Caracterização química e mineralógica de carvões vegetais coletados em diferentes ambientes

Abstract

Nas últimas décadas, as atividades antrópicas têm provocado uma série de alterações na paisagem terrestre e, mais recentemente, na atmosfera. O aumento da emissão de gases de efeito estufa (GEE s) e o possível aquecimento global do planeta vêm motivando diversos estudos de mitigação, principalmente o que refere à emissão dióxido de carbono. Dentre as formas de carbono aportadas em solos e sedimentos, foco de atenção vem sendo direcionado ao carbono pirogênico, principalmente pelo seu longo tempo de permanência no ambiente que contribui de forma efetiva de reserva estável de C, além de apresentar a potencialidade para melhorar a qualidade e a fertilidade dos solos. A reatividade química e a resistência física do biocarvão são essenciais para que este cumpra sua função outorgada (sequestro de C) e exerça benefícios também ao sistema solo-planta. Para contribuir ao avanço do conhecimento sobre o carvão vegetal aplicado ao solo foi realizada uma caracterização química e mineralógica de carvões vegetais coletados em diferentes ambientes e também avaliar a cinética de reação do Ca2+ e do fosfato desses carvões coletados. As amostras foram moídas em moinho de mesa e passadas em peneiras de 0,100; 0,149 e 0,25 mm de abertura de malha e foram avaliados: teores dos elementos químicos por calcinação (550 ºC) e extraíveis com HNO3 1 mol L-1; teor de C total e 13C/12C ( ) foram dosados em espectrômetro de massa de razão isotópica de fluxo contínuo; COT por Walkley e Black; Ca2+ e pH H2O e KCl conforme Embrapa, 1997; O P-rem foi determinado conforme Alvarez V. et al.(2001); PCZ por titulação potenciométrica; difratometria de raios X; espectroscopia de absorção molecular na região do infravermelho com transformada de Fourier e microscopia de eletrônica de varredura dos carvões. As amostras que estavam em contato diretamente com o solo (amostras 1, 2, 4 e 8) apresentaram valores mais altos de COT pelo método Walkey-Black, o que sugere que os componentes dos solos favorecem a oxidação desse carbono. Os valores de COT dos solos estudados que continham carvão foram muito baixos, o que demonstram a capacidade de retenção de C pelo carvão vegetal ou carbono pirogênico nesses solos. A amostra 12, que foi produzida em condições controladas em temperatura de 470°C apresentou 75,7 dag kg-1 de carbono total e 6,15 dag kg-1 de C orgânico total. O teor médio de C nos carvões em contato com o solo foi de 58 dag kg-1 e dos carvões sem contato com o solo foi de 71,19 dag kg-1. Nas amostras 4, 6, 8, 9 e 10, a razão isotópica do 13C/12C está relacionada às plantas com via fotossintética C3. Os teores de nutrientes foram baixos em todas as amostras. Em relação aos micronutrientes nas amostras de carvões coletados em contato com o solo, o mais abundante foi do Fe com teores entre 4,23 a 808,24 mg kg-1. Os valores de pH em H2O nas amostras de carvões em contato com o solo variaram de 4,42 a 7,24 com média de 6,8. O pH em KCl variou na faixa de 2,91 a 6,88, com média de 4,68. Em todas as amostras, o valor de ∆pH é negativo, caracterizando maior eletronegatividade no balanço de cargas nos carvões coletados. Identificou-se em todas as amostras em contato com o solo a presença de caulinita; quartzo; grafite e nas amostras 1 e 3 a gibbsita. Nos carvões produzidos a partir de madeira de eucalipto e sem contato com o solo, os difratogramas foram essencialmente amorfos, com apenas alguns picos de grafite. Os principais grupos nas amostras de carvões vegetais coletadas foram: O-H; C=O; C=C; C-O. A MEV realizada nesse estudo nas amostras 1, 2 e 12 é possível identificar a morfologia de estrutura do xilema de madeira, menos alterada na amostra 12, que teve condições controladas (470 ºC) de carbonização e nas amostras 1 e 2, as estruturas ficaram menos evidentes e percebe-se que houve influência dos componentes e organismos dos solos nestes carvões. A reação do Ca2+ na superfície do carvão ocorreu de forma rápida, em poucos minutos. Isto é de suma importância para manutenção de nutrientes no sistema solo e reduz as perdas por lixiviação Dessa forma, conclui-se que há uma interação entre o carvão e o solo, o que influencia nas características químicas e mineralógicas do carvão vegetal.

