УДК 37.013

Междисциплинарная проектно-исследовательская работа школьника: активация древесного угля повторными циклами замораживания-размораживания как возможный метод воспроизведения феномена “Terra Preta”

Кларос Монтаньо Роберто Андрес – студент Московского физико-технического института.

Лазарева Влада Дмитриевна – ученица Государственного бюджетного общеобразовательного учреждения города Москвы «Пятьдесят седьмая школа».

Прокопьев Юрий Александрович – учитель биологии Государственного бюджетного общеобразовательного учреждения города Москвы «Пятьдесят седьмая школа»; ассистент преподавателя Департамента молекулярной и биологической физики Московского физико-технического института.

Чернов Тимур Александрович – учитель биологии Государственного бюджетного общеобразовательного учреждения города Москвы «Пятьдесят седьмая школа»; научный сотрудник Лаборатории молекулярно-биологических и нейробиологических проблем и биоскрининга Московского физико-технического института.

Аннотация: Terra Preta – феномен антропогенных почв, характерных для ряда регионов Южной Америки. Коренное население данных территории, исторически прожившее на землях с очень низким естественным уровнем плодородия, изобрело эффективный способ повышения плодородия почвы с помощью добавления в земли сельско-хозяйственных полей активированного угля. Активированный уголь исторически производился с использованием традиционных земляных печей, называемых «Кон-Тики». Однако этот способ имеет очень низкую производительность и высокие человеческие трудозатраты. На данный момент большинство древесного угля производится с использованием специальных углевыжигательных печей, позволяющих производить большие объемы угля. К сожалению, производимый таким способом древесный уголь значительно дешевле, но он не обладает достаточной пористостью для сорбции биогенных элементов. В данной статье предлагается разработанный в процессе проектно-исследовательской работы школьника вариант обработки промышленно получаемого древесного угля, позволяющего его использовать в целях повышения плодородия бедных почв. Нами была показана возможность повышения пористости древесного угля с помощью последовательных циклов замораживания-оттаивания и определено количество циклов, необходимых для производства активированного угля, пригодного для создания Terra Preta.

Ключевые слова: активированный уголь, Кон-Тики, Terra Preta, экология, плодородие почвы, проектно-исследовательская деятельность.

Введение

Часто критикуемым аспектом результатов современного школьного образования является дискретность остаточных знаний выпускников. Подавляющее большинство учеников школ сталкиваются с серьезными затруднениями, при необходимости использования знаний, полученных в рамках одних дисциплин при освоении других курсов. Одним из немногих вариантов решения этой проблемы авторам представляется проработка в рамках проектно-исследовательской деятельности междисциплинарных проектно-исследовательских задач, решение которых невозможно без актуализации знаний и навыков из целого спектра дисциплин. Как один из вариантов решения данной задачи может быть рассмотрен целый спектр различных вариантов исследования и прикладного использования феномена Terra Preta. Разработка озвученной темы невозможна без успешного освоения различных аспектов экологии, биологии микроорганизмов, химических и физических методов исследования.

Terra Preta – феномен искусственных антропогенных земель, встречаемых в бассейне реки Амазонки. Название обусловлено черным цветом грунта, совершенно не характерным для естественных почв этого региона. Название происходит от португальского «terra preta» или «terra preta do indio», что переводится как «черная земля», «черная земля индейцев» [1]. 

Индейцы бассейна Амазонки, проживая на территории, располагающем почвами с очень низким плодородием, эмпирически нашли способ существенного его повышения. На протяжении столетий в пахотные земли вносились органические удобрения и низкотемпературный активированный древесный уголь, за счет которого почва и приобретала черный цвет. К натуральным черноземам Terra Preta не имеет отношения.

Terra Preta содержит до 70 раз больше сажи [1], чем окружающие почвы, она стабильна в химическом и микробном отношении и может сохраняться в окружающей среде в течение длительного времени, даже столетия. В это время происходит окисление и образуются карбоксильные группы по краям ароматической цепи, и из-за этого увеличивается способность переносить питательные вещества. Черный углерод имеет большое значение для развития почв, таких как плодородные и особенно влажные [2]. 

