Effetto del biochar di bambù sulla resistenza e sulle proprietà di ritenzione idrica dell'argilla a bassa plastica e della sabbia limosa

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 6201 (2023) Citare questo articolo

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Il biochar è un prodotto stabile ricco di carbonio derivato dalla decomposizione termochimica della biomassa. Le proprietà del biochar variano a seconda del tipo di materia prima, della velocità di riscaldamento, della temperatura di pirolisi, ecc. Di conseguenza, anche le proprietà meccaniche e idrologiche del suolo modificato con biochar (BAS) differiscono a seconda del tipo di biochar e di terreno. Tuttavia, nella letteratura precedente manca l’effetto dell’emendamento del biochar di bambù (BB) sulla resistenza del suolo e sulle proprietà di ritenzione idrica. La biomassa di bambù è stata pirolizzata a 600 °C per produrre biochar. BB e terreni (argilla a bassa plastica (CL) e sabbia limosa (SM)) sono stati miscelati per preparare BAS. I campioni sono stati preparati miscelando BB in cinque rapporti, ovvero 0%, 1%, 2%, 3,5% e 5% del peso del terreno asciutto. L’applicazione del biochar ha aumentato il contenuto ottimale di umidità, l’alcalinità (pH) e i limiti di Atterberg, mentre ha ridotto la densità secca massima e il peso specifico di entrambi i terreni (CL e SM). È stato osservato che la resistenza a compressione non confinata (UCS) del suolo CL aumenta del 10,5% con un contenuto di biochar del 2% e successivamente diminuisce, mentre si è riscontrato che l'UCS del suolo SM diminuisce continuamente con l'incremento del contenuto di biochar. Pertanto, il risultato della resistenza a compressione non confinata (UCS) ha mostrato che l’applicazione del biochar ha effetti contrari su entrambi i terreni. Il contenuto gravimetrico di acqua misurato (GWC) del BAS è stato aumentato con l'incremento del biochar in entrambi i terreni. Tuttavia, il GWC è aumentato maggiormente nel suolo CL che nel suolo SM a parità di contenuto di biochar. L’analisi microstrutturale ha mostrato che l’ammendante del biochar ha riempito lo spazio dei pori della matrice del suolo, determinando un aumento dei valori UCS e GWC. L’aumento della capacità e della resistenza idrica (UCS) del suolo CL modificato con biochar fornisce la prova che potrebbe essere utilizzato come materiale di copertura della discarica.

Il biochar (BC) è un prodotto stabile ricco di carbonio derivato dalla pirolisi o gassificazione della biomassa ad alta temperatura con poco o nessun ossigeno disponibile in una camera chiusa1,2. Le materie prime primarie (materia prima) per la produzione di biochar sono residui agricoli, letame animale, rifiuti solidi urbani, silvicoltura e scarti della lavorazione del legno3. In generale, la pirolisi è la decomposizione termochimica della materia organica in un ambiente anaerobico a una temperatura compresa tra 200 e 700 °C, producendo gas di sintesi, bioolio e biochar4. Generalmente, il gas di sintesi e il bioolio vengono utilizzati nella produzione di energia2,5. Considerando che, a causa delle proprietà vantaggiose del biochar, che includono una maggiore area superficiale specifica, capacità di scambio cationico, contenuto di carbonio, pH, capacità di ritenzione idrica e densità inferiore, ecc. È ampiamente utilizzato nella rimozione della contaminazione da metalli pesanti, nel sequestro del carbonio, in agricoltura e campi ingegneristici6,7. Pertanto, il biochar è stato potenzialmente applicato in agricoltura, tetti verdi, pendii bioingegnerizzati, argini, discariche, ecc. Recentemente, i ricercatori hanno studiato le potenziali applicazioni del biochar come possibile materiale di copertura nelle discariche e per la stabilità dei pendii vegetati8,9,10,11,12 ,13,14,15,16.

In passato, sono stati condotti vari studi su diversi tipi di biochar prodotto come materia prima per indagare le proprietà geotecniche (meccaniche e idrologiche) del suolo modificato con biochar (BAS), e la maggior parte degli studi ha concluso che le proprietà del biochar variano con i tipi di materia prima, la pirolisi temperatura, velocità di riscaldamento e condizioni atmosferiche della camera di pirolisi8,17,18,19,20,21,22,23. Inoltre, pochi studi hanno riportato che le proprietà del BAS cambiano con l’età del biochar24. Le proprietà meccaniche e idrologiche del BAS variano anche con la dimensione delle particelle di biochar25,26,27.

In generale, i ricercatori hanno segnalato una diminuzione della densità secca del BAS12,27. Mentre la resistenza alla compressione non confinata (UCS) e la resistenza al taglio del BAS contraddicevano i risultati, che mostravano variazioni a seconda della materia prima e del tipo di terreno. Studi su terreni argillosi mostrano che il valore dell'UCS aumenta fino ad una certa percentuale di contenuto di biochar e, successivamente, diminuisce28,29. Bora et al.22 hanno riportato un valore UCS inalterato o diminuito della sabbia limosa a causa dell'aumento del contenuto di biochar. Ahmed et al.30 hanno osservato una diminuzione della resistenza al taglio su terreni limosi e argillosi attribuita all'aggiunta di biochar. Sadasivam e Reddy15 e Xu et al.31 hanno riportato un aumento dei parametri di resistenza al taglio a causa dell'applicazione di biochar su terreni argillosi limosi e puramente argillosi. Oltre alle caratteristiche meccaniche, l’applicazione del biochar influisce anche sulla capacità di ritenzione idrica del suolo. È stato riportato che l’applicazione del biochar ha migliorato la capacità di ritenzione idrica (WRC) del suolo21,32,33,34,35,36. Tuttavia, alcuni ricercatori hanno riportato risultati contraddittori, ad esempio il fatto che l'applicazione del biochar è inefficace nell'aumentare o differenziare le materie prime aventi un WRC diverso di BAS37,38,39,40.