Главная \ Наука \ Научные издания КФУ \ Ученые записки Казанского университета \ Ученые записки Казанского университета. Серия Естественные науки \ Архив

Изменение токсикологических характеристик пироугля из куриного помета в процессе химической модификации

П.А. Курынцева, И.Б. Выборнова, П.Ю. Галицкая, С.Ю. Селивановская

Казанский (Приволжский) федеральный университет, г. Казань, 420008, Россия

Полный текст PDF

DOI: 10.26907/2542-064X.2019.1.77-92

Для цитирования: Курынцева П.А., Выборнова И.Б., Галицкая П.Ю., Селивановская С.Ю. Изменение токсикологических характеристик пироугля из куриного помета в процессе химической модификации // Учен. зап. Казан. ун-та. Сер. Естеств. науки. – 2019. – Т. 161, кн. 1. – С. 77–92. – doi: 10.26907/2542-064X.2019.1.77-92.

For citation: Kuryntseva P.A., Vybornova I.B., Galitskaya P.Yu., Selivanovskaya S.Yu. Changes in the toxicological characteristics of biochars from chicken manure dependent on their chemical modification. Uchenye Zapiski Kazanskogo Universiteta. Seriya Estestvennye Nauki, 2019, vol. 161, no. 1, pp. 77–92. doi: 10.26907/2542-064X.2019.1.77-92. (In Russian)

Аннотация

Представлены данные об изменении химического состава и токсикологических характеристик пироугля при его модификации методом допирования азотом с использованием карбамида ((NH₂)₂CO), а также калием с фосфором с использованием дигидроортофосфата калия (KH₂PO₄). Проанализировано четыре варианта допирования, различающихся последовательностью обработки агентами и кратностью процессов пиролиза. Токсичность определена с использованием простейших Paramecium caudatum, низших ракообразных Daphnia magna и высших растений Hordeum vulgare. Полученные результаты подвергнуты обработке методом главных компонент. Установлено, что как сам пиролиз, так и химическая модификация приводят к существенному изменению содержания органогенных элементов и токсичности. Применение метода главных компонент позволило выявить вариант модификации, позволяющий получить пироуголь с высоким содержанием органогенных элементов при незначительном увеличении их токсичности и включающий пиролиз исходного субстрата в течение 2 ч, обработка регентами в сухом или растворенном виде и повторный пиролиз в течение 2 ч.

Ключевые слова: пироуголь, токсичность, модификация пироугля

Благодарности. Работа выполнена при финансовой поддержке Соглашения № 14.581.21.0024 о предоставлении субсидии Министерства науки и высшего образования Российской Федерации (уникальный идентификатор работ (проекта) RFMEFI58117X0024).

