Biochar adalah bahan karbon yang berasal dari konversi termal dalam kondisi terbatas oksigen. Melalui pemanasan bahan baku biomassa pada suhu optimum (suhu pirolisis) selama waktu tertentu (residence time) dengan laju elevasi suhu optimum (laju pemanasan), biochar sebagai produk padat dapat diperoleh beserta produk sampingannya, bio-oil, dan syngas. Karena produksinya yang berkelanjutan dari beragam bahan limbah, biochar tersedia secara global dan tidak perlu ditambang.
Berbagai bahan baku biomassa dapat digunakan untuk membuat biochar, termasuk sisa tanaman (seperti jerami gandum dan sekam padi), serpihan kayu, rumput, tulang, pupuk kandang, digestate, dan lumpur limbah. Konversi termal juga dapat dicapai melalui metode yang berbeda, termasuk pirolisis lambat, pirolisis cepat, atau karbonisasi hidrotermal. Pirolisis lambat biasanya dicapai melalui pemanasan biomassa pada suhu 300–700 °C dengan laju pemanasan 0,1–10 °C/menit; itu adalah pendekatan yang paling banyak digunakan untuk membuat biochar. Pirolisis cepat mengacu pada proses di mana bahan baku biomassa dipanaskan pada laju pemanasan yang jauh lebih tinggi (lebih dari 10 °C/menit), sehingga mendukung pembentukan bio-oil dan syngas daripada biochar produk padat. Karbonisasi hidrotermal mengacu pada proses konversi biomassa secara termal pada suhu 180–240 °C di bawah tekanan air subkritis. Produknya adalah arang hidro, menunjukkan sifat fisikokimia yang berbeda dibandingkan dengan biomassa.
Sifat fisikokimia dari biochar yang dihasilkan sangat bervariasi. Pertama, struktur berpori biochar merupakan faktor kunci yang menentukan kinerjanya dalam aplikasi lingkungan. Luas permukaan spesifik yang tinggi mendukung adsorpsi fisik mikroba termasuk bakteri melalui interaksi van der Waals. Mekanisme adsorpsi ini agak lemah dibandingkan dengan chemisorption ; namun, ini adalah mekanisme adsorpsi nonspesifik yang bertanggung jawab atas adsorpsi bakteri dan berbagai kontaminan pada permukaan biochar.
Sejumlah sifat termasuk luas permukaan, muatan permukaan, porositas, gugus fungsi dan pH biochar dapat mempengaruhi adsorpsi mikroba termasuk bakteri oleh biochar selama proses imobilisasi mikroba untuk menghasilkan produk biochar yang diperkaya mikroba untuk aplikasi pertanian dan lingkungan. Seseorang dapat mengambil biochar standar yang dihasilkan dari pusat penelitian biochar Inggris sebagai contoh. Area permukaan spesifiknya berkisar antara 7,3 hingga 162,3 mg/g, yang jauh lebih rendah daripada karbon aktif. Namun, penelitian ekstensif telah menunjukkan bahwa bahan biochar yang memiliki luas permukaan dalam kisaran di atas cocok untuk banyak aplikasi.
Analisis kuantitatif nilai luas permukaan biochar yang berbeda menunjukkan bahwa bahan baku tanaman, bersama dengan suhu pirolisis yang tinggi, menghasilkan biochar dengan luas permukaan tertinggi. Patut dicatat juga bahwa biochar seringkali merupakan bahan mikro atau mesopori, dengan sebagian besar pori-porinya di bawah 50 nm. Beberapa upaya telah dilakukan untuk menghasilkan biochar hirarkis untuk memperbaiki struktur berpori mereka lebih lanjut. Struktur berpori 3D yang saling berhubungan dengan mikropori , mesopori, dan makropori adalah karakteristik berbeda dari biochar hierarkis.
Muatan permukaan adalah parameter penting lainnya yang mempengaruhi kinerja lingkungan dari biochar. Secara khusus, afinitasnya terhadap permukaan bermuatan, termasuk mikroorganisme hidup, adalah penting. Ketika pH air pori tanah berada di bawah titik muatan nol ( pH PZC ), biochar membawa muatan positif, dan sebaliknya. Ketinggian suhu pirolisis menyebabkan pH, dan biochar yang dihasilkan kurang bermuatan negatif di bawah kondisi air pori tanah yang sama. Ini juga dikaitkan dengan hilangnya gugus fungsional bermuatan negatif dengan suhu pirolisis yang lebih tinggi.
Aromatisitas dan stabilitas karbon biochar merupakan faktor penting dalam menentukan apakah mikroorganisme tanah siap menggunakan biochar. Karbon biochar diyakini jauh lebih bandel daripada bahan organik asli di dalam tanah, membutuhkan waktu ratusan hingga ribuan tahun untuk mencapai mineralisasi penuh . Keengganan biochar terhadap mineralisasi adalah fungsi dari sifat utamanya serta suhu pirolisisnya.
Suhu pirolisis yang lebih tinggi menghasilkan lebih banyak bagian aromatik yang jauh lebih sulit untuk dimetabolisme oleh mikroorganisme tanah. Uji coba lapangan jangka panjang juga menunjukkan bahwa biochar mungkin bukan habitat yang cocok untuk kolonisasi mikroorganisme tanah asli. Kandungan lignin yang lebih tinggi dari bahan baku biomassa menghasilkan aromatisitas dan stabilitas karbon yang lebih tinggi. Oleh karena itu, waktu paruh biochar kayu jauh lebih lama dibandingkan dengan biochar lainnya.
Kelimpahan gugus fungsi permukaan merupakan karakteristik penting lain dari biochar, berguna untuk remediasi lingkungan. Berbagai gugus fungsi yang mengandung oksigen, seperti hidroksil, karbonil, dan karboksil, dan gugus fungsi yang mengandung nitrogen, termasuk gugus piridinik , pirolat , dan kuaterner memainkan peran penting dalam adsorpsi mikroba selama proses. Biochar biasanya bersifat basa, yang menjadikannya amandemen yang cocok untuk memulihkan tanah asam dan melumpuhkan sel mikroba dan unsur berpotensi toksik kationik (PTE). Peningkatan suhu pirolisis menyebabkan pH biochar lebih tinggi karena proporsi karbon volatil yang terbakar lebih besar, menyisakan lebih banyak komponen anorganik dalam fase padat. Kimia permukaan biochar dapat diubah melalui proses modifikasi fisikokimia untuk menargetkan adsorpsi mikroorganisme tertentu selama proses imobilisasi dan kontaminan selama proses remediasi menggunakan produk biochar yang diimobilisasi mikroba.
English