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

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

Characterization, monitoring and imaging of biochar by geoelectrical measurements

Although biochar has been intensively investigated in recent years, thereis still a lack of knowledge due to the variability of soil and biochar properties, and the wide variety of experimentalconditions used in these investigations. The properties of biochar strongly vary depending on the feed materialand the production process. Therefore, it is of great interest to have methods which allow the characterization andlong-term in-situ monitoring of biochar properties at different scales ranging from small laboratory columns to fieldsites. In this study, measurements on the complex electrical conductivity have been performed by spectral inducedpolarization (SIP). The method has been found to be a valuable tool for distinguishing different types of biocharand for monitoring the release of ions from biochar. SIP uses sinusoidal alternative current in the frequency rangebetween 1 mHz and 45 kHz and provides information on the ohmic conductivity and on the electrical polarizationof soil materials with added biochars. Whereas the release of ions leads to an increase of the ohmic conductivity,information on the chemical structure of biochars can be obtained from the polarization. Five types of biochar havebeen investigated in this study. The magnitude and the frequency dependence of the polarization can be used todistinguish the different types of biochar. Biochars with a larger degree of carbonization showed higher electronicconductivity and yielded higher polarization. The frequency dependence of the polarization further depended onthe amount and the size of the biochar particles. The measurements also confirmed that the release of ions frombiochar can be monitored using the ohmic conductivity. Whereas SIP is suitable for the characterization of biocharin the laboratory, electrical impedance tomography (EIT) can be used to obtain the spatial distribution of the complexelectrical conductivity in laboratory columns and in the field. This method is an imaging technique based onthe determination of SIP signals with a larger set of electrode positions. It opens up promising research avenuesfor in-situ monitoring of biochar in field soils

Vergleich datenbasierter und instrumenteller Ansätze zum Source-Partitioning von Kohlenstoffdioxidflüssen in einem Winterweizenbestand

Wie reagiert die Biosphäre auf den Globalen Wandel und die lokale Landbewirtschaftung, und wie wirkt sie sich wiederum auf den Klimawandel aus? Die Landoberfläche kann zum jetzigen Zeitpunkt ca. 33 % (±17 %) des Kohlenstoffdioxids (CO2) aus der Verbrennung fossiler Brennstoffe aufnehmen. Dem gegenüber steht allerdings eine zusätzliche CO2-Abgabe von 14 % (±10 %) aus Landnutzungsänderungen (IPCC 2013). Photosynthetische CO2-Aufnahme und respiratorische CO2-Abgabe werden unterschiedlich von Umweltfaktoren wie Temperatur, CO2-Konzentration, und Wasserverfügbarkeit beeinflusst. Diese Faktoren sind wiederum dem globalen Wandel unterworfen. Um diese Wechselwirkungen analysieren zu können, müssen Nettoflüsse von Treibhausgasen, wie sie beispielsweise mit der Eddy-Kovarianz-Methode gemessen werden können, in ihre Einzelbeiträge zerlegt werden. Derartige Versuche, den CO2-Fluss in Photosynthese und Respiration oder den latenten Wärmefluss in Evaporation und Transpiration aufzuschlüsseln, werden unter dem Begriff “Source Partitioning” zusammengefasst.Das BMBF-geförderte Forschungsprojekt IDAS-GHG (Instrumental and Data-driven Approaches to Source-Partitioning of Greenhouse Gas Fluxes: Comparison, Combination, Advancement) hat die Zielsetzung, existierende Ansätze zum Source-Partitioning von Treibhausgasflüssen systematisch miteinander zu vergleichen und zu verbessern. Diese lassen sich in zwei Gruppen gliedern: Datenbasierte Ansätze nutzen bestehende (Roh)daten aus der Eddy-Kovarianz-Messung. Instrumentelle Ansätze hingegen beinhalten die Durchführung zusätzlicher Messungen, wie z. B. Kammer- und Profilmessungen, oder die Verwendung von Tracern (z. B. stabile Isotope), die Auskunft über die Herkunft der Gasmoleküle geben können.In unserer Präsentation werden einige dieser Methoden am Beispiel des Messstandorts Selhausen beschrieben. Der Standort befindet sich im TERENO-Observatorium Eifel/Niederrheinische Bucht in der intensiv landwirtschaftlich genutzten niederrheinischen Bördelandschaft. Der Untersuchungszeitraum erstreckt sich über die Vegetationsperiode eines Winterweizenfeldes von der Aussaat im Oktober 2014 über die Ernte hinaus bis Ende September 2015. Im Messfeld installiert ist eine dauerhafte Eddy-Kovarianz-Station und ein automatisches Bodenrespirations-Kammersystem mit bis zu vier Langzeitkammern. Zusätzlich wurden stichprobenartig Profilmessungen der CO2- und H2O-Konzentrationen mit einem eigens gebauten Liftsystem durchgeführt.Mithilfe der gemessenen Eddy-Kovarianz-Daten zeigen wir einen Vergleich bestehender Ansätze zum Source-Partitioning des Netto-Ökosystem-Austauschs in Bruttoprimärproduktion (Photosynthese) und Ökosystematmung (Respiration). Unter Verwendung von Kammermessungen wird dieser um die Terme Nettoprimärproduktion und Bodenrespiration erweitert.Das Profilsystem misst Änderungen der Konzentration von CO2 und H2O mit einer hohen vertikalen und zeitlichen Auflösung zwischen Bodenoberfläche, Pflanzenbestand und Atmosphäre. Die Profile im Halbstundenmittel bilden den Effekt der photosynthetischen Kohlenstoff-Assimilation und Bodenatmung deutlich ab und geben somit qualitative Informationen über Quell- und Senkbereiche. Im nächsten Schritt wird versucht, diese zu quantifizieren und mit den bereits beschriebenen Ansätzen zu vergleichen

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