Под активированным углем понимают древесный уголь, имеющий очень высокую пористость, а соответственно обладающий высокими сорбционными способностями. В настоящее время активированный уголь производят с помощью пропускания перегретого водяного пара через раскаленный уголь на последних стадиях бескислородного выжигания древесных субстратов. Разогретый пар «промывает» естественные поры от различных продуктов термического разрушения древесины, что способно на порядки повысить пористость материала. Несмотря на техническую сложность описываемой технологии, в том или ином виде активированный уголь производился человечеством сотни и тысячи лет назад.

По имеющимся на данный момент данным для получения «Черной земли индейцев» активированный уголь исторически производился с использованием традиционных земляных печей, называвшихся «Кон-тики». 

Кон-Тики – коническая печь с открытым верхом для производства биоугля, это название было выбрано в честь Тура Хейердала, который в 40-х годах прошлого века привел жителей Южной Америки к пересечению Тихоокеанской Полинезии на самодельных лодках [3].

«Кон-тики» представляет собой круглую конусообразную яму диаметром в 2 метра и глубиной в 1 метр. На дне ямы зажигался огонь, сверху постоянно прокладывались новые порции древесины. Конструкция печи обуславливает недостаточное поступление воздуха в нижние слои, что является необходимым фактором образования древесного угля. После полного заполнения ямы выжидалось некоторое время для прогорания верхнего слоя. После этого яма быстро засыпалась землей и заливалась водой. Разогретый углями водяной пар в анаэробных условиях повышал пористость изготавливаемого древесного угля.

Подобная технология позволяет получить древесный уголь необходимой пористости, однако обладает очень низкой производительностью и требует высоких человеческих трудозатрат. Современные способ производства древесного угля, используемого в дальнейшем в качестве топлива, подразумевает использование специальных углевыжигающих печей [9], [10]. Данная технология позволяет производить большие объемы угля, однако он не обладает необходимой пористостью, для сорбции биогенных элементов и формирования микробного сообщества – необходимых условий для создания Terra Preta.

Современные установки по производству непосредственно активированного угля также обладают высокими производственными мощностями, однако, из-за сложности технологии, необходимости использования очень высоких температур и задействования аппаратуры высокого давления – получаемый продукт обладает высокой стоимостью.

В поисках более дешевых способов активации угля нами предложен способ осуществления этой цели с учетом последовательных циклов замораживания-оттаивания древесного угля в водной среде, что позволяет значительно повысить его пористость, расширение воды в процессе замораживания может открыть закрывают поры древесного угля, что приводит к желаемому увеличению площади поверхности и сорбционных свойств.

Стоит отметить, что на эффект циклов замораживания-оттаивания могут влиять различные аспекты и факторы, такие как количество циклов, заданная температура образцов угля, влажность и продолжительность холодового шока. Эффект этих циклов может иметь важные различия [4], [5].

Для определения количества циклов замораживания-оттаивания, необходимого для производства активированного угля, пригодного для приготовления Terra Preta, мы выполнили ряд задач. Приготовление испытуемых образцов, подвергнутых различному количеству циклов замораживания-оттаивания, затем сравнение микроструктуры образцов древесного угля и окончательное определение сорбционных свойств образцов древесного угля, подвергнутых различному количеству циклов замораживания-оттаивания.

Методы и принципы исследования

В качестве объекта исследования выступал древесный березовый уголь для мангала производства ООО «ПромоТекс».

Образцы древесного угля были разделены на 7 частей. Одна часть выступала в роли контрольного образца и дополнительной обработке не подвергалась. Остальные 6 были погружены в воду и подвергнуты заморозке в бытовой морозильной камере. Количество циклов заморозки-разморозки было различным для разных образцов и составляло 1, 3, 5, 7, 10 и 100 циклов. Все образцы были подвергнуты исследованию на определение йодного числа. Образец без заморозки и образец после 10 циклов были подвергнуты электронной микроскопии на сканирующем электронном микроскопе.