In recent decades, human activities have caused a series of changes in the terrestrial landscape and, more recently, in the atmosphere. The increased greenhouse gases emissions (GHGs) and the possible global warming have motivated several studies of mitigation, which refers mainly to carbon dioxide emission. Among the forms of carbon storage in soils and sediments, more attention has been directed to pyrogenic carbon, by its long residence time in the environment, contributing effectively as a stable C reserve, besides having potential to improve soil quality and fertility. The chemical reactivity and physical resistance of charcoal are essentials for it to fulfill its function granted (C sequestration) and also to benefit the soil-plant system. To contribute to advance of knowledge about charcoal application to soils, charcoals collected in different environments were mineralogical and chemicaly analyzed. The kinetics of Ca2+ and phosphate reactions with the charcoals were also measmed. The samples were milled and passed through sieves of 0.100, 0.149 and 0.250 mm size. Concentration of the chemical elements by CHARCOAL calcination (550°C) and extracted by HNO3 1 mol L-1; total C and 13C/12C ( ); TOC by Walkley and Black method; pH H2O and pH KCl 1 mol L-1; exchangeable Ca2+ by KCl 1 mol L-1; remaining phosphorus; PCZ by potentiometric titration. X-ray diffraction; infrared spectroscopy and scanning electron microscopy were performed. The samples which were in direct contact with soil (samples 1, 2, 4 and 8) showed the highest levels of TOC, suggesting that the components of soils favor oxidation of carbon. The TOC values of soils containing charcoal were the lowest, demonstrating the C retention capacity of the charcoal. The sample 12, produced under controlled conditions at a temperature of 470 °C, have 75.7 dag kg-1 of total C and 6.15 dag kg-1 of TOC. The average C content of charcoals in contact with the soil was 58 dag kg-1 and for charcoals without soil contact was 71.19 dag kg-1. In samples 4, 6, 8, 9 and 10, the 13C/12C isotope ratio relates to plants with C3 photosynthetic pathway. The nutrients content were low in all samples. In terms of micronutrients, the charcoal samples in contact with soil had higher Fe content, between 4.23 to 808.24 mg kg-1. The pH values in H2O in the samples of charcoal in contact with the soil ranged from 4.42 to 7.24 with an average of 6.8. The pH KCl varied in the range 2.91 to 6.88, averaging 4.68. In all samples, the ∆pH value is negative, featuring a predominance of negative charges in the charcoals collected. In all samples in contact with the soil was identified the presence of kaolinite, quartz, graphite, and in samples 1 and 3 the gibbsite. In charcoal made from eucalyptus wood, the XRD patterns were essentially amorphous, with few peaks of graphite. The main functional groups in the samples of charcoal collected were: OH, C=O, C=C, C-O. By the SEM performed in this study on samples 1, 2 and 12 is possible to identify the morphology of the structure of the xylem of wood, less altered in the sample 12, which was produced under controlled conditions (470 °C), and in samples 1 and 2, the structures were not too evident, but was possible to observe the influence of soil organisms and soil components in these charcoals. The reaction of Ca2+ on the charcoal occurred rapidly. This is very important to maintain nutrients in the soil and reduces losses by leaching. Thus, we conclude that there is an interaction between charcoal and soil, which influences the chemical and mineralogical characteristics of charcoal.