Il biochar denota una gamma piuttosto variegata di elementi costituenti la sua composizione chimica. Ciò è causato, in parte, da un complesso set di reazioni chimiche che avvengono durante il processo termico, in cui si ha il coinvolgimento di un ampia gamma di composti chimici eterogenei, all'interno di ogni singolo biochar. Cosi, in senso stretto, ogni biochar creato partendo da una particolare materia prima e caratterizzato da una certa combinazione
di processi, presenta un mix unico di fasi e di microsviluppi che rendono unica la serie di proprietà chimiche che lo distinguono.
Contenuto in ceneri
Esistono due fattori che controllano la qualità e la distribuzione delle componenti minerali nel biochar. Questi sono la tipologia, la quantità e la qualità delle materie prime e le condizioni di processo a cui viene sottoposto il biochar.
Generalmente, la materia prima legnosa ha un contenuto basso (inferiore all’1% in peso) in ceneri, mentre le sostanze erbacee (paglie e lolle di cereali per esempio) hanno un alto contenuto in silicio, che può raggiungere il 24% in peso delle ceneri totali (Raveendran et al, 1995). Molti dei minerali contenuti nella biomassa iniziale sono riportati all’interno del biochar quando essi sono altamente concentrati, a causa di una perdita di C, H e O durante la pirolisi. Il Biochar derivante dal letame e dai rifiuti organici ha tipicamente una elevata alta concentrazione in ceneri. Koutcheiko et al. (2007) hanno riscontrato che il biochar prodotto dalla pollina, per esempio, può avere il 45% in materiale minerale.
Durante la degradazione termica, gli ioni K e Cl sono altamente mobili e possono iniziare a vaporizzare a temperature relativamente basse (Yu et al, 2005). Il Ca è principalmente localizzato nelle pareti cellulari ed è legato agli acidi organici. Il Si è presente anch’esso in pareti cellulari come silice o come fitoliti di opale (Marschner, 1995). Sia Ca che Si, sono rilasciati durante la degradazione a temperature molto elevate rispetto a K o Cl (Bourke, 2006). Il Mg è legato sia ionicamente che covalentemente con molecole organiche e vaporizza solo ad elevate temperature. Il P e lo S sono associati con composti organici complessi all’interno della cellula e sono relativamente stabili a basse temperature di degradazione (Schnitzer et al, 2007b).
L’N è associato con un numero differente di molecole organiche e può essere rilasciato a temperature relativamente basse (Schnitzer et al, 2007b).
Altri elementi come Fe e Mn esistono in un numero piuttosto ampio di forme organiche e inorganiche nella biomassa e sono largamente mantenute durante la formazione del biochar.
Superficie chimica
La superficie chimica del biochar è veramente ricca e variegata. Essa esibisce delle proprietà idrofile, idrofobe, acide e basiche, le quali contribuiscono ad ampliare la reattività del biochar. Queste reattività sono garantite dalla presenza o combinazione del biochar con: Gruppi funzionali della fase strutturale in carbonio: Gruppi come OH, NH2, O-R o O(C=O)-
Gruppi carbossilici sono acidi forti secondo la classificazione di Brønsted. Pochi gruppi acidi contengono fenoli o carbonili. Cromoni e pironi sono gruppi funzionali basici.
Ossigeno: Quando il biochar si trova a contatto con l’O2 atmosferico, prontamente si ossida,
rendendo gruppi funzionali contenenti O sulla sua superficie (Bourke et al, 2007).
Azoto e Zolfo: Nei biochar derivati dal letame, dai fanghi di depurazione e dagli scarti animali (sangue, ossa, ecc), gruppi funzionali di N e S possono essere molto abbondanti rispetto che nei biochar lignocellulosici.
Influenza delle proprietà superficiali sull’adsorbimento
I vari gruppi funzionali sulla superficie del biochar influenzano l’adsorbimento della natura della loro carica superficiale e la loro disponibilità di elettroni π. Con una superficie ossidata, la carica sui gruppi funzionali può cambiare dipendendo dal pH della soluzione, influenzando cosi le caratteristiche di adsorbimento. Anche la natura del materiale adsorbito può influire sulla sua capacità di assorbire.
Swiatkowski et al (2004), lista le varie possibilità in cui i metalli possono essere adsorbiti nel biochar:
Diversi sorbanti organici, come i fenoli, l’aniline e altre molecole aromatiche funzionalizzate, esibiscono anche comportamenti anfoteri e, similmente ai metalli di transizione anfoteri, devono trovare un bilancio tra i meccanismi di assorbimeno elettrostatico e quelli con elettroni π (Radovic et al, 2001).
Contenuto in nutrienti del biochar
Essendo il biochar costituito a partire da biomasse, è caratterizzato da una elevata quantità di C e da un intervallo piuttosto elevato di sali minerali necessari per la nutrizione delle piante. La sua composizione, come abbiamo più volte affermato, dipende dalla natura delle materie prime e dalle condizioni in cui opera la pirolisi. Nella tabella sottostante viene riportata la composizione totale degli elementi –C, N, P, K, P disponibile e N minerale- insieme al pH, del biochar.
Da come si può osservare, si ha una elevata variabilità tra la percentuale di elementi nutritivi, con l’eccezione del pH. Nel caso del pH infatti, i dati dimostrano che i biochar utilizzati come ammendanti del suolo hanno, di per se, una reazione tendente alla alcalinità (pH > 7.0). Tuttavia il biochar può avere un range di pH, a seconda delle variabili, racchiuso in un intervallo tra 4.0 e 12.0 (Lehmann, 2007) e può diminuire addirittura a parametri del 2.5 dopo una incubazione termica della durata di 4 mesi a 70°C (Cheng et al, 2006).
La variabilità può essere attribuita a differenti tipologie di materie prime di partenza e a condizioni differenti sotto le quali queste sono poste nella formazione di biochar.
Rapporto C/N
Il rapporto C/N del biochar è ampiamente variabile tra il 7 e il 400, con una media di 67. Questo rapporto è spesso utilizzato come indicatore delle capacità dei substrati organici nel mineralizzare e rilasciare N inorganico quando questi sono applicati al suolo.
Poiché la maggior parte del biochar è composto da C organico di origine biologica, che non è facilmente mineralizzato, questo può causare l’immobilizzazione dell’N per il suo elevato rapporto C/N. Tuttavia, la parte di C organico rimanente (con rapporto C/N ancora più elevato) non causa reazioni di mineralizzazione-immobilizzazione a causa del suo alto grado di recalcitranza.