El biocarbón, biochar en inglés, es una de las formas orgánicas de mantener las propiedades físicas y químicas de los suelos agrícolas.

El biocarbón

  1. Qué es el biocarbón
  2. Biomasa
  3. Propiedades físicas y químicas del biocarbón
  4. Efecto del biocarbón en los suelos
  5. Forma de obtención del biocarbón

Qué es el biocarbón

El biocarbón, en inglés biochar, es un material poroso sólido rico en carbono obtenido mediante un proceso de combustión incompleta en un ambiente con bajo contenido en oxígeno de biomasa orgánica a temperaturas relativamente bajas (generalmente por debajo de 700ºC). Este proceso, conocido como pirólisis, le confiere unas características especiales que hace que sea diferente al carbón usado como combustible y al carbón activado. Se puede obtener biocarbón de casi cualquier material orgánico pero el idóneo es aquel que procede de restos vegetales y sobre todo el de altos contenidos en lignina, celulosa y hemicelulosa. La lignina es, después de la celulosa y la hemicelulosa, uno de los polímeros más abundantes de la naturaleza y está presente en la pared celular de las células vegetales; es insoluble en agua y se considera ópticamente inactiva por lo que su degradación es un proceso difícil.

El biocarbón surgió al ser redescubiertas las tierras negras de los indios amazónicos de Brasil, denominadas terra preta do indio por Smith y Hartt en 1879 y 1885 respectivamente. Estas tierras fueron desarrolladas por los indígenas depositando materiales orgánicos derivados de la quema de diferentes tipos de biomasas. Se considera que los inicios de la formación de terra preta do indio corresponden aproximadamente a los últimos tiempos del período precolombino. Pero este tipo de suelos también pueden encontrase en México, África, Borneo y en Estados Unidos de América siendo en estos casos su origen los incendios forestales.

Formación del biocarbón

Biomasa

Todos los materiales derivados de plantas y animales son susceptibles de ser usados como materia prima para la obtención de biocarbón: residuos de los aserraderos, estiércoles de origen animal, cascarilla de arroz y de café, la caña de maíz, residuos de cereales, el bambú, las acículas de los pinos, la cáscara de los frutos secos, los restos de la caña de azúcar y de la palma de aceite, así como los restos de poda y los residuos de las explotaciones agropecuarias. También pueden ser usados los residuos urbanos, como las aguas residuales y los restos orgánicos.

A la hora de elegir una biomasa para transformarla es fundamental obtener sus parámetros fisicoquímicos y efectuar un análisis termogravimétrico donde se estudie su comportamiento en atmósfera inerte, de manera que conozcamos los valores de pérdida de peso y velocidad de calentamiento; así sabremos la composición relativa de la biomasa en cuanto a lignina, celulosa y hemicelulosas.

Debemos escoger bien la biomasa a la hora de realizar el biocarbón ya que en algunos casos la presencia de sustancias como hidrocarburos aromáticos policíclicos y metales pesados pueden provocar el efecto contrario al deseado a la hora de incorporarlo al suelo.

Propiedades físicas y químicas

El biocarbón es un sólido formado por láminas cristalinas de grafeno y estructuras aromáticas, unidos entre sí formando estructuras tipo anillo bencénico con oxígeno e hidrógeno. Su estructura depende del tiempo de pirólisis: a mayor temperatura de pirólisis menor tamaño de partícula. Es un material muy poroso con tamaño de poros que van desde menos de dos nanómetros hasta más de 50. Presenta una densidad aparente baja, entre 0,30 a 0,43 g/cm3 y una alta área superficial, entre 200 y 400 m2/g. La composición química de los biocarbones es muy variable y depende fundamentalmente de la biomasa utilizada en su proceso de obtención y experimenta cambios químicos y estructurales durante el proceso de envejecimiento.

En cuanto al pH, este puede ir desde 6,5 hasta 13 y a medida que avanza el proceso de envejecimiento del biocarbón se generan más cargas negativas que positivas y se incrementa la acidez.

El biocarbón presenta una mayor capacidad de intercambio de cationes (CIC) por unidad de carbono que la materia orgánica del suelo debido a su mayor área superficial y carga negativa superficial, lo que se traduce en una mayor densidad de carga. Los responsables del incremento de la CIC y la reactividad del biocarbón en el suelo son los grupos carboxílicos. Durante el proceso de envejecimiento la CIC disminuye conforme baja el pH.

En resumidas cuentas, el biocarbón presenta relaciones O/C más altas que el carbón mineral, lo que lo diferencia de este.

Efecto del biocarbón en los suelos

La adición de biocarbón del suelo produce los siguientes efectos:

  • Modifica la estructura del suelo, en función del tamaño de partícula del biocarbón aportado.
  • Incrementa la porosidad del suelo favoreciendo el laboreo, salvo con biocarbones de tamaño de partícula muy pequeño que pueden hacer el efecto contrario, es decir, tapar los microporos del suelo.
  • Aumenta la aireación del suelo.
  • Incrementa la capacidad de retención de agua de los suelos, disminuyendo su escorrentía.
  • Aumenta la CIC de los suelos y por lo tanto la retención de cationes favoreciendo un uso eficiente de los fertilizantes.
  • Retiene los metales pesados.
  • Es un potenciador de los microorganismos del suelo.

Forma de obtención

  1. Pirólisis. La pirólisis es un proceso basado en el calentamiento de materiales orgánicos a temperaturas superiores a 400 °C en ausencia de oxígeno. A estas temperaturas, los materiales se descomponen térmicamente, liberando una fase de vapor y generando una fase sólida residual (biocarbón, entre otros). Si los vapores de la pirólisis son enfriados ocurre una condensación de los compuestos líquidos polares de más alto peso molecular (bio-aceite), mientras que los compuestos volátiles de bajo peso molecular permanecen en la fase gaseosa (gas de síntesis o syngas).
    1. Pirólisis lenta. La pirólisis convencional o lenta se caracteriza por periodos de calentamiento de la biomasa pausados, temperaturas bajas y largos tiempos de residencia de los sólidos y el gas. De acuerdo al sistema, los periodos de calentamientos son de 0,1 a 2 °C/s y las temperaturas rondan los 500 °C. El tiempo de residencia del gas puede ser mayor de 5 segundos, mientras que para la biomasa puede ser de minutos a días. Es este el proceso de más alto rendimiento en biocarbón.
    2. Pirólisis rápida. El calentamiento supera los 200 °C/s y las temperaturas dominantes superan los 550 °C. Debido al corto tiempo de residencia del vapor, los productos obtenidos son principalmente líquidos y de alta calidad (bio-aceites) y gases ricos en etileno que pueden ser usados para producir alcoholes o gasolina. La producción de biocarbón en este proceso es menor.
    3. Pirólisis ultrarrápida. La pirólisis ultrarrápida se caracteriza porque las temperaturas a las que se lleva a cabo el proceso son moderadas (400-600 °C) y las tasas de calentamiento son rápidas (>2 °C /s). Los tiempos de residencia del vapor son usualmente menores a 2 segundos. En este sistema se produce considerablemente menos biocarbón y gas, pero el rendimiento en bio-aceite es máximo.
    4. Gasificación. La biomasa principal es la madera y esta se quema en dos procesos; en el primero se crea carbón mediante un proceso similar a la pirólisis convencional y en el segundo se convierte el carbón en ceniza.
    5. Carbonización hidrotérmica. Este proceso consiste en aplicar calor a biomasa sumergida en agua sin que llegue a la ebullición. Esto se consigue con cortos periodos de aplicación de temperaturas alrededor de los 200ºC.