低可塑性粘土とシルト質砂の強度と保水特性に対する竹バイオ炭の影響

Scientific Reports volume 13、記事番号: 6201 (2023) この記事を引用

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8 オルトメトリック

メトリクスの詳細

バイオ炭は、バイオマスの熱化学分解から得られる炭素が豊富な安定した生成物です。バイオ炭の特性は、原料の種類、加熱速度、熱分解温度などによって異なります。その結果、バイオ炭改良土壌 (BAS) の機械的および水文学的特性もバイオ炭と土壌の種類によって異なります。しかし、土壌強度と保水特性に対する竹バイオ炭 (BB) 改良剤の効果は、以前の文献には記載されていません。竹バイオマスを 600 °C で熱分解してバイオ炭を生成しました。ＢＢと土壌（低可塑性粘土（ＣＬ）およびシルト質砂（ＳＭ））を混合してＢＡＳを調製した。サンプルは、BB を 5 つの比率、すなわち乾燥土壌重量の 0%、1%、2%、3.5%、および 5% で混合することによって調製されました。バイオ炭の適用により、最適な水分含有量、アルカリ度 (pH)、およびアッテルベルグ限界が増加しましたが、両方の土壌 (CL および SM) の最大乾燥密度と比重は減少しました。 CL 土壌の一軸圧縮強度 (UCS) は、バイオ炭含有量が 2% になると 10.5% 増加し、その後減少することが観察されました。一方、SM 土壌の UCS は、バイオ炭含有量の増加とともに連続的に減少することがわかりました。したがって、一軸圧縮強度 (UCS) の結果は、バイオ炭の適用が両方の土壌に逆の効果をもたらすことを示しました。 BAS の測定された重量含水量 (GWC) は、両方の土壌でバイオ炭の増加に伴って増加しました。しかし、同じバイオ炭含有量では、GWC は SM 土壌よりも CL でより多く増加しました。微細構造分析により、バイオ炭改良剤が土壌マトリックスの細孔空間を満たし、その結果、UCS および GWC 値が増加したことが示されました。バイオ炭で改質された CL 土壌の保水能力と強度 (UCS) の増加は、それが埋立地カバー材料として使用できるという証拠を提供します。

バイオ炭 (BC) は、密閉されたチャンバー内で利用可能な酸素がほとんどまたはまったくない状態で、高温によるバイオマスの熱分解またはガス化から得られる、炭素が豊富な安定した製品です 1,2。バイオ炭生産の主な原料 (原料) は、農業残渣、動物の糞尿、都市固形廃棄物、林業、および木材加工廃棄物です3。一般に、熱分解は、200 ～ 700 °C の温度範囲の嫌気性環境における有機物の熱化学分解であり、合成ガス、バイオオイル、バイオ炭が生成されます4。一般に、合成ガスとバイオオイルはエネルギー生成に使用されます2,5。一方、バイオ炭は、より高い比表面積、陽イオン交換容量、炭素含有量、pH、保水容量、低密度などの有利な特性により、重金属汚染の除去、炭素隔離、農業などに広く使用されています。および工学分野6,7。したがって、バイオ炭は農業、屋根緑化、生物工学による斜面、堤防、埋め立て地などに応用される可能性がある。最近、研究者らは埋め立て地および植生斜面の安定性における実現可能な被覆材としてのバイオ炭の応用可能性を研究している8,9,10,11,12。、13、14、15、16。

過去には、バイオ炭改良土壌 (BAS) の地質工学的 (機械的および水文学的) 特性を調査するために、さまざまな種類の原料で生成されたバイオ炭についてさまざまな研究が行われてきましたが、ほとんどの研究では、バイオ炭の特性は原料の種類、熱分解によって異なると結論付けています。熱分解チャンバーの温度、加熱速度、雰囲気条件8、17、18、19、20、21、22、23。さらに、BAS の特性がバイオ炭の年齢とともに変化することを報告した研究はほとんどありません 24。 BAS の機械的および水文学的特性も、バイオ炭粒子のサイズによって異なります 25、26、27。

一般に、BAS の乾燥密度の減少が研究者によって報告されています 12,27。一方、BASの一軸圧縮強さ（UCS）とせん断強さは結果と矛盾しており、原料や土壌の種類によって変動することが示されました。粘土質土壌に関する研究では、UCS 値がバイオ炭含有量の一定の割合まで増加し、その後は減少することが示されています 28,29。 Bora ら 22 は、バイオ炭含有量の増加によりシルト質砂の UCS 値が変化しないか減少していることを報告しました。 Ahmed et al.30 は、バイオ炭の添加に起因するシルト質ローム土壌のせん断強度の低下を観察しました。 Sadasivam と Reddy 15 および Xu ら 31 は、シルト質粘土および純粋な粘土質土壌へのバイオ炭の適用によりせん断強度パラメータが増加すると報告しました。機械的特性に加えて、バイオ炭の適用は土壌の保水能力にも影響を与えます。バイオ炭の適用により土壌の保水能力 (WRC) が強化されたことが報告されています 21,32,33,34,35,36。しかし、一部の研究者は、BAS37、38、39、40 の異なる WRC を持つ原料の増加や異なる原料にはバイオ炭の適用が効果がないなど、矛盾した結果を報告しています。

2 µm) attract nutrients and enhance the WRC in the soil matrix58,59,60. The microstructural analysis also depicts that platy clay particles were stuck over the angular and sub-angular silt particles. The pH of bamboo biochar (8.9) was observed to be more alkaline than the soils (7.75–7.85). The increased pH in biochar is due to the higher carbon content and surface functional groups (hydroxide, alkali and carbonate) (Fig. 4a) of BB61. Therefore, BB has the potential to treat acidic soil. The compaction result observed a higher MDD in the case of SM soil than the CL soil (Table 1), and the MDD of BB was observed to be lesser compared to both soils. The lightweight and porous structure caused lesser MDD in BB./p>