Литература

Qambrani N.A., Rahman M.M., Won S., Shim S., Ra Ch. Biochar properties and eco-friendly applications for climate change mitigation, waste management, and wastewater treatment: A review // Renewable Sustainable Energy Rev. – 2017. – V. 79. – P. 255–273. – doi: 10.1016/j.rser.2017.05.057.
Ding Y., Liu Y., Liu Sh., Huang X. Li Zh., Tan X., Zeng G., Zhou L. Potential benefits of biochar in agricultural soils: A review // Pedosphere. – 2017. – V. 27, No 4. – P. 645–661. – doi: 10.1016/S1002-0160(17)60375-8.
Preston C.M., Schmidt M.W.I. Black (pyrogenic) carbon: A synthesis of current knowledge and uncertainties with special consideration of boreal regions // Biogeosciences. – 2006. – V. 3. – P. 397–420. – doi: 10.5194/bg-3-397-2006.
Knicker H. How does fire affect the nature and stability of soil organic nitrogen and carbon? A review // Biogeochemistry. – 2007. – V. 85, No 1. – P. 91–118. – doi: 10.1007/s10533-007-9104-4.
Liesch A.M., Weyers S.L., Gaskin J.W., Das K.C. Impact of two different biochars on earthworm growth and survival // Ann. Environ. Sci. – 2010. – V. 4. – P. 1–9.
Knowles O.A., Robinson B.H., Contangelo A., Clucas L. Biochar for the mitigation of nitrate leaching from soil amended with biosolids // Sci. Total Environ. – 2011. – V. 409, No 17. – P. 3206–3210. – doi: 10.1016/j.scitotenv.2011.05.011.
Novak J.M., Frederick J.R., Bauer P.J., Watts D.W. Rebuilding organic carbon contents in coastal plain soils using conservation tillage systems // Soil Sci. Soc. Am. J. – 2009. – V. 73, No 2. – P. 622–629.
Husk B., Major J. Biochar Commercial Agriculture Field Trial in Québec, Canada – Year Three: Effects of Biochar on Forage Plant Biomass Quantity, Quality and Milk Production. – 2011. – URL: https://wiki.opensourceecology.org/images/5/55/ BlueLeafBiocharForageFieldTrial-Year3Report.pdf.
Ahmad M.R., Musirin I., Othman M.M., Rahmat N.A. PHEV charging strategy via user preferences and its impacts on power system network // 2014 IEEE Conf. on Energy Conversion (CENCON). – IEEE, 2014. – P. 19–24. – doi: 10.1109/CENCON.2014.6967470.
Lehmann J., Joseph S. Biochar for Environmental Management: Science and Technology. – Earthscan Publ. Ltd, 2009. – 450 p.
Godlewska P., Schmidt H.P., Oleszczuk P. Biochar for composting improvement and contaminants reduction. A review // Bioresour. Technol. – 2017. – V. 246. – P. 193–202. – doi: 10.1016/j.biortech.2017.07.095.
Chen X., Chen G., Chen L., Chen Y., Lehmann J., McBride M.B., Hay A.G. Adsorption of copper and zinc by biochars produced from pyrolysis of hardwood and corn straw in aqueous solution // Bioresour. Technol. – 2011. – V. 102, No 19. – P. 8877–8884. – doi: 10.1016/j.biortech.2011.06.078.
Xu L., Yao Q., Zhang Y., Fu Y. Integrated production of aromatic amines and N-doped carbon from lignin via ex Situ catalytic fast pyrolysis in the presence of Ammonia over Zeolites // ACS Sustainable Chem. Eng. – 2017. – V. 5, No 4. – P. 2960–2969. – doi: 10.1021/acssuschemeng.6b02542.
Cha J.S., Park S.H., Jung S.C., Ryu C., Jeon J.K., Shin M.C., Park Y.K. Production and utilization of biochar: A review // J. Ind. Eng. Chem. – 2016. – V. 40. – P. 1–15. – doi: 10.1016/j.jiec.2016.06.002.
Tan Z., Lin C., Ji X., Rainey T.J. Returning biochar to fields: A review // Appl. Soil Ecol. – 2017. – V. 116. – P. 1–11. – doi: 10.1016/j.apsoil.2017.03.017.
Agegnehu G., Srivastava A.K., Bird M.I. The role of biochar and biochar-compost in improving soil quality and crop performance: A review // Appl. Soil Ecol. – 2017. – V. 119. – P. 156–170. – doi: 10.1016/j.apsoil.2017.06.008.
Li Z., Zhang X., Xiong X., Zhang B., Wang L. Determination of the best conditions for modified biochar immobilized petroleum hydrocarbon degradation microorganism by orthogonal test // IOP Conf. Ser.: Earth Environ. Sci. – 2017. – V. 94. – Art. 012191, P. 1–7. – doi: 10.1088/1755-1315/94/1/012191.
Song W., Guo M. Quality variations of poultry litter biochar generated at different pyrolysis temperatures // J. Anal. Appl. Pyrolysis. – 2012. – V. 94. – P. 138–145. – doi: 10.1016/j.jaap.2011.11.018.
Lyu H., He Y., Tang J., Hecker M., Liu Q., Jones P.D., Codling G., Giesy J.P. Effect of pyrolysis temperature on potential toxicity of biochar if applied to the environment // Environ. Pollut. – 2016. – V. 218. – P. 1–7. – doi: 10.1016/j.envpol.2016.08.014.
Shakya A., Agarwal T. Poultry litter biochar: An approach towards poultry litter management – A review // Int. J. Curr. Microbiol. Appl. Sci. – 2017. – V. 6, No 10. – P. 2657–2668. – doi: 10.20546/ijcmas.2017.610.314.
Li B., Dai F., Xiao Q., Yang L., Shen J., Zhang C., Cai M. Nitrogen-doped activated carbon for a high energy hybrid supercapacitor // Energy Environ. Sci. – 2016. – V. 9, No 1. – P. 102–106. – doi: 10.1039/c5ee03149d.
