الفرق بين الفحم والفحم الحيوي: من العملية ومحتوى الكربون إلى الفوائد
يُعتبر الفحم والفحم الحيوي في كثير من الأحيان نفس المادة لأنهما أسودان اللون، ويأتيان من الكتلة الحيوية، ويحتويان على نسبة عالية من الكربون. ومع ذلك، من حيث الوظيفة والغرض من التصنيع، يوجد اختلافات مهمة جدًا بين الفحم والفحم الحيوي.
لا يكمن الاختلاف في كيفية تصنيعه فحسب، بل أيضًا في الغرض من الاستخدام، وطبيعة الكربون، واستقرار الكربون، والفوائد التي سيتم الحصول عليها.
بعبارات بسيطة، يتم تصنيع الفحم بشكل عام لإنتاج الوقود، في حين يتم تصنيع الفحم الحيوي باعتباره مادة كربونية مستقرة نسبيًا لتطبيقات التربة والتطبيقات الزراعية والبيئية وتخزين الكربون.
1. ما هو الفحم؟
الفحم هو مادة صلبة غنية بالكربون يتم إنتاجها من تسخين الكتلة الحيوية مع كمية محدودة من الأكسجين. يمكن أن تكون المواد المستخدمة الخشب، أو الخيزران، أو قشور جوز الهند، أو الأغصان، أو أي كتلة حيوية أخرى.
في الاستخدام التقليدي، يكون الغرض الرئيسي من صنع الفحم هو إنتاج وقود ذي قيمة حرارية عالية.
يتم بعد ذلك استخدام الفحم من أجل:
- الطبخ;
- حرق؛
- الوقود الصناعي؛
- صناعة القوالب؛
- مختلف احتياجات الطاقة الأخرى.
نظرًا لأن الغرض الرئيسي منه هو الطاقة، فإن الخصائص التي يتم أخذها في الاعتبار عادةً في الفحم هي القيمة الحرارية، ومحتوى الماء، ومحتوى الرماد، والكربون الثابت، والقابلية للاشتعال، والقوة البدنية.
وبالتالي فإن الكربون الموجود في الفحم هو في الأساس طاقة كيميائية مخزنة في مادة الكربون.
عندما يتم حرق الفحم، يتعرض الكربون للأكسدة ويتحول معظمه إلى ثاني أكسيد الكربون (CO₂)، بينما يتم إنتاج الطاقة على شكل حرارة.
بعبارات بسيطة:
الكتلة الحيوية → الفحم ورار. حرق &رار; ثاني أكسيد الكربون + الطاقة
2. ما هو الفحم الحيوي؟
الفحم الحيوي عبارة عن مادة غنية بالكربون يتم إنتاجها من خلال عمليات الكتلة الحيوية الكيميائية الحرارية، وخاصة التحلل الحراري في ظروف أكسجين محدودة للغاية، بهدف إنتاج مادة كربونية يمكن استخدامها في التربة والزراعة والبيئة وتخزين الكربون.
يمكن أن تأتي المواد الخام من:
- قشور الأرز؛
- القش;
- أكواز الذرة؛
- مخلفات المزارع;
- الأغصان ونفايات الخشب؛
- الخيزران؛
- قشرة جوز الهند;
- نفايات الماشية؛
- مختلف بقايا الكتلة الحيوية الأخرى.
في عملية الانحلال الحراري، يتم تسخين الكتلة الحيوية دون احتراق كامل. ويتحول بعض المادة إلى غازات ومركبات متطايرة، بينما يظل بعض الكربون في حالة صلبة.
ويمكن بعد ذلك أن يتحول هذا الجزء الصلب إلى الفحم الحيوي.
ومع ذلك، لا يتحول كل الفحم تلقائيًا إلى فحم حيوي.
يُطلق على المادة الكربونية المستخدمة في الوقود اسم الفحم النباتي بناءً على وظيفتها الرئيسية. يمكن تصنيف المواد التي يتم إنتاجها والتحكم فيها من أجل تطبيقات التربة أو البيئة على أنها فحم حيوي.
3. محتوى الكربون: أوجه التشابه الرئيسية بين الفحم والفحم الحيوي
كل من الفحم والفحم الحيوي غنيان بالكربون.
يعد الكربون عنصرًا مهمًا في كليهما لأن عملية التسخين تتسبب في خروج معظم مكونات الكتلة الحيوية المتطايرة، بينما يصبح الكربون مركّزًا بشكل متزايد في الجزء الصلب.
ومع ذلك، ليس لمحتوى الكربون قيمة واحدة تنطبق على جميع أنواع الفحم النباتي أو الفحم الحيوي.
