przygotowany materiał, poddano procesowi pirolizy w temperaturze 700°C w czasie 3,5 godzin. Otrzymane 4 g produktu wytrząsano w 40 mL ultraczystej wody (1:10 w/v) na wytrząsarce horyzontalnej. Odcieki biowęgla pobrano po 1, 6, 24, 96, 120, 144, 196 i 268 godzinach, a następnie poddano analizie metodą spektrometrii emisyjnej ze wzbudzeniem w plazmie indukcyjnie sprzężonej (ICP-OES), by określić stężenia potasu, fosforu i magnezu uwolnionych z biowęgla do odcieku. Dla porównania przygotowano biowęgiel z trocin nieimpregnowanych, identycznym sposobem jak wyżej. Wyniki zobrazowano na rysunku jako: fig. 4a, przedstawiającym stężenia uwolnionego fosforu w czasie; fig. 4b, przedstawiającym stężenia uwolnionego potasu w czasie; fig. 4c, przedstawiającym stężenia uwolnionego magnezu w czasie.

Przykład 5

L mieszaniny trocin sosnowych i dębowych zmieszano z 1 L wodnego 30% roztworu glukozy, odstawiono w temperaturze 20°C do całkowitego nasycenia biomasy i wysuszono. Następnie, tak przygotowany materiał, poddano procesowi pirolizy w temperaturze 750°C w czasie 3 godzin. Otrzymane 4 g produktu wytrząsano w 40 mL ultraczystej wody (1:10 w/y) na wytrząsarce horyzontalnej. Odcieki biowęgla pobrano po 1,6, 24, 96, 120, 144, 196 i 268 godzinach, a następnie poddano analizie metodą spektrometrii emisyjnej ze wzbudzeniem w plazmie indukcyjnie sprzężonej (ICP-OES), by określić stężenia potasu, fosforu i magnezu uwolnionych z biowęgla do odcieku. Dla porównania przygotowano biowęgiel z trocin nieimpregnowanych, identycznym sposobem jak wyżej. Wyni ki zobrazowano na rysunku jako: fig. 5a, przedstawiająca stężenia uwolnionego fosforu w czasie; fig. 5b, przedstawiająca stężenia uwolnionego potasu w czasie; fig. 5c, przedstawiająca stężenia uwolnionego magnezu w czasie.

Przykład 6

L mieszaniny trocin sosnowych i dębowych zmieszano z 1 L wodnego 50% roztworu glukozy, odstawiono w temperaturze 20°C do całkowitego nasycenia biomasy i wysuszono. Następnie, tak przygotowany materiał, poddano procesowi pirolizy w temperaturze 750°C w czasie 3 godzin. Otrzymane 4 g produktu wytrząsano w 40 mL ultraczystej wody (1:10 w/v) na wytrząsarce horyzontalnej. Odcieki

PL 249098 Β1 biowęgla pobrano po 1,6, 24, 96, 120, 144, 196 i 268 godzinach, a następnie poddano analizie metodą spektrometrii emisyjnej ze wzbudzeniem w plazmie indukcyjnie sprzężonej (ICP-OES), by określić stężenia potasu, fosforu i magnezu uwolnionych z biowęgla do odcieku. Dla porównania przygotowano biowęgiel z trocin nieimpregnowanych, identycznym sposobem jak wyżej. Wyniki zobrazowano na rysunku jako: fig. 6a, przedstawiająca stężenia uwolnionego fosforu w czasie; fig. 6b, przedstawiająca stężenia uwolnionego potasu w czasie; fig. 6c, przedstawiająca stężenia uwolnionego magnezu w czasie.

Przykład 7

L mieszaniny trocin sosnowych i dębowych zmieszano z 1 L wodnego 30% roztworu fruktozy, odstawiono w temperaturze 20°C do całkowitego nasycenia biomasy i wysuszono. Następnie, tak przygotowany materiał, poddano procesowi pirolizy w temperaturze 750°C w czasie 3 godzin. Otrzymane 4 g produktu wytrząsano w 40 mL ultraczystej wody (1:10 w/v) na wytrząsarce horyzontalnej. Odcieki biowęgla pobrano po 1,6, 24, 96, 120, 144, 196 i 268 godzinach, a następnie poddano analizie metodą spektrometrii emisyjnej ze wzbudzeniem w plazmie indukcyjnie sprzężonej (ICP-OES), by określić stężenia potasu, fosforu i magnezu uwolnionych z biowęgla do odcieku. Dla porównania przygotowano biowęgiel z trocin nieimpregnowanych, identycznym sposobem jak wyżej. Wyniki zobrazowano na rysunku jako: fig. 7a, przedstawiająca stężenia uwolnionego fosforu w czasie; fig. 7b, przedstawiająca stężenia uwolnionego potasu w czasie; fig. 7c, przedstawiająca stężenia uwolnionego magnezu w czasie.