Для получения изображений использовались:

Сканирующий электронный микроскоп Camscan-S2. Ускоряющее напряжение 20 кВ. Режим регистрации вторичных электронов. Cистема оцифровки изображений: АЦП LCard под управлением программы MicroCapture (ООО «СМА»).

Сканирующий электронный микроскоп JEOL, JSM-6380LA. Ускоряющее напряжение 20 кВ. Режим регистрации вторичных электронов. Программа управления камерой: SEM Control User Interface Version 7.11 (JEOL).

Приготовление 0,1 М раствора тиосульфат натрия. Навеску тиосульфата натрия массой 24,82 г растворяют в 100 мл дистиллированной воды. Полученный раствор переносят в мерную колбу и доводят объем смеси до 1 литра дистиллированной водой. После приготовления хранят в бутылке из темного стекла.

Приготовление 0,1 М раствор йода. Навеску йода массой 12,7 г, навеску йодида калия массой 19,1 г размешивали в 50 мл дистиллированной воды и оставляли в темноте до полного растворения осадка. Полученный раствор был перенесен в мерную колбу объемом 1 литр. Смесь была доведена дистиллированной водой до 1 литра и перенесена в бутылку из темного стекла.

Приготовление 0,01 % раствора крахмала. 1,0 г крахмала смешивают с 40-50 мл холодной воды и перемешивают до пастообразной консистенции. Постоянно помешивая, добавляют полученную смесь к 1 л кипящей дистиллированной воды. Свежий раствор готовится заново перед каждым испытанием.

Процедура определения йодного числа образцов угля. Перед испытанием образцы подвергались сушке в термостате при температуре 70 градусов на протяжении суток. Высушенные образцы измельчали. Навеска образца массой 1 г помещалась в коническую колбу объемом 250 мл и заливалась 100 мл 0,1 М раствора йода. Колба укупоревалась и энергично встряхивалась в течение 30 секунд, содержимое колбы фильтровалось через однослойный складчатый фильтр с помощью водоструйного насоса. 50 мл фильтрата переносилось в коническую колбу и титровалось 0,1 М раствором тиосульфата натрия до бледно-желтого цвета. После этого к раствору добавлялось несколько капель крахмального индикатора и титрование продолжалось до полного обесцвечивания раствора. 

Результаты израсходованного тиосульфата натрия заносятся в таблицу для дальнейшего пересчета. 

Основные результаты

В процессе работы над проектом были получены данные о йодном числе исследованных образцов, по которым можно оценить соотношения удельной поверхности образцов, а также микроизображения образца, не подвергаемого заморозке и образца, после 10 циклов.

Рисунок 1. Микроструктура древесного угля. а – до замораживания, б – после 10 циклов заморозки-разморозки.

Как видно из Рисунка 1, в результате обработки можно наблюдать освобождение пор, образованных естественными структурами древесины от различных загрязнителей. Однако данные изображения не дают возможности количественной оценки изменений, демонстрируя только качественные эффекты. Обратимся к данным химического исследования.

На Рисунке 2 приведены данные по исследованным образцам. Как видно из гистограммы, наблюдается существенный рост адсорбционной способности исследованных образцов в диапазоне от 0 до 3 циклов замораживания. Далее наблюдаются незначительные изменения, с различиями, не выходящими за пределы доверительных интервалов измерения.

Рисунок 2. Гистограмма йодного числа образцов, подвергнутых разному количеству циклов заморозки-разморозки.

Для относительной оценки полученных данных обратимся к литературным данным. В соответствии с ГОСТом 33618-2015, регламентирующим параметры активированного угля, используемого в медицинских целях, йодное число активированного угля должно находиться в диапазоне от 600 до 1450 мг\г. Как видно из гистограммы – подготовленные нами образцам далеки от этих значений [5]. Тем не менее, уровень, до которого произошло повышение пористости образцов вполне удовлетворителен для использования древесного угля в целях создания Terra Preta.

Обсуждение

Эксперимент Кон-Тики используется для доказательства способности причины производить определенное следствие, а также для изучения их роли в историческом аспекте, а точнее в исторической науке. Эксперименты Кон-Тики используются для проверки теории среднего диапазона, чтобы иметь возможность делать и оспаривать предположения в рамках исторических повествований, чтобы иметь возможность открывать новые источники [5], [6].