يؤثر نوع المادة الخام ودرجة حرارة الانحلال الحراري ووقت التسخين ومحتوى الماء وظروف العملية بشكل كبير على محتوى الكربون النهائي.
في الفحم الحيوي، تظهر دراسات مختلفة أن محتوى الكربون يمكن أن يكون في نطاق واسع جدًا. أفادت إحدى الدراسات الشاملة أن محتوى الكربون في الفحم الحيوي يبلغ حوالي 62.2-92.4%في ظل مجموعات مختلفة من المواد الخام وظروف الانحلال الحراري.
يوضح هذا أن مصطلح "الفحم الحيوي" لا يعني أنه يحتوي على نسبة كربون بعدد معين. يجب النظر إلى طبيعة الفحم الحيوي بناءً على المواد الخام وعملية الإنتاج.
4. الكربون في الفحم: الطاقة المخزنة
في وقود الفحم النباتي، يكون للكربون قيمة في المقام الأول لأنه يمكن أن ينتج الطاقة عند حرقه.
يعد الكربون مصدرًا للطاقة الكيميائية.
كلما تم استخدام الفحم كوقود بشكل أفضل، زادت فعالية أكسدة الكربون وإنتاج الحرارة.
لذلك، من منظور الطاقة:
كربون الفحم وrarr; محترق &رار; يولد الحرارة وrarr. يعود الكربون في المقام الأول على شكل ثاني أكسيد الكربون
وهذا يعني أن الكربون المخزن مسبقًا في الكتلة الحيوية يتم نقله مؤقتًا فقط إلى الفحم قبل أن يتم إطلاقه أخيرًا مرة أخرى عند حرق الفحم.
هذا هو الفرق الأساسي بين منظور الفحم كوقود والفحم الحيوي كمادة لتخزين الكربون.
5. الكربون في الفحم الحيوي: ما يهم ليس الكمية فحسب، بل الاستقرار
في الفحم الحيوي، يكون لوجود الكربون وظيفة مختلفة.
أحد الأهداف المهمة لعملية الانحلال الحراري هو تحويل بعض كربون الكتلة الحيوية إلى بنية كربون أكثر استقرارًا وأكثر صعوبة في التحلل.
أثناء عملية الانحلال الحراري، يخضع السليلوز والهيميسيلولوز واللجنين والمكونات العضوية الأخرى لتغيرات بسبب الحرارة.
تخرج بعض المركبات المتطايرة على شكل غاز وبخار، بينما يخضع بعض الكربون لتغيرات هيكلية ليصبح كربونًا أكثر تكاثفًا ورائحة عطرية.
والنتيجة هي مادة كربونية أكثر مقاومة للتحلل من معظم الكتلة الحيوية التي تنشأ منها.
بعبارات بسيطة:
الكتلة الحيوية → الانحلال الحراري ورار. الفحم الحيوي الغني بالكربون &rarr؛ الكربون مستقر نسبيًا → الأرض
لذلك، في سياق الفحم الحيوي، هناك مفهومان يجب التمييز بينهما:
محتوى الكربون واستقرار الكربون.
إجابة محتوى الكربون:
<اقتباس>ما هي كمية الكربون الموجودة في الفحم الحيوي؟
وفي الوقت نفسه، يجيب استقرار الكربون على ما يلي:
<اقتباس>ما مدى صعوبة تحلل الكربون وعودته إلى الغلاف الجوي؟
الاثنان ليسا متماثلين.
لا يعني ارتفاع نسبة الكربون تلقائيًا وجود كربون مستقر للغاية
6. لماذا يعد الكربون الحيوي أكثر استقرارًا؟
تحتوي الكتلة الحيوية العادية على العديد من المركبات العضوية التي يسهل نسبيًا تفكيكها بواسطة الكائنات الحية الدقيقة.
عندما تخضع الكتلة الحيوية للانحلال الحراري، يخضع بعض الهيكل للتحول إلى بنية كربونية أكثر كثافة وعطرية.
يميل هذا الهيكل إلى أن يكون أكثر مقاومة لعمليات التحلل البيولوجي.
تعد درجة حرارة الانحلال الحراري عاملاً مهمًا.
بشكل عام، زيادة درجة حرارة الانحلال الحراري يمكن أن تزيد من درجة النكهة واستقرار بعض أجزاء الكربون في الفحم الحيوي. ومع ذلك، هذه العلاقة ليست بسيطة لأن الطابع النهائي للفحم الحيوي يتأثر أيضًا بنوع المادة الخام، ووقت البقاء، وظروف الأكسجين، وتكنولوجيا الانحلال الحراري.