Przykład 8

L mieszaniny trocin sosnowych i dębowych zmieszano z 1 L wodnego 50% roztworu fruktozy, odstawiono w temperaturze 20°C do całkowitego nasycenia biomasy i wysuszono. Następnie, tak przygotowany materiał, poddano procesowi pirolizy w temperaturze 750°C w czasie 3 godzin. Otrzymane 4 g produktu wytrząsano w 40 mL ultraczystej wody (1:10 w/v) na wytrząsarce horyzontalnej. Odcieki biowęgla pobrano po 1,6, 24, 96, 120, 144, 196 i 268 godzinach, a następnie poddano analizie metodą spektrometrii emisyjnej ze wzbudzeniem w plazmie indukcyjnie sprzężonej (ICP-OES), by określić stężenia potasu, fosforu i magnezu uwolnionych z biowęgla do odcieku. Dla porównania przygotowano biowęgiel z trocin nieimpregnowanych, identycznym sposobem jak wyżej. Wyniki zobrazowano na rysunku jako: fig. 8a, przedstawiająca stężenia uwolnionego fosforu w czasie; fig. 8b, przedstawiająca stężenia uwolnionego potasu w czasie; fig. 8c, przedstawiającym stężenia uwolnionego magnezu w czasie.

Przykład 9

Odcieki wodne z biowęgli przygotowane w sposób przedstawiony w przykładach 1-8, wykorzystano do oceny długości korzenia rzeżuchy siewnej (Lepidium sativum). Próbę kontrolną stanowiło 15 nasion umieszczonych na szalce Petriego zadaną 5 mL wody destylowanej. Próby badawcze stanowiły 15 nasion umieszczonych na szalce Petriego zadanych 5 mL odcieków wodnych z biowęgli. Zmierzono długości korzeni, a następnie wykonano obliczenia ukazujące procentowy przyrost korzeni względem próby kontrolnej. Wyniki przedstawiono w tabeli 1.

W wyniku przeprowadzonych badań udowodniono nie tylko cechę powolnego uwalniania fosforu, magnezu i potasu otrzymanych materiałów, lecz dodatkowo wykazano zdolność uwolnionych pierwiastków do stymulacji wzrostu roślin ich odcieków.

Tabela 1

Temperatura pirolizy	Odciek z biowęgla zawierający P, K, Mg zadany roztworem	Procent stymulacji wzrostu korzenia
550°C	10% roztworem glukozy	+230%
600°C	50% roztworem glukozy	+145%
550°C	10% roztworem fruktozy	+95%
700°C	50% roztworem fruktozy	+131%
750°C	30% roztworem glukozy	+19%
750°C	50% roztworem glukozy	+13%
750°C	30% roztworem fruktozy	+6%
750°C	50% roztworem fruktozy	+10%

Claims

1. Sposób otrzymywania biowęgla z trocin drzewnych o powolnym uwalnianiu składników mineralnych z jego odcieku, znamienny tym, że biomasę w postaci mieszaniny trocin drzew iglastych i liściastych impregnuje się roztworem wodnym cukru prostego, takiego jak glukoza albo fruktoza o stężeniach w zakresie od 10% do 50% w stosunku objętościowym 1:1, w temperaturze pokojowej 20-25°C i po czasie 48-72 godzin, po jej optymalnym nasyceniu i wysuszeniu, poddaje się procesowi pirolizy w czasie 3 do 4 godzin, w temperaturze 550°C - 750°C, w atmosferze azotu, po czym rozpuszcza w stosunku w/v jak 1 do 10 w ultraczystej wodzie, a następnie wytrząsa na wytrząsarce horyzontalnej otrzymując odciek z zawartością pierwiastków przydatnych do użycia jako bionawóz roślinny.