Farklı piroliz sıcaklıklarında üretilen biyokömürlerin NH4+ ve NO3- adsorpsiyon ve desorpsiyon kapasitesinin belirlenmesi ve azot yıkanmasına etkisinin araştırılması
Determination of NH4+ and NO3- adsorption and desorption capacity of biochars produced at different pyrolysis temperatures and investigation of its effect on nitrogen leaching
Yazar: CABİR ÇAĞRI GENCE
Danışman: DOÇ. DR. HALİL ERDEM
Tokat Gaziosmanpaşa Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Toprak Bilimi ve Bitki Besleme Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Ziraat = Agriculture

Özet:
Bu çalışmada, mısır koçanı (MK) ve çeltik kavuzu (ÇK) biyokütlelerinden farklı piroliz sıcaklıklarında (300℃, 400℃ ve 500℃) elde edilen biyokömürlerin NH4+ ve NO3- adsorpsiyon ve desorpsiyon kapasiteleri ile toprakta NH4+ ve NO3- yıkanmasına olan etkileri araştırılmıştır. Piroliz sıcaklığı artışı ile birlikte biyokömürlerin karbon içeriğinin arttığı (%62.72'ye kadar), azot içeriğinin ise azaldığı (%0.29'a kadar) görülmüştür. Biyokömürlerin spesifik yüzey alanı ve gözeneklilik yapısı piroliz sıcaklığı ile birlikte artmış, bunun sonucunda da materyallerin su tutma kapasiteleri ile birlikte NH4+ ve NO3- adsorpsiyon kapasitelerini arttırmıştır. Mısır koçanından elde edilen MK300 biyokömürü NH4+'u (MK300; %88.67), çeltik kavuzundan elde edilen ÇK500 biyokömürü ise NO3- adsorpsiyonunda (ÇK500; %86.42) en yüksek performans gösteren materyaller olmuştur. Biyokömürlerin NH4+ ve NO3-'ın hem toprakta hem de yıkama sularındaki konsantrasyonlarını belirlemek amacıyla kolon denemeleri gerçekleştirilmiştir. Farklı piroliz sıcaklıklarında üretilmiş biyokömürlerin %1 (w/w) ve %2 (w/w) oranlarında toprağa uygulanmasıyla NH4+ ve NO3-'ın toprakta etkili bir şekilde tutulduğu ve bunun sonucunda da NH4+ ve NO3'ın kolondan yıkanmasını azalttığı tespit edilmiştir. Kontrol kolonlarından yıkanan toplam NH4+ konsantrasyonu 53.27 mg kg-1 iken, mısır koçanı biyokömürünün %2 ve %1 dozunun 300℃ sıcaklık uygulamaları ile kolondan yıkanan toplam NO4+ konsantrasyonlarında sırasıyla %98.76 ve %88.49 düzeyinde azalma sağlamıştır. Benzer şekilde biyokömür uygulamaları ile (özellikle de %2 dozu) kolondan yıkanan NO3- konsantrasyonlarında önemli azalmaya neden olmuştur. Kontrol kolonlarından yıkanan toplam NO3- konsantrasyonu 149.23 mg kg-1 iken, ÇK300, ÇK 400 ve ÇK500 biyokömürlerinin %2 dozunda toplam yıkanan NO3- konsantrasyonlarında sırası ile %51, %55 ve %51 düzeylerinde azalma meydana gelmiştir. Piroliz sıcaklıkları bakımından ise 500℃'de üretilen biyokömürlerin 300 ve 400℃'de üretilen biyokömürlerin NH4+ ve NO3-'ın yıkanmasına karşı daha etkili olduğu görülmüştür. Sonuç olarak, farklı piroliz sıcaklıklarında üretilen biyokömürlerin, tarım topraklarını iyileştirme ve besin elementi yıkanmasını azaltıcı etkiye sahip olduğu belirlenmiş olup, sürdürülebilir tarım ve çevresel faydalar sağlama açısından değerlendirilebilecek önemli bir materyal olduğu ortaya çıkmıştır.

Abstract:
In this study, the adsorption and desorption capacities of NH4+ and NO3-, as well as their effects on NH4+ and NO3- leaching in soil, were investigated for biochars derived from corn cob (CC) and rice husk (RH) biomass produced at different pyrolysis temperatures (300℃, 400℃, and 500℃). It was observed that with increasing pyrolysis temperatures, the carbon content of the biochars increased (up to 62.72%) while the nitrogen content decreased (down to 0.29%). The specific surface area and porosity of the biochars also increased with higher pyrolysis temperatures, which, in turn, improved the water retention capacities of the materials as well as their NH4+ and NO3- adsorption capacities. Among the biochars tested, CC biochar produced at 300℃ (CC300) exhibited the highest NH4+ adsorption capacity (88.67%), whereas RH biochar produced at 500℃ (RH500) showed the highest NO3- adsorption capacity (86.42%). Column experiments were conducted to determine the concentrations of NH4+ and NO3- in both soil and leachates. It was found that the application of biochars produced at different pyrolysis temperatures at 1% and 2% rates significantly enhanced NH4+ and NO3- retention in the soil, resulting in reduced leaching of these nutrients from the columns. The total NH4+ concentration leached from the control columns was 53.27 mg kg-1, whereas the application of CC biochar at 2% and 1% doses, produced at 300℃, reduced the total leached NH4+ concentrations by 98.76% and 88.49%, respectively. Similarly, biochar applications (especially at the 2% dose) caused significant reductions in the NO3- concentrations leached from the columns. While the total NO3- concentration leached from the control columns was 149.23 mg kg-1, the application of RH biochar at 2% doses reduced the total NO3- concentrations leached by 51%, 55%, and 51% for biochars produced at 300℃, 400℃, and 500℃, respectively. Among the pyrolysis temperatures, biochars produced at 500℃ were found to be more effective in preventing NH4+ and NO3- leaching compared to those produced at 300℃ and 400℃. In conclusion, biochars produced at different pyrolysis temperatures were found to have beneficial effects on improving agricultural soil and reducing nutrient leaching, making them a valuable material for promoting sustainable agriculture and providing environmental benefits.