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Release of hexavalent chromium from ore processing residues and the potential of biochar for chromium immobilization in polluted soils

Chromium (Cr) is introduced into the environment by several anthropogenic activities. A striking ex-ample is the area around Kanpur in the Indian state of Uttar Pradesh, where large amounts of Cr-containing wastes have been recently illegally deposited. Hexavalent Cr, a highly toxic and mobile contaminant, is present in significant amounts in these wastes, severely affecting the quality of sur-roundings soils, sediments, and ground waters. The first major goal of this study is to clarify the solid phase speciation of Cr in these wastes and to examine its leaching behavior. X-ray diffraction and synchrotron-based X-ray absorption spectroscopy techniques will be employed for quantitative solid phase speciation of Cr. Its leaching behavior will be studied in column experiments performed at un-saturated moisture conditions with flow interruptions simulating monsoon rain events. Combined with geochemical modeling, the results will allow the evaluation of the leaching potential and release kinetics of Cr from the waste materials. The second major goal is to investigate the spatial distribution, speciation, and solubility of Cr in the rooting zone of chromate-contaminated soils surrounding the landfills, and to study the suitability of biochar as novel soil amendment for mitigating the deleterious effects of chromate pollution. Detailed field samplings and laboratory soil incubation studies will be carried out with two agricultural soils and biochar from the Kanpur region.

Bindung von CO2 durch die Produktion und Anwendungen von biologischem Dünger mit der Hauptkomponente Pflanzenkohle

Biokohle und Flammschutzmittel aus Schafswolle

Gross N transformations and N2O fluxes in biochar-amended soils

Recently, the application of biochar to soils has been discussed as a win-win-win strategy to improve soil fertility, sequester carbon, reduce greenhouse gas (GHG) emissions, and to enable CO2-negative energy production from renewable feedstock. First results suggest that biochar application affects the N transformations in the soil - The interactions between biochar and soil N transformations are still poorly understood. The aim of this project is to quantify the simultaneously occurring gross N transformations and sources of N2O fluxes in soils after biochar application. The methodology developed by C. Müller and established at the Department of Plant Ecology (15N labeling-tracing-modeling) (2-5) will be used to investigate the effect of biochar on soil N dynamics. Three 15N-tracing studies will be conducted to evaluate the short-term, intermediate and longer-term effects of biochar on N dynamics: (1) a study using 15N-labelled biochars (adapt technique for biochar); (2) a study examining intermediateterm effects in a biochar-hydrochar field study that started in April 2011 at the Dept. of Plant Ecology, and (3) a study in an European field experiment where fully randomized biochar plots were installed in 2009. The study is designed in such a way that Bachelor- and Master studies will address certain aspects in support of the main study. A process-based understanding of the soil N dynamics is key to evaluate if biochar may be a suitable global-change mitigation tool.

Biokohle und Flammschutzmittel aus Schafswolle, Teilvorhaben A '

