Biochar from grapevine canes : study upon phosphate sorption and water retention

Biochar is a carbon solid product by the pyrolysis process of organic matter. It is structurally similar to charcoal, but differ for the purpose: biochar, produced from organic matter, is used as soil improver, waste management strategy and tool for the mitigation of climate change. In this work, two promising aspects of biochar produced from grapevine were studied: phosphate sorption and Water Holding Capacity (WHC). Grapevine cane is an abundant and underutilized biomass that could be pyrolysised for environmental and economic benefits. Based on an industry typical ratio of fruit yield to pruning weight of 1:5-10 and the 2015 winegrape yield in Australia of 1.67 million tonnes, between 8 and 16 million tonnes of grapevine cane that are pruned in Australian vineyards per annum at present largely go un-utilised. As only 2% of the world’s surface area under vine is located in Australia, grapevine cane could be 50 times greater. The production of biochar from the cane could form an environmentally sustainable secondary revenue stream for vineyards. Biochars containing calcite produced from grapevine cane were found to be effective low-cost absorbents of phosphate, with a maximum adsorption capacity of 32.9 mg/g, an order of magnitude higher than unmodified biochars from raw feedstocks. Increasing the pyrolysis temperature increased the adsorption effectiveness at lower phosphate concentrations. With a calcite adsorption mechanism, the pH may provide a method for the release of phosphate from the spent biochar via application to acidic soil. Surface area had no effect on adsorption capacity due to the narrow size of the pores. This biochar has potential applications in both wastewater treatment and tile drainage systems as a low-cost high-capacity phosphate absorbent. The second study focuses on bulk density and WHC of biochar produced from grapevine stalks and pruning. Bulk density was found to reach 0.20 g/cm, much lower than other biochars and common soils, indicating a high porosity. Application of this biochar into soil could strongly improve the texture resulting in a better soil-plant-atmosphere system. Studying of contact angle proved that biochar produced at 400ºC has a low wettability due to the possible content of oil that remains at this temperature. WHC results range within 0.47 and 0.79%, reaching the maximum at 700ºC. These values are higher that some other agricultural soils, so these biochars could be mixed into soil in order to reduce water demand and irrigation needed.

Il biochar è il prodotto carbonaceo derivante da un processo di pirolisi o di gassificazione della materia organica, per cui è chimicamente simile al più ben noto carbone. Il biochar, così come il processo di produzione, non è una tecnologia nuova, ma antica ed abbondantemente utilizzata nel passato. La necessità di coniare un nuovo termine per un materiale così antico deriva dal suo uso e dalla volontà di sottolineare l'origine rigorosamente vegetale (mentre il carbone può avere origine fossile). Il biochar è un prodotto di particolare interesse perchè è in grado di affrontare alcune tra le problematiche più critiche della società contemporanea: mitigazione dei cambiamenti climatici, gestione dei rifiuti, economia circolare, bonifica dei terreni, trattamento delle acque, etc. L'interesse verso questo prodotto si è sviluppato negli ultimi decenni e la ricerca lo testimonia: nel 2014 ci sono state più di 900 pubblicazioni riguardanti il biochar, il doppio rispetto il 2013 e 9 volte in più rispetto al 2008. L'applicazione del biochar in campo agricolo apporta dei benefici in termini di resa agricola e riduzione del fabbisogno idrico e di fertilizzanti. Questi vantaggi sono dovuti alla struttura altamente porosa che trattiene nutrienti, acqua e micro-organismi e al miglioramento delle proprietà fisico-chimiche del terreno. Lo studio eseguito per questa tesi intende fornire nuove conoscenze per valutare la fattibilità di queste ed altre applicazioni. Il lavoro svolto è parte di una ricerca più ampia condotta presso la University of Adelaide che vuole affrontare alcune tra le principali sfide del South Australia: aumentare la produzione di cibo e di energia con un impatto minimo sull'ambiente e ridurre l'uso di acqua nell'industria vinicola. Le potature e i raspi dell'industra vinicola sono le materie prime utilizzate per la produzione del biochar oggetto di studio. In questo lavoro sono stati studiati due aspetti promettenti del biochar prodotta da vite: assorbimento di fosfato e la capacità di ritenzione idrica (WHC). Il potere assorbente del biochar lo rende interessante per l'estrazione di preziosi nutrienti, come i fosfati, dalle soluzioni acquose. Il biochar può quindi essere utilizzato per un circolo virtuoso per il recupero di fosforo: assorbe i fosfati dalle acque reflue e le rilascia nei terreni agricoli come fertilizzante. I benefici che se ne ricaverebbero sono riciclo del fosforo per ridurre la dipendenza dal fosforo minerale (risorsa non rinnovabile), minore fabbisogno di fertilizzante e minore eutrofizzazione delle acque di scarico. Per poter dar credito a questa applicazione, è necessario studiare i meccanismi di adsorbimento e desorbimento del fosforo. Nel primo lavoro, è stato studiato il potere assorbente del biochar prodotto. La massima capacità di assorbimento del biochar è di 32.9 mg/g, un ordine di grandezza maggiore rispetto al biochar prodotto da altro materiale non trattato. Questo risultato non inaspettato è dovuto all'elevata concentrazione di calcite nelle potature di vite (e quindi nel biochar risultante), sul quale viene assorbito il fosforo secondo il meccanismo ipotizzato da Karageorgiou et al (2007). Questo meccanismo è governato dal pH della soluzione acquosa, quindi può essere sfruttato anche per il rilascio di fosforo in ambienti acidi e neutri (come alcuni suoli agricoli), ma questo aspetto richiede ulteriori studi. Il rateo di rimozione del fosforo è superiore al 99.5% per concentrazioni iniziali fino a 120 mg PO4/L. Il biochar prodotto da potature vinicole è quindi un possibile strumento efficace ed economico (non richiede pretrattamenti) per il recupero di fosforo dalle acque. Questa considerazione richiede ulteriori studi e analisi di fattibilità per poter essere confermata. Il biochar post adsorbimento è ricco di fosforo e potrebbe essere utilizzato come fertilizzante agricolo. E' necessario approfondire il meccanismo di rilascio di fosforo nel suolo e i possibili effetti collaterali. Nel secondo lavoro, è stata indagata la ritenzione idrica del biochar prodotto dalle potature e dai raspi di vite a diverse temperature. Si stima che in tutto il mondo solo il 56% dell'acqua d'irrigazione sia effettivamente utilizzata dalle colture, il resto è perso per evaporazione o percolazione. Inoltre nel prossimo futuro aumenterà il fabbisogno idrico in agricoltura a causa dell'aumento demografico, delle variazioni nella dieta e dei cambiamenti climatici. L'alta porosità del biochar permette di trattenere l'acqua nel suolo più a lungo, riducendone le perdite. Il WHC (Water Holding Capacity) del biochar prodotto tra 500ºC e 700ºC varia tra 0.47% e 0.79% in funzione della temperatura. In base agli studi dell'angolo di contatto, il biochar prodotto a 400ºC si rivela idrofobico. La densità apparente minima è di 0.20 g/cm che indica una elevata porosità. Questo tipo di biochar, avendo elevata ritenzione idrica e bassa densità apparente, può essere utilizzato per migliorare le qualità fisiche dei terreni, in quanto ne migliora la tessitura del suolo e il sistema suolo-pianta-atmosfera.