Biochar biasanya diproduksi pada suhu berkisar antara 300° hingga 700°C (hingga 1000 °C juga telah dilaporkan) dalam lingkungan yang kekurangan oksigen, terkadang menggunakan katalis seperti oksida nikel, magnesium oksida, alumina, ZSM- 5 , dan Al -MCM-41. Bagaimana biochar diproduksi memengaruhi proporsi gugus fungsi C, serta sifat-sifat lainnya termasuk pH, ukuran pori, struktur pori, luas permukaan spesifik, dan kapasitas tukar kation (KTK).
Gugus fungsi seperti –COO− (–COOH) dan –O− (–OH) ditemukan dalam biochar sisa tanaman ; tetapi pada biochar berkayu, karena karbonisasi lebih besar, terdapat berbagai gugus fungsi, dan lebih sedikit residu organik (seperti selulosa, hemiselulosa). Karakteristik terpenting yang dapat diidentifikasi dari bahan baku adalah prediksi rasio C/N di mana kayu lunak memiliki rasio C/N lebih banyak daripada rumput dan pupuk kandang.
Biochar pupuk kandang dan rumput memiliki kadar abu lebih sedikit dibandingkan kayu. Biochar yang dihasilkan dari bahan kayu juga memiliki pH yang relatif lebih tinggi dibandingkan biochar yang dihasilkan dari sisa tanaman. Suhu 400–600 °C dengan waktu tinggal yang lama disebut sebagai pirolisis lambat , sedangkan pirolisis cepat melibatkan pemanasan bahan baku pada suhu tinggi (>700 °C) dengan waktu tinggal kurang dari 10 detik (sekitar 1 detik). Ukuran pori permukaan biochar, yang merupakan komponen penting dari morfologi permukaan biochar, bergantung pada pirolisis dan waktu tinggal. Biochar yang diproduksi dengan pirolisis lambat memiliki porositas, pH yang lebih tinggi (biasanya di atas 7), dan luas permukaan (100–800 m 2 g −1 ).
Dalam produksi biochar, degradasi biomassa terjadi dalam tiga tahap. Suhu pertama di bawah 150 °C memungkinkan penguapan air dan dekomposisi hemiselulosa dan senyawa volatil; tahap kedua terjadi pada suhu 150–400 °C dan menyebabkan dekomposisi selulosa; dan pada tahap ketiga dekomposisi lignin dan pembakaran batu bara terjadi pada suhu di atas 400 °C.
Kandungan O, H, dan N dalam biochar menurun dengan meningkatnya suhu, yang dikaitkan dengan hilangnya volatil dan air dalam senyawa organik. Biochar yang dihasilkan pada suhu pirolisis yang lebih tinggi memiliki kandungan C yang tidak dapat terurai lebih tinggi dibandingkan dengan biochar yang dihasilkan pada suhu rendah; biochar dengan luas permukaan yang lebih besar dan kandungan alkali yang lebih tinggi memiliki kemampuan yang lebih besar untuk menyerap logam berat, pestisida, dan polutan organik.
Gugus karboksil biochar meningkat dari waktu ke waktu karena luas permukaan biochar yang tersedia terus teroksidasi oleh reaksi biologis dan non-biologis, yang pada gilirannya meningkatkan nilai KTK biochar dari waktu ke waktu. Suhu pirolisis, proses pirolisis, dan jenis bahan baku merupakan faktor terpenting yang mempengaruhi sifat fisik dan kimia biochar.
Porositas biochar menyediakan sumber nutrisi dan air yang baik untuk pertumbuhan tanaman dan reproduksi mikroba. Ukuran pori-pori ini juga membantu menyediakan area permukaan yang meningkatkan potensi keanekaragaman mikroba dan tempat pengikatan ion nutrisi. Ukuran partikel yang lebih kecil dan luas permukaan spesifik biochar yang lebih tinggi menyebabkan peningkatan KTK.
Di sisi lain, ukuran partikel biochar yang lebih besar berarti konduktivitas hidrolik jenuh yang lebih rendah di tanah berpasir, yang meningkatkan retensi air di dalam tanah. Sifat-sifat ini terutama dipengaruhi oleh jenis bahan baku, temperatur, dan kondisi operasi lainnya. Faktor kunci yang mempengaruhi produksi biochar menghasilkan perbedaan sifat fisik dan kimia biochar yang mempengaruhi interaksinya dengan tanah dan mikrobiota.
Nilai KTK telah dikaitkan dengan suhu pirolisis yang lebih tinggi, di mana KTK biochar meningkat pada kisaran 250–500 °C, tetapi menurun pada suhu > 600 °C. Biochar yang dihasilkan dari slow pyrolysis memiliki porositas yang lebih tinggi. Pentingnya bahan baku tidak dapat diremehkan karena mempengaruhi kapasitas menahan air dan nilai KTK. Untuk biochar yang diproduksi pada suhu rendah, gugus fungsi permukaannya lebih besar.
Kandungan oksigen dan H dan rasio molar H/C menurun dengan suhu pirolisis yang lebih tinggi. Pada suhu tinggi, gugus fungsional polar – OH dan CO – dihilangkan dengan lebih efisien. Stabilitas biochar meningkat dengan meningkatnya suhu pirolisis, dan biochar yang diproduksi pada suhu yang lebih rendah terdegradasi lebih mudah. Stabilitas biochar juga bergantung pada komposisi bahan bakunya; misalnya, biochar yang dihasilkan dari kotoran unggas kurang stabil dibandingkan biochar yang dihasilkan dari ampas tebu.
English