Обладая такими преимуществами, как высококачественный биоуголь, низкий уровень выбросов, отсутствие необходимости в пусковом топливе, быстрое время пиролиза и, что важно, простота и дешевизна конструкции и эксплуатации, пламенная завеса технологии представляют собой многообещающую возможность для устойчивого производства биоугля в сельской местности [6], [8].

В книге «Amazonian Dark Earths: Wim Sombroek’s Vision» William I. Woods приводит значения в диапазоне от 300 до 450 мг/г [7]. В наших экспериментах значение выше 300 мг\г достигается после 3 цикла заморозки-разморозки.

Заключение

В процессе работы над проектом ученику необходимо освоить широкий пласт литературы по совершенно, казалось бы, несвязанным между собой областям. От физико-химических свойств древесного угля, до исторических источников, описывающих повседневную жизнь коренных народов Южной Америки. На ряду с этим происходит освоение широкого спектра общелабораторных методов работы. В результате данного конвергентного подхода к проектно-исследовательской деятельности было показано, что с помощью последовательного замораживания-размораживания возможно повысить пористость древесного угля. Для достижения значений адсорбционной способности, необходимой для создания Terra Preta, по нашим данным, достаточно всего лишь трех циклов. Полученные результаты вызывают интерес и мотивируют учеников к продолжению работы над данной темой. Так, к примеру, без дополнительных исследований нельзя точно сказать – возможно ли протекание описанного процесса в естественных условиях? Вполне вероятно, что при внесении в почву необработанного угля при естественном промерзании грунта в условиях зимнего периода средней полосы процесс увеличения пористости древесного угля способен протекать самостоятельно.

Финансирование

Работа выполнена при поддержке Московского физико-технического института (ЦКП Прикладная Генетика№ 075-15-2021-684)

Благодарности

Исследование проведено благодаря поддержке ЦКП Прикладной Генетики МФТИ, Россия (грант поддержки 075-15-2021-684).

Благодарим центр коллективного пользования «Электронная микроскопия в науках о жизни» МГУ им. М.В. Ломоносова (УНУ «Трехмерная электронная микроскопия и спектроскопия»).

Список литературы

1. Woods W.I. Amazonian dark earths: Wim Sombroek's vision / W.I. Woods – Berlin : Springer, 2009. – 192 p.
2. Ray S. Different origins of gamma rhythm and high-gamma activity in macaque visual cortex / S. Ray, J.H.R. Maunsell – USA: PLoS biology, 2011. – 317 p.
3. Glaser B.H.L. The ‘Terra Preta’ phenomenon: a model for sustainable agriculture in the humid tropics / B.H.L. Glaser – Germany: Naturwissenschaften, 2001. – 41 p.
4. Novick A. Kon-tiki experiments / A. Novick – USA: Philosophy of Science, 2020. – 236 p.
5. Oliveira C. The use of remote sensing tools for accurate charcoal kilns’ inventory and distribution analysis: Comparative assessment and prospective / C. Oliveira – USA: International Journal of Applied Earth Observation and Geoinformation, 2021. – 105 p.
6. Yuan J. Research on the Effect of Freeze–Thaw Cycles at Different Temperatures on the Pore Structure of Water-Saturated Coal Samples / J. Yuan – USA: ACS omega, 2022. – 245 p.
7. Schmidt H.P. Kon-Tiki flame curtain pyrolysis for the democratization of biochar production / H.P. Schmidt – USA: Biochar J, 2014. – 24 p.
8. Landa R. Terra Preta The soil underfoot: Infinite possibilities for a finite resource / R. Landa – USA: CRC Press, 2014. – 472 p.
9. Gashikovich G.K. The possibility of using research methods of soil organic matter to assess the biochar properties / G.K. Gashikovich – USA: Research Journal of Pharmaceutical, Biological and Chemical Sciences, 2015. – 407 p.
10. Amonette J.E. Characteristics of biochar: microchemical properties Biochar for environmental management / J.E. Amonette – USA: Routledge, 2012. – 184 p.