لذلك، يمكن أن يكون لنوعين من الفحم الحيوي المصنوعين من مواد خام مختلفة أو باستخدام ظروف الانحلال الحراري المختلفة خصائص كربونية مختلفة.
7. ليس كل الكربون الحيوي دائم
من المهم أن نفهم أن الفحم الحيوي لا يعني أن كل الكربون الموجود فيه سيتم تخزينه إلى الأبد.
يتكون الفحم الحيوي من أجزاء كربون مختلفة.
من السهل نسبيًا أن يتحلل بعض الكربون، بينما يكون البعض الآخر شديد المقاومة للتحلل.
لذلك، فإن المصطلح الأكثر ملاءمة هو الكربون المستقر نسبيًا أو الثابت، وليس الكربون الدائم بالتأكيد.
يمكن أن يتأثر استقرار الفحم الحيوي بما يلي:
- نوع الكتلة الحيوية؛
- درجة حرارة الانحلال الحراري؛
- وقت التسخين؛
- هيكل الكربون؛
- محتوى الرماد؛
- حجم الجسيمات;
- حالة التربة;
- نشاط الكائنات الحية الدقيقة؛
- الظروف البيئية.
هذا هو السبب وراء عدم كفاية أبحاث الفحم الحيوي لقياس إجمالي الكربون فقط. ويحتاج الباحثون أيضًا إلى النظر في الخصائص الكيميائية وبنية الكربون لمعرفة مدى استقرار الكربون.
8. لماذا يعد الفحم الحيوي مهمًا لعزل الكربون؟
تتمثل إحدى مزايا الفحم الحيوي في قدرته على تحويل بعض كربون الكتلة الحيوية إلى شكل أكثر ثباتًا من الكربون.
إذا سمح للكتلة الحيوية بالتحلل، فسيخضع الكربون العضوي لعمليات تحلل مختلفة ويمكن أن يعود بعض منه إلى الغلاف الجوي.
إذا تم حرق الكتلة الحيوية مباشرة، فسيتم إطلاق الكربون بسرعة، وبشكل رئيسي في شكل ثاني أكسيد الكربون.
ولكن إذا تم تحويل بعض الكتلة الحيوية إلى الفحم الحيوي وتم تطبيق الفحم الحيوي على التربة، فيمكن الاحتفاظ ببعض الكربون في شكل أكثر استقرارًا.
ثم يتم تشكيل المسار:
الكتلة الحيوية → الانحلال الحراري ورار. الفحم الحيوي → أرض &رار; الكربون مستقر نسبيًا
هذا المفهوم هو ما يجعل الفحم الحيوي مثيرًا للاهتمام في المناقشات المتعلقة بعزل الكربون والزراعة المستدامة وإدارة مخلفات الكتلة الحيوية.
الفحم الحيوي ليس مجرد مادة سوداء يتم خلطها في التربة، ولكنه يمكن أن يكون وسيلة لتحويل تدفق الكربون من الكتلة الحيوية إلى شكل أكثر ثباتًا من الكربون.
9. الفحم الحيوي
هيكل مساميبصرف النظر عن محتوى الكربون، يتمتع الفحم الحيوي بخاصية مهمة أخرى، وهي البنية المسامية.
أثناء الانحلال الحراري، يتم إطلاق بعض مكونات الكتلة الحيوية، مما يترك بنية كربونية ذات أحجام مسام مختلفة.
تخلق هذه المسام مساحة سطحية تسمح للفحم الحيوي بالتفاعل مع الماء والمواد المغذية والمركبات العضوية والكائنات الحية الدقيقة.
هذه الخاصية هي أحد الأسباب التي تجعل الفحم الحيوي يوفر وظائف مختلفة عند تطبيقه على التربة.
يمتلك الفحم الحيوي إمكانات:
- يزيد من احتباس الماء؛
- يساعد على الاحتفاظ بالعناصر الغذائية؛
- يوفر موطنًا دقيقًا للكائنات الحية الدقيقة؛
- يؤثر على الخواص الفيزيائية والكيميائية للتربة؛
- يزيد من محتوى الكربون في التربة.
ومع ذلك، فإن هذا التأثير ليس هو نفسه دائمًا في كل حالة. إن نوع الفحم الحيوي ونوع التربة والنباتات والجرعة وحجم الجسيمات والظروف البيئية تحدد النتائج النهائية بشكل كبير.
10. فوائد الفحم والفحم الحيوي
ويمكن تلخيص الاختلافات في الوظيفة بين الاثنين على النحو التالي:
<الجدول> <الجسم> <تر>11. هل يمكن تحويل الفحم إلى الفحم الحيوي؟
لا يكفي مجرد تغيير الاسم.
