Trace metals and dissolved organic carbon in biochar varying with feedstock type and pyrolysis temperature

The content of carbon in labile forms (e.g. dissolved organic carbon (DOC)) and potentially hazardous inorganic substances (e.g. trace metals) in biochar (BC) may limit or prevent the utilization of BC for environmental remediation purposes. BCs were produced from slow pyrolysis at different temperatures (i.e. 300, 450 and 700 °C) from different types of feedstock (i.e. wood chips (WC), lignin (LG), digested sewage sludge (DSS), and pine bark (PB)). Total trace metal (Cd, Cr, Cu, Ni, Pb, and Zn) concentration, leachability, and bioavailability were investigated for BCs from WC (BCWC), LG (BCLG), and DSS (BCDSS). DOC leachability from BCs was investigated via up-flow percolation test method. The most suitable pyrolysis temperature (450 or 700 °C) for reducing trace metal leachability and bioavailability depends on the trace metal considered. The temperature of 450 °C was effective in stabilizing Cr and Ni in the analyzed BCs as these trace metals were not prone to leaching or present in bioavailable forms. In the tested BCs, an increase in pyrolysis temperature made trace metals such as Zn and Cu more stable in the char matrix, decreasing in the bioavailable fractions, hindering leachability of Zn, and decreasing leachability of Cu to <1 % of the total Cu concentration. Trace metals such as Cd and Pb did not show a clear temperature trend, increasing or decreasing in the bioavailable or leachable fractions depending on the feedstock. Analysis of the up-flow percolation test showed the same temperature related trend in DOC leachability from BCWC and BCLG, with high temperature (700 C) BCs releasing lower cumulative amounts of DOC compared with low temperature (450 C) BCs, which were in the range 0.02–0.07 % and 0.06–0.09 % of total carbon (TC) content, respectively. DOC leaching from BCPB varied with pyrolysis temperatures and types of leachant (i.e. urban storm-water runoff (USWR)). Irrespective of the pyrolysis temperature, BCPB released cumulative amount of DOC up to 0.01 % of the TC content with pathway USWR. High temperature (i.e. 700 °C) BCPB released lower cumulative amount of DOC (up to 0.02 % of the TC content) with roof USWR. It is likely that the leachant (i.e. pathway USWR) with relatively higher pH and DOC concentration limited the release of DOC from the BC matrix, whereas the types of leachant (i.e. deionized water, and roof USWR) with relatively lower pH and DOC concentrations enhanced the release of DOC from the BC matrix.

La presenza nel biochar di carbonio labile (e.g. carbonio organico disciolto (DOC)) e di sostanze inorganiche (e.g. metalli pesanti) potenzialmente dannosi può limitare o impedire l’utilizzo del biochar per interventi di risanamento ambientale. Sono stati prodotti biochar da pirolisi lenta a diverse temperature (i.e. 300, 450 e 700 °C) da diversi tipi di feedstock (i.e. cippato da residui di lavorazione del legno (WC), lignina (LG), digestato da fanghi di depurazione (DSS), corteccia di pino (PB)). Il contenuto totale, la lisciviazione e la biodisponibilità di metalli, quali Cd, Cr, Cu, Ni, Pb e Zn, sono stati analizzati nei biochar da WC (BCWC), LG (BCLG) e DSS (BCDSS). Sono stati condotti test in colonna con flusso ascendente per valutare il rilascio di DOC da BCLG, BCWC e BCPB. La temperatura (450 oppure 700 °C) di pirolisi più efficace per ridurre la lisciviazione e la biodisponibilità dei metalli dipende dal metallo considerato. La temperatura di 450 °C si è dimostrata adatta a stabilizzare Cr e Ni nei biochar analizzati, in quanto questi metalli non hanno dimostrato alcuna tendenza alla lisciviazione né biodisponibilità. Un incremento di temperatura di pirolisi ha reso Zn e Cu più stabili nella matrice carboniosa, diminuendone la frazione biodisponibile, impedendo il rilascio di Zn e riducendo la lisciviazione di Cu a valori <1 % del contenuto totale di Cu. Un chiaro trend non è stato osservato per metalli quali Cd e Pb, diminuendo o incrementando nella frazione soggetta a lisciviazione o biodisponibilità con la temperatura di pirolisi a seconda del tipo di feedstock considerato. Il rilascio di DOC da BCWC e BCLG, valutato per mezzo di test in colonna, ha mostrato un andamento influenzato dalla temperatura adottata nella produzione dei suddetti biochar. BCWC e BCLG, prodotti a 700 °C, hanno rilasciato quantità cumulate di DOC (0.02–0.07 % di contenuto di carbonio totale (TC)) più basse dei rispettivi biochar prodotti a 450 °C (0.06–0.09 % di contenuto di TC). Sono state osservate variazioni nella lisciviazione di DOC da biochar prodotto da corteccia di pino (BCPB) in funzione della temperatura di pirolisi e del tipo di percolante (i.e. acque meteoriche di dilavamento in ambiente urbano (USWR)). BCPB, prodotto a diverse temperature, ha rilasciato simili quantità cumulate di DOC (0.01 % del contenuto di TC) con le acque meteoriche di dilavamento prelevate da un’area pedonale. BCPB, prodotto a 700 °C, ha rilasciato più basse quantità cumulate di DOC (0.02 % contenuto di TC) con le acque meteoriche di dilavamento prelevate da un tetto.