Biokohle

Zurzeit ist die 'Biokohle' in aller Munde, und diese wird als Wunderstoff zur Steigerung und Stabilisierung der Bodenqualität angesehen. Eigene Modellversuche mit drei verschiedenen Böden ergaben, dass die Kohlen, bis auf eine Hydro-Thermal-Kohle (HTC) aus Eichenästen, recht stabil im Boden sind und dass diese dazu beitragen können, den Kohlenstoff im Boden zu sequenzieren. Die vielfach geäußerte Vorstellung, dass eine Biokohleapplikation die spezifische Adsorption von Phosphat reduziert, konnten wir in unseren Untersuchungen nicht bestätigen. Auf drei Standorten wird die Wirkung von Biokohle aus Holzhackschnitzel-Siebresten auf einer Löss-Parabraunerde in Rauischholzhausen, einem Sandboden in Groß-Gerau und einem Alluvium in Gießen in Feldversuchen geprüft. Die Versuche begannen im Frühjahr 2012 bzw. im Herbst 2012. Es hat den Anschein, dass die Biokohle die N-Effizienz zu Silomais aus der Löss-Parabraunerde zu fördern scheint, da die Erträge in den Varianten mit Biokohle über denen ohne Biokohle lagen. Auf dem Sandboden und auch auf dem Alluvium förderet die Biokohleapplikation weder von 15 noch von 30 t/ha den Ertrag von Körnermais, Winterweizen oder Sommergerste. Die Wassernutzung wurde auf dem Sandboden nicht durch Biokohle gefördert. Verbessert wurde aber die Nitratretention durch Biokohle. Um diese Mechanismen von Biokohle besser zu verstehen, untersucht Christian Koch in seiner von der Deutschen Bundesstiftung-Umwelt (DBU) geförderten Promotion, inwieweit durch verschiedene Herstellungstemperaturen die Eigenschaften von Biokohlen aus Fichtenrestholz, Landschaftspflegeheu und Nusshäutchen von Haselnuss beeinflusst werden. Erste Ergebnisse zeigen, dass die Karbonisierungstemperatur die Sorption von Huminsäuren beeinflusst. Dagegen haben die Karbonisierungstemperaturen keinen Einfluss auf die von uns durchgeführten Versuche zur Nitratretention und Kationenaustauschkapazität (= Bariumsorption).

Pyrolyse sekundärer landwirtschaftlicher Biomassen: Datenbank zu Pflanzenkohle-Eigenschaften und agronomische Bewertung

Ziel des Projekt BC-LOOKUP ist die Erstellung einer umfangreichen Datenbank zu Eigenschaften von Pflanzenkohlen aus sekundären, landwirtschaftlichen Biomassen, die auch den Einfluss unterschiedlicher Pyrolysebedingungen und -technologien abbildet. Darauf aufbauend wird ein frei zugängliches online Klimafarming-Tool entwickelt, in dem Landwirt*innen auf Basis grundlegender Daten ihres Betriebes (bewirtschaftete Fläche, Kulturen, Anzahl Tiere) das Potential für die Herstellung von Pflanzenkohle berechnen können und Vorschläge erhalten, durch welche Maßnahmen (z.B. Feldhecken) die hierfür erforderliche Menge Biomasse erzeugt werden kann. Ferner werden die Daten für die Klima- bzw. Erdsystem-Modellierung und Forschung/Politikberatung bereitgestellt, um auf Basis von Biomassepotentialstudien den möglichen Beitrag von Pyrolyse zu nachhaltigem Ressourcenmanagement der Zukunft berechnen zu können.

Pyrolyse sekundärer landwirtschaftlicher Biomassen: Datenbank zu Pflanzenkohle-Eigenschaften und agronomische Bewertung, Pyrolyse sekundärer landwirtschaftlicher Biomassen: Datenbank zu Pflanzenkohle-Eigenschaften und agronomische Bewertung

Ziel des Projekt BC-LOOKUP ist die Erstellung einer umfangreichen Datenbank zu Eigenschaften von Pflanzenkohlen aus sekundären, landwirtschaftlichen Biomassen, die auch den Einfluss unterschiedlicher Pyrolysebedingungen und -technologien abbildet. Darauf aufbauend wird ein frei zugängliches online Klimafarming-Tool entwickelt, in dem Landwirt*innen auf Basis grundlegender Daten ihres Betriebes (bewirtschaftete Fläche, Kulturen, Anzahl Tiere) das Potential für die Herstellung von Pflanzenkohle berechnen können und Vorschläge erhalten, durch welche Maßnahmen (z.B. Feldhecken) die hierfür erforderliche Menge Biomasse erzeugt werden kann. Ferner werden die Daten für die Klima- bzw. Erdsystem-Modellierung und Forschung/Politikberatung bereitgestellt, um auf Basis von Biomassepotentialstudien den möglichen Beitrag von Pyrolyse zu nachhaltigem Ressourcenmanagement der Zukunft berechnen zu können.

