대나무 바이오 숯이 저소성 점토 및 미사질 모래의 강도 및 보수 특성에 미치는 영향

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 6201(2023) 이 기사 인용

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Biochar는 바이오매스의 열화학적 분해를 통해 추출된 탄소가 풍부한 안정적인 제품입니다. 바이오 숯의 특성은 공급원료의 유형, 가열 속도, 열분해 온도 등에 따라 다릅니다. 결과적으로, 바이오 숯으로 수정된 토양(BAS)의 기계적 및 수문학적 특성도 바이오 숯 및 토양의 유형에 따라 다릅니다. 그러나 토양 강도 및 보수 특성에 대한 대나무 바이오 숯(BB) 개량의 효과는 이전 문헌에서 누락되었습니다. 대나무 바이오매스는 600°C에서 열분해되어 바이오 숯을 생산했습니다. BB와 토양(낮은 소성 점토(CL) 및 미사(SM))를 혼합하여 BAS를 제조했습니다. 샘플은 BB를 건조 토양 중량의 0%, 1%, 2%, 3.5% 및 5%의 5가지 비율로 혼합하여 준비되었습니다. 바이오 숯을 적용하면 최적의 수분 함량, 알칼리도(pH) 및 Atterberg 한계가 증가한 반면 두 토양(CL 및 SM)의 최대 건조 밀도 및 비중은 감소했습니다. CL 토양의 압축강도(UCS)는 바이오 숯 함량이 2%일 때 10.5% 증가한 후 감소하는 것으로 나타났으나, SM 토양의 UCS는 바이오 숯 함량이 증가함에 따라 지속적으로 감소하는 것으로 나타났다. 따라서 UCS(Unconfined Compressive Strength) 결과는 바이오 숯 적용이 두 토양 모두에 반대 효과가 있음을 보여주었습니다. BAS의 측정된 중량 수분 함량(GWC)은 두 토양 모두에서 바이오 숯의 증가에 따라 증가했습니다. 그러나 GWC는 동일한 biochar 함량에서 SM 토양보다 CL에서 더 많이 증가했습니다. 미세 구조 분석에서는 바이오 숯 개량제가 토양 매트릭스의 공극 공간을 채워 UCS 및 GWC 값이 증가하는 것으로 나타났습니다. 바이오 숯으로 개량된 CL 토양의 증가된 수분 보유 능력 및 강도(UCS)는 매립지 덮개 재료로 사용될 수 있다는 증거를 제공합니다.

Biochar(BC)는 밀폐된 챔버에서 사용 가능한 산소가 거의 또는 전혀 없는 상태에서 고온을 통해 바이오매스의 열분해 또는 가스화에서 파생된 탄소가 풍부한 안정적인 제품입니다1,2. 바이오 숯 생산을 위한 주요 원료(공급 원료)는 농업 잔여물, 동물 거름, 도시 고형 폐기물, 임업 및 목재 가공 폐기물3입니다. 일반적으로 열분해는 200~700°C 온도 범위의 혐기성 환경에서 유기물을 열화학적으로 분해하여 합성가스, 바이오오일 및 바이오숯을 생성하는 것입니다4. 일반적으로 합성가스와 바이오오일은 에너지 생성에 사용됩니다2,5. 반면, 더 높은 비표면적, 양이온 교환 용량, 탄소 함량, pH, 수분 보유 용량 및 낮은 밀도 등을 포함하는 바이오 숯의 유리한 특성으로 인해 중금속 오염 제거, 탄소 격리, 농업에 광범위하게 사용됩니다. 및 엔지니어링 분야6,7. 따라서 바이오 숯은 농업, 녹색 지붕, 생명 공학 경사면, 제방, 매립지 등에 잠재적으로 적용되어 왔습니다. 최근 연구자들은 매립지 및 식생 경사지 안정성에서 실현 가능한 덮개 재료로서 바이오 숯의 잠재적 응용을 조사했습니다8,9,10,11,12 ,13,14,15,16.

과거에는 바이오 숯 수정 토양(BAS)의 지질 공학적(기계적 및 수문학적) 특성을 조사하기 위해 다양한 유형의 공급 원료로 생산된 바이오 숯에 대해 다양한 연구가 수행되었으며 대부분의 연구에서는 바이오 숯 특성이 공급 원료 유형, 열분해에 따라 다르다는 결론을 내렸습니다. 열분해 챔버의 온도, 가열 속도 및 대기 조건8,17,18,19,20,21,22,23. 더욱이 BAS 특성이 biochar24의 연령에 따라 변한다는 연구는 거의 없습니다. BAS의 기계적 및 수문학적 특성은 바이오 숯 입자의 크기에 따라 달라집니다.

일반적으로 BAS의 건조 밀도 감소는 연구자에 의해 보고되었습니다. BAS의 무제한 압축 강도(UCS)와 전단 강도는 결과와 상충되는 반면, 공급 원료와 토양 유형에 따라 변화가 나타났습니다. 점토질 토양에 대한 연구에 따르면 UCS 값은 바이오 숯 함량의 특정 비율까지 증가했으며 그 이후에는 감소했습니다28,29. Bora et al.22은 증가된 바이오 숯 함량으로 인해 미사질사의 UCS 값이 변경되지 않거나 감소했다고 보고했습니다. Ahmed 등30은 바이오 숯 첨가로 인한 미사질양토 토양의 전단 강도 감소를 관찰했습니다. Sadasivam과 Reddy15, Xu et al.31은 미사질 점토와 순수 점토 토양에 바이오 숯을 적용한 결과 전단 강도 매개변수가 증가했다고 보고했습니다. 기계적 특성 외에도 바이오 숯의 적용은 토양의 보수력에도 영향을 미칩니다. 바이오 숯을 적용하면 토양의 수분 보유 능력(WRC)이 향상되는 것으로 보고되었습니다21,32,33,34,35,36. 그러나 일부 연구자들은 바이오 숯 적용이 BAS37,38,39,40의 WRC와 유사하지 않아 공급원료를 늘리거나 바꾸는 데 효과적이지 않다는 모순된 결과를 보고했습니다.

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>