الفحم الذي تم تصنيعه في الأصل كوقود لا يتحول تلقائيًا إلى فحم حيوي عند إضافته إلى التربة.
لكي يتم استخدامه كفحم حيوي، عليك أن تعرف:
- المواد الخام المستخدمة؛
- عملية الإنتاج؛
- درجة حرارة الانحلال الحراري ووقته؛
- محتوى الكربون؛
- استقرار الكربون؛
- محتوى الرماد؛
- الرقم الهيدروجيني؛
- الملوثات المحتملة؛
- الخصائص الجسدية؛
- الغرض وجرعة التطبيق.
وهذا أمر مهم لأن الفحم الحيوي هو مادة تستخدم مباشرة في أنظمة التربة والبيئة.
12. الفرق الأساسي: مصير الكربون
إذا كنت تريد أن تفهم الفرق بين الفحم النباتي والفحم الحيوي بطريقة بسيطة، فيمكننا أن ننظر إلى مصير الكربون.
الفحم
الكتلة الحيوية → الفحم ورار. محترق → الطاقة + ثاني أكسيد الكربون
يستخدم الكربون بشكل أساسي كمصدر للطاقة.
الفحم الحيوي
الكتلة الحيوية → الانحلال الحراري ورار. الفحم الحيوي → أرض &رار; الكربون مستقر نسبيًا
يتم الاحتفاظ بالكربون في شكل أكثر استقرارًا ويتم استخدامه كجزء من التربة والأنظمة البيئية.
وبالتالي فإن الفرق بين الاثنين ليس لأن الفحم لا يحتوي على الكربون بينما الفحم الحيوي يحتوي على الكربون.
كلاهما متساويان في نسبة الكربون.
الفرق هو كيفية معالجة الكربون والغرض من استخدام الكربون.
13. الخلاصة
يأتي الفحم والفحم الحيوي من عائلة من المواد الغنية بالكربون، ولكن لها توجهات استخدام مختلفة.
يستخدم الفحم بشكل أساسي الكربون كمصدر للطاقة
يستخدم الفحم الحيوي الكربون كمادة مستقرة نسبيًا للتربة والبيئة وتخزين الكربون.
يعد محتوى الكربون عنصرًا مهمًا، ولكن محتوى الكربون وحده لا يكفي لتحديد جودة الفحم الحيوي.
وما يهم أيضًا هو شكل الكربون وثباته.
تعمل عملية الانحلال الحراري على تحويل بعض كربون الكتلة الحيوية إلى بنية أكثر تكثيفًا ومقاومة نسبيًا للتحلل. ولذلك، فإن الفحم الحيوي لديه القدرة على الاحتفاظ ببعض الكربون من الكتلة الحيوية لفترة أطول في التربة.
وهذا ما يجعل الفحم الحيوي يحتل مكانة مهمة في مفاهيم الزراعة المستدامة، وإدارة نفايات الكتلة الحيوية، وصحة التربة، وعزل الكربون.
باستخدام هذا النهج، لا يتم حرق الكتلة الحيوية التي كانت تعتبر في السابق نفايات وتنتج عنها انبعاثات فحسب، بل يمكن تحويلها إلى مادة كربونية لها وظائف جديدة:
نفايات الكتلة الحيوية → الانحلال الحراري ورار. الفحم الحيوي → الكربون المستقر ورار؛ أرض &رار; النظام البيئي الزراعي
وفي النهاية يمكن تلخيص الفرق بين الفحم النباتي والفحم الحيوي في جملة واحدة:
<اقتباس>يتم تصنيع الفحم بشكل أساسي لحرق الكربون كطاقة، بينما يتم تصنيع الفحم الحيوي للاحتفاظ ببعض الكربون في شكل أكثر استقرارًا واستخدامه في التربة والبيئة.
الأدب
- تومكزيك، أ.، سوكولوفسكا، ز.، & بوجوتا، ب. (2020). الخصائص الفيزيائية والكيميائية للفحم الحيوي: درجة حرارة الانحلال الحراري وتأثيرات نوع المادة الخام. مراجعات في العلوم البيئية والبيولوجية/التكنولوجيا، 19، 191-215.
- لينج، إل.، & هوانغ، هـ. (2019). نظرة عامة على تأثير معلمات عملية الانحلال الحراري على استقرار الفحم الحيوي. تقنية المصادر الحيوية، 270، 627-642.
- إيبوليتو، ج. أ.، كوي، إل.، كامان، سي.، وآخرون. (2020). اختيار المواد الخام، ودرجة حرارة الانحلال الحراري ونوع التأثير على خصائص الفحم الحيوي: مراجعة شاملة لتحليل البيانات الوصفية. الفحم الحيوي، 2، 421-438.