Potenziale von Agroforst- und Agri-PV-Systemen für die Maximierung von Humusaufbau und Kohlenstoffspeicherung auf landwirtschaftlichen Flächen

Im Projekt HUMAX sollen verschiedene Maßnahmen zum Humusaufbau in unterschiedlichen Kombinationen auf Ackerflächen untersucht werden. Ein Alleinstellungsmerkmal des Projektes HUMAX ist es, dass diese Maßnahmen in Kombination mit Agri-Photovoltaik-Anlagen und Agroforstsystemen angewendet werden sollen. Ziel ist es, mögliche Synergien der Maßnahmen zu identifizieren und kombinierte Anwendungsoptionen aufzuzeigen. Das innovative Potenzial des Projektes HUMAX liegt darin, dass etablierte Maßnahmen des Humusaufbaus (Zwischenfrüchte, Winterbegrünung, Untersaaten, Kompostapplikation, u.a.) mit vielversprechenden Maßnahmen wie Pflanzenkohle, u.a. kombiniert und getestet werden sollen. Die Verbindung mit Agroforstsystemen eröffnet dabei, neben dem Humusaufbau, weitere Potenziale als Kohlenstoffsenke, da die Bäume und Sträucher Kohlenstoff in der ober- und unterirdischen Biomasse speichern und darüber hinaus noch ein großes Substitutionspotenzial durch die Holzprodukte und das beim Management der Gehölze anfallende Material mit sich bringen. Dieses soll genau quantifiziert werden um auf diese Weise nicht nur Aussagen über die gesamte Kohlenstoffspeicherung im Boden und der Biomasse treffen zu können, sondern auch die Substitutionseffekte und Biomassepotentiale für die Pflanzenkohleproduktion durch Pyrolyse quantifizieren zu können. Durch die Kombinationen der verschiedenen humusaufbauenden Maßnahmen sollen Wege gefunden werden, den Humusaufbau und damit die Kohlenstoffbindung, d.h. die Funktion des Bodens als C-Senke zu maximieren. Darauf aufbauend soll ein modulares System entwickelt werden, das es Landwirt*innen erlaubt, die für ihre Rahmenbedingungen bestmögliche Maßnahmenkombination für ein gezieltes Kohlenstoff- und Humusmanagement und für die Energieerzeugung mittels Agri-Photovoltaik in ihrem Betrieb zusammenzustellen.

Entwicklung und Validierung eines innovativen Kohlenstoff-Eisen Präparates zur Gasreinigung und Effizienzsteigerung des Biogasprozesses, Teilvorhaben: Herstellung und Test der Kompaktate

Zur Entfernung von Schwefelwasserstoff aus Biogas ist der Einsatz von fossil basierter Aktivkohle in der Gasphase bzw. von Eisenpräparaten in der Flüssigphase bereits gängige Praxis. Des Weiteren wird im Rahmen wissenschaftlicher Untersuchungen zunehmend der stabilisierende und effizienzsteigernde Effekt von kohlenstoffhaltigen bzw. leitfähigen Additiven wie z.B. Biokohle im Rahmen des Biogasprozesses aufgezeigt. Im Rahmen des Vorhabens CarboFerro wird daher ein kompaktiertes Kohlenstoff-Eisen-Kompaktat entwickelt werden, welches sowohl für die Biogasreinigung (als Aktivkohleersatz) als auch für die Stabilisierung des Biogasprozesses (als Prozessadditiv), eingesetzt werden kann. Die notwendigen Ausgangsstoffe zur Herstellung der Kompaktate sind Pyrolysekohle aus holzartiger Biomasse sowie ein Eisenmineralgemisch (Eisen(III)-hydroxid). Die übergeordnete Zielstellung des Vorhabens CarboFerro ist daher die Entwicklung eines Kohlenstoff-Eisen-Kompaktates sowie dessen Evaluation im Labormaßstab sowie unter praxisnahen Bedingungen an der Forschungsbiogasanlage des DBFZ.

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