Tan X., Liu Y., Zeng G., Wang X., Hu X., Gu Y., Yang Z. Application of biochar for the removal of pollutants from aqueous solutions // Chemosphere. – 2015. – V. 125. – P. 70–85. – doi: 10.1016/j.chemosphere.2014.12.058.
Chen Y., Zhang X., Chen W., Yang H., Chen H. The structure evolution of biochar from biomass pyrolysis and its correlation with gas pollutant adsorption performance // Bioresour. Technol. – 2017. – V. 246. – P. 101–109. – doi:10.1016/j.biortech.2017.08.138.
Zhang J.-X., Maddison W.P. Tisaniba, a new genus of marpissoid jumping spiders from Borneo (Araneae: Salticidae) // Zootaxa. – 2014. – V. 3852, No 2. – P. 252–272. – doi: 10.11646/zootaxa.3852.2.5.
Chen P., Wang L.-K., Wang G., Gao M.-R., Ge J., Yuan W.-J., Shen Y.-H., Xie A.-J., Yu S.-H. Nitrogen-doped nanoporous carbon nanosheets derived from plant biomass: An efficient catalyst for oxygen reduction reaction // Energy Environ. Sci. – 2014. – V. 7, No 12. – P. 4095–4103. – doi: 10.1039/C4EE02531H.
Chen W., Yang H., Chen Y., Chen X., Fang Y., Chen H. Biomass pyrolysis for nitrogen-containing liquid chemicals and nitrogen-doped carbon materials // J. Anal. Appl. Pyrolysis. – 2016. – V. 120. – P. 186–193. – doi: 10.1016/j.jaap.2016.05.004.
Chen J., Yang J., Hu G., Hu X., Li Zh., Shen S., Radosz M., Fan M. Enhanced CO₂ capture capacity of nitrogen-doped biomass-derived porous carbons // ACS Sustainable Chem. Eng. – 2016. – V. 4, No 3. – P. 1439–1445. – doi: 10.1021/acssuschemeng.5b01425.
Deng Y., Xie Y., Zou K., Ji X. Review on recent advances in nitrogen-doped carbons: Preparations and applications in supercapacitors // J. Mater. Chem. A. – 2016. – V. 4, No 4. – P. 1144–1173. – doi: 10.1039/C5TA08620E.
Wang Y., Zuo S., Yang J., Yoon S.-H. Evolution of phosphorus-containing groups on activated carbons during heat treatment // langmuir. – 2017. – V. 33, No 12. – P. 3112–3122. – doi: 10.1021/acs.langmuir.7b00095.
Roupcovápetra P., Friedrichová R., Klouda K., Weisheitelová M., Perďochová M. Biochar modification, thermal stability and toxicity of products modification // Saf. Eng. Ser. – 2017. – V. 12, No 2. – P. 30–43. – doi: 10.1515/tvsbses-2017-0012.
Гельман Н.Э., Терентьева Е.А., Шанина Т.М., Методы количественного органического элементного микроанализа. – М.: Химия, 1987. – 296 с.
ISO 14235:1998. Soil quality – Determination of organic carbon by sulfochromic oxidation. – 1998. – 5 p.
ПНД Ф 16.1:2.3:3.11-98. Количественный химический анализ почв. Методика выполнения измерений содержания металлов в твердых объектах методом спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой. – М., 1998. – 13 с.
ISO 10390:2005. Soil quality – Determination of pH. P. 7. – 2005. – 5 p.
Kuryntseva P., Galitskaya P., Selivanovskaya S. Changes in the ecological properties of organic wastes during their biological treatment // Waste Manage. – 2016. – V. 58. – P. 90–97. – doi: 10.1016/j.wasman.2016.09.031.
Kryuchkova M., Danilushkina A., Lvovab Y., Fakhrullin R. Evaluation of toxicity of nanoclays and graphene oxide in vivo: A Paramecium caudatum study // Environ. Sci.: Nano. – 2016. – V. 3, No 2. – P. 442–452. – doi: 10.1039/C5EN00201J.
ISO 6341:2012. Preview Water quality – Determination of the inhibition of the mobility of Daphnia magna Straus (Cladocera, Crustacea) – Acute toxicity test. – 2012. – 22 p.
ISO 22030:2005. Soil quality – Biological methods – Chronic toxicity in higher plants. – 2005. – 18 p.
Zucconi F., Pera A., Forte M., DeBertolli M. Evaluating toxicity of immature compost // Biocycle. – 1981. – V. 22, No 2. – P. 54–57.
Zhang J., Wang Q. Sustainable mechanisms of biochar derived from brewers’ spent grain and sewage sludge for ammonia–nitrogen capture // J. Cleaner Prod. – 2016. – V. 112, Pt. 5. – P. 3927–3934. – doi: 10.1016/j.jclepro.2015.07.096.
Степанова Н.Ю., Ахметшина А.Д., Латыпова В.З. Сравнение чувствительности тест-объектов при токсикологической оценке донных отложений, загрязненных нефтью разного происхождения // Поволжский экол. журн. – 2012. – № 3. – P. 319–325.
Causin H.F., Barneix A.J. Regulation of NH₄⁺ uptake in wheat plants: Effect of root ammonium concentration and amino acids // Plant Soil. – 1993. – V. 151, No 2. – P. 211–218. – doi: 10.1007/BF00016286.
Li S.-X., Wang Z.-H., Stewart B.A. Responses of crop plants to ammonium and nitrate N // Adv. Agron. – 2013. – V. 118. – P. 205–397. – doi: 10.1016/B978-0-12-405942-9.00005-0.
Mary B., Recous S., Darwis D., Robin D. Interactions between decomposition of plant residues and nitrogen cycling in soil // Plant Soil. – 1996. – V. 181, No 1. – P. 71–82. – doi: 10.1007/BF00011294.

Поступила в редакцию

19.07.18