SIP an Biokohlen - Neue Ergebnisse und neue Einsichten in das elektrochemische Modell von Wong (Geophysics 1979, 44(7), 1245-1265)

Biokohlen unterscheiden sich je nach Ausgangsmaterial und Herstellungsverfahren mitunter beträchtlich. Bei den Herstellungsverfahren kann man im Wesentlichen drei Typen unterscheiden. Die Pyrolyse, d.h. die Erhitzung auf 300-800 °C unter Sauerstoffausschluss, die Vergasung, d.h. die Erhitzung unter Zusatz eines Oxidationsmittels im Unterschuss vorwiegend bei noch höheren Temperaturen und die hydrothermale Karbonisierung. Letztere findet im Gegensatz zu den ersten beiden im Kontakt des zu karbonisierenden Materials mit einer Wasserphase unter Druck bei Temperaturen von 150-300 °C statt. Die Produkte der hydrothermalen Karbonisierung unterscheiden sich deshalb beträchtlich von denen der beiden anderen Verfahrenstypen. Die hydrothermale Karbonisierung ist besonders vorteilhaft, wenn das Ausgangsmaterial eine hohe Feuchte hat und bei den anderen beiden Verfahren viel Energie verbraucht wird, um die Feuchte aus dem Material auszutreiben. In diesem Beitrag werden die Ergebnisse aus der Bestimmung oberflächenfunktioneller Gruppen durch Boehm-Titration und elektrischer Messungen mit spektraler induzierter Polarisation (SIP) für eine pyrolytische Kohle aus Kiefernholz und einer Kohle aus der hydrothermalen Karbonisierung von Miscanthus giganteus (Elefantengras) verglichen. Die Kohle aus der hydrothermalen Karbonisierung enthält deutlich mehr funktionelle Gruppen, zeigt aber nur eine relativ geringe elektrische Polarisation in wassergesättigten Mischungen mit Sand. Die pyrolytische Kohle, die mit einer langen Kontaktzeit bei 400 °C hergestellt worden war, zeigt dagegen eine sehr hohe Polarisation und im Gegensatz zu der anderen Kohle keine Abhängigkeit des Phasenwinkels vom Elektrolytgehalt des Wassers. Daraus kann geschlossen werden, dass der Polarisationsmechanismus für beide Kohlen unterschiedlich ist. Während bei der Kohle aus der hydrothermalen Karbonisierung im Wesentlichen eine Polarisation durch Verschiebung der Ionen in der elektrischen Doppelschicht stattfindet, erfolgt bei der pyrolytischen Kohle eine Polarisation der Elektronenverteilung in den elektronisch leitenden Kohlepartikeln. Die SIP-Spektren solcher Materialien lassen sich mit der Theorie von Wong beschreiben, welche die Leckströme durch Redox-Reaktionen über die Partikel-Elektrolyt-Grenzfläche mitberücksichtigt. Die Messwerte für die Kohle aus Kiefernholz lassen sich bei Verwendung sinnvoller Parameter mit dieser Theorie recht gut beschreiben, wenn man in Betracht zieht, dass einige der Voraussetzungen der Theorie nicht erfüllt sind. Elektronenmikroskopische Aufnahmen zeigen, dass die pyrolytische Kohle eine hohe Porosität besitzt, weswegen die Kontaktfläche mit dem Elektrolyt verglichen mit der Kontaktfläche starrer Kugeln, wie sie die Theorie voraussetzt, wesentlich größer wird. Deshalb muss ein wesentlich höherer Volumenanteil an Kohle in das theoretische Modell eingesetzt werden, um die gemessene Peakhöhe des Phasenwinkels zu erhalten. Eine Weiterentwicklung der Theorie von Wong wäre deshalb anzustreben

Spectral induced polarization of sand-biochar mixtures: Experiments, analysis and modeling

Two series of mixtures of a biochar with sand were investigated with spectral induced polarization (SIP) yielding the frequency dependence of the complex electrical conductivity in the range from 1 mHz to 45 kHz. The spectra of the real and the imaginary part of the complex electrical conductivity were determined for different mass fractions and particle sizes. Whereas the magnitude of the peak of the imaginary part was mainly determined by the mass fraction, the frequency of the maximum was primarily influenced by the particle size. Curves were fitted to a complex electrochemical model with reasonable accordance. The results show that biochar in sand has significant polarization and an obviously characteristic SIP response. The particle size and the fraction of biochar have an influence on the characteristics of the SIP signal. SIP might be an effective method to detect and characterize biochars in soil. The relationship between the properties of biochar and the SIP response, and the modeling methods need to be further explored

Modelluntersuchungen mit Spektraler Induzierter Polarisation an Mischungen von Sand und Aktivkohlen

