Hydratace biouhlu připraveného mikrovlnnou pyrolýzou vodárenského kalu

Mikrovlnná pyrolýza představuje možné řešení problému likvidace vodárenských kalů. Jedním z výsledných produktů pyrolýzy je biouhel, amorfní porézní uhlíkatý materiál, který stále více nalézá uplatnění v zemědělství jako půdní kondicionér. Biouhel obvykle vykazuje hydrofobní charakter, nicméně jeho použití často vede ke zvýšení zádrže vody v půdách. Důvody tohoto zlepšení proto nelze vysvětlit pouze vysokou porozitou biouhlu. Tato práce se snaží přispět k pochopení interakce vody a biouhlu za různých environmentálně relevantních podmínek, tj. přímého přídavku vody do biouhlu a adsorpce vody při různých relativních vlhkostech vzduchu. Častými metodami, které se používají k pochopení vztahu mezi organickými materiály a vodou, jsou metody termické analýzy. Mezi ty patří i technika DSC, která byla v této práci využita. První experiment zahrnoval měření entalpie tání mrznoucí vody v pórech biouhlu, jehož výsledky poukazovaly na strukturu ledu odrážející povahu pórů v biouhlu. Dále se experiment zaměřil na stanovení množství tzv. nemrznoucí vody, která odráží především mikroporozitu systému. Nemrznoucí voda byla zjištěna extrapolací na nulovou měrnou entalpii tání a její množství činilo 0,13–0,15 mg na mg sušiny. Druhý experiment se zaměřil na výparnou entalpii vody z biouhlu, která poukazuje na to, jak silně je celková voda vázaná. Také nepřímo vede k pochopení, jakým způsobem a jak snadno se voda z biouhlu uvolňuje a naopak přijímá. Srovnáním výsledků pro vázanou a čistou vodu lze dedukovat, že vazba vody v biouhlu je asi o 10–20 % slabší. To vede k závěru, že výměna vody mezi biouhlem a půdou je poměrně rychlá i přes relativní hydrofobicitu biouhlu.
Microwave pyrolysis represents a possible solution of municipal sludge disposal. One of the final products of pyrolysis is amorphous porous carbon material called biochar, which can be used in agriculture as a soil amendment. As a rule, biochar is hydrophobic, but its addition can lead to an increase in water holding capacity. However, reasons of this improvement cannot be explained only by its high porosity. This thesis aims to contribute to the understanding the interactions between biochar and water under various environmental-relevant conditions such as direct water addition method and water adsorption from ambient air at different relative humidity. The thermo-analytical methods are common for investigation of the relationship between water and organic materials. One of these methods, differential scanning calorimetry, was used in this thesis. The first experiment was focused on measuring of melting enthalpy of freezable water in biochar pores. The results reflect the influence of pore size and properties of ice structure. The extrapolation of concentration dependence to zero enthalpy was used to determine non-freezing water (0,13–0,15 mg·mg-1 biochar), which reflects microporosity of the biochar. The second experiment was focused on the determination of evaporation enthalpy of water from biochar, which is a measure of the strength of water binding in biochar. This value indirectly reflects the mechanisms of the intake and release of water by biochar. Comparing the results for bound and pure water showed that in biochar is water bound weaker about 10–20 %. This led to conclusion that biochar binds water relatively weakly and the water exchange between biochar and soil is fast, despite the biochar hydrophobicity.