Die Anwendung von Biokohlen als Mittel zur Bodenverbesserung und zurlangfristigen Fixierung von Kohlenstoff im Boden ist seit einigen Jahren Gegenstandintensiver Forschung [1]. Die Spektrale Induzierte Polarisation und das daraufbasierende bildgebende Verfahren der Elektrischen Impedanztomographie könntenals skalenübergreifende Methoden dazu beitragen, Biokohlen zu charakterisierenund zu lokalisieren sowie ihren Einfluss auf Prozesse im Boden zu untersuchen [2].In diesem Beitrag werden systematische Messungen an Mischungen von Sand mitmehreren Aktivkohlen sowie vier Größenfraktionen einer kommerziellen Holzkohlevorgestellt. Während für die unterschiedlich großen Partikel aus dem gleichenAusgangsmaterial eine Korrelation zwischen dem Partikeldurchmesser und der Lagedes Maximums des Imaginärteils der Leitfähigkeit σ" gefunden wurde, ist eineSystematik für die Partikelgrößen verschiedener Aktivkohlen nur eingeschränkt zuerkennen. Offensichtlich beeinflussen auch andere Eigenschaften der Kohle die Lageder maximalen Polarisation, die für die untersuchten Materialien im Frequenzbereichvon 0,1 mHz bis 10 kHz liegt. Für eine der Aktivkohlen wurde auch dieMengenabhängigkeit bestimmt. Die Höhe des Maximums von σ" ist im Wesentlichenproportional zum Massenanteil der Kohle, allerdings treten an den Rändern derPeaks zusätzliche Effekte auf, die zu starken Abweichungen von der Proportionalitätführen. Gleichzeitig kommt es auch zu einer Frequenzverschiebung des Maximumsvon σ" um mehr als eine Größenordnung für Kohlegehalte zwischen 1 und 8Gewichts-%.Literatur[1] Gang Xu, Yingchun Lv, Junna Sun, Hongbo Shao, Linlin Wei. Recent Advancesin Biochar Applications in Agricultural Soils: Benefits and EnvironmentalImplications. Clean - Soil, Air, Water 2012, 40(10), 1093-1098, DOI:10.1002/clen.201100738[2] Franz-Hubert Haegel, Egon Zimmermann, Nicolai D. Jablonowski, Odilia Esser,Johan A. Huisman, Harry Vereecken. Application of Spectral Induced Polarizationand Electrical Impedance Tomography on mixtures of Biochars and ActiveCarbons with Sand. Proc. Symp. Appl. Geophys. Eng. Environ. Probl. 2012, vol. 25,198, DOI: 10.4133/1.472188

Induced Polarization of Carbon Materials

Carbon materials exhibit more or less electronic conductivity and as a consequence strong polarization effects when they are mixed with other less conductive materials, e.g. in supercapacitors or as biochar in soil. Results on the influence of chemical composition, particle size and other physical and chemical properties of such mixtures on induced polarization will be presented

Spektrale induzierte Polarisation und elektrische Impedanz-Tomographie an aktivkohlegträgerten Eisen(0)-Nanopartikeln

Eisen(0)-Nanopartikel fördern bekanntlich die chemische und biologische reduktive Dechlorierung chlorierter Kohlenwasserstoffe, die zu den abbauresistentesten Schadstoffen im Grundwasser gehören. Das direkte Injizieren von Eisen(0)-Nanopartikel in einen Aquifer wird allerdings durch ihre geringe Mobilität im Boden stark eingeschränkt. Unlängst wurde ein Kompositmaterial aus Eisen(0)-Nanopartikel und Aktivkohle (Carbo-Iron) mit höherer Mobilität vorgestellt, für das die Quantifizierung und Optimierung des Transportverhaltens im Boden gerade untersucht wird. Da feinverteilte elektronisch leitende Materialien in Kontakt mit einem Elektrolyten bekanntlich eine große Aufladbarkeit besitzen, scheinen die spektrale induzierte Polarisation (SIP) und die elektrische Impedanz-Tomographie (EIT) als vielversprechende nicht-invasive Messtechniken für die Erkennung und Beobachtung von Carbo-Iron im Untergrund geeignet zu sein. In diesem Beitrag wird gezeigt, dass die Anwesenheit von Carbo-Iron auf Grund von elektrolytisch leitfähigen Nebenbestandteilen zu einem beträchtlichen Anstieg des Realteils der komplexen elektrischen Leitfähigkeit in einem wassergesättigten Sand über den gesamten Frequenzbereich von 1 mHz bis 45 kHz führte. Bedeutender ist aber die Tatsache, dass der Imaginärteil der komplexen Leitfähigkeit oberhalb von 10 Hz wegen der Polarisation der Carbo-Iron-Partikel stark ansteigt. Es konnte mit hinreichender Genauigkeit eine lineare Beziehung zwischen der komplexen elektrischen Leitfähigkeit bei 1 kHz und der Carbo-Iron-Konzentration aufgestellt werden. Es wurden zwei 2D-Infiltrationsexperimente mit unterschiedlichen Mengen an Carbo-Iron durchgeführt, und die räumliche Verteilung des Carbo-Iron wurde mit EIT bestimmt unter Benutzung der aufgestellten Kalibrierungsbeziehung bei 1 kHz. Während die Ausdehnung des Infiltrationsbereichs von Carbo-Iron gut erfasst werden konnte, konnten allerdings auf Grund von Einschränkungen bei der Genauigkeit der Bildgebung nur etwa 70 % der infiltrierten Menge wiedergefunden werden

On the specific polarizability of sands and sand-clay mixtures

The concept of specific polarizability cp, being the ratio between imaginary conductivity and specific surface area, can be used to represent the polarization of the mineral-fluid interface per unit pore-volume-normalized surface area Spor and to account for the control of the fluid chemistry and/or mineralogy on induced polarization (IP) measurements. We used a database of IP measurements on sands and sand-clay mixtures to investigate the variation in cp as a function of clay content and/or mineralogy. We found an apparent variation in cp between sands and sand-clay mixtures when Spor was calculated using the nitrogen adsorption (Brunauer-Emmett-Teller — BET) method, with clays having an apparently higher cp than sands. However, this variation was considerably reduced when Spor was calculated using a wet-state methylene blue (MB) method that also sensed the surface area associated with internal layers of clay minerals inaccessible with the dry-state BET method. Furthermore, the imaginary conductivity was significantly better correlated with Spor determined from the MB method relative to Spor determined from the BET method. We found no evidence for a strong difference in the specific polarizability of quartz and clay minerals. This finding contradicted predictions from recent mechanistic formulations of the IP response of the Stern layer. Our findings have significant implications for improving and simplifying the interpretation of IP measurements in near-surface materials