Il biochar è carbone vegetale che si ottiene dalla PIROLISI di diversi tipi di biomassa vegetale di particolare interesse risulta la sua produzione a partire da residui/sottoprodotti agricoli : potature, stoppie di mais o grano, lolla di riso, mallo di mandorla, fogliame secco, ecc. La pirolisi permette di ottenere: un gas (syngas) con un potere calorifico pari al GPL che può essere utilizzato in processi produttivi che necessitino di calore (es : essiccazione o per la produzione di energia elettrica), e biochar o carbone vegetale.

Il sottoprodotto della pirolisi è il biochar (90% di contenuto di carbonio) che, se applicato ai suoli, è un potente ammendante. La sua alta porosità aumenta la ritenzione idrica e quella degli elementi nutritivi che rimangono più a lungo disponibili per le piante; migliora inoltre la struttura del terreno e le sue proprietà meccaniche (Chan et al., 2007). Molti studi hanno già dimostrato l’impatto positivo dell’applicazione del biochar sulle rese agricole diminuendo il fabbisogno di acqua e fertilizzanti (Nishio, 1996; Hoshi, 2001; Lehmann et al., 2003; Yamato et al., 2006; Chan et al., 2007; Rondon et al., 2007, Baronti et al 2010; Vaccari et al. 2011).

Il principale metodo di produzione del biochar è la pirolisi, ovvero la combustione di biomassa in condizioni di assenza o presenza limitata di ossigeno. Il processo di pirolisi può avere diversi fini e può essere classificato in base ai suoi parametri operativi, quali temperatura massima raggiunta e tempo di residenza.

La pirolisi lenta o slow pyrolysis è il processo che prevede la conversione termica della biomassa per riscaldamento lento, a temperature moderate (450-650°C) ed in assenza di ossigeno. Il tempo di residenza varia da pochi secondi a giorni in funzione del prodotto desiderato, syngas o biochar. Al contrario, la pirolisi veloce o fast pyrolysis prevede tempi di residenza molto brevi (2 secondi) che portano alla formazione di una maggiore proporzione di bio-oli a discapito della produzione di biochar. Il bio-olio deriva dalla condensazione della materia organica volatile generatasi dal riscaldamento della biomassa di partenza. Si presenta come un fluido nero viscoso, composto daidrossialdeidi, idrossichetoni, zuccheri, acidi carbossilici e composti fenolici e contenente oltre il 20% di acqua. Dato il suo basso potere calorifico (circa il 55% di quello del gasolio normale), il bio-olio viene utilizzato soprattutto per la produzione di energia elettrica piuttosto che come combustibile per i mezzi di trasporto. Contiene, inoltre, sostanze biochimiche di elevato valore,rilevanti per l’industria alimentare e farmaceutica.

Diversi studi hanno dimostrato significanti benefici agronomici, come l’aumento della produzione delle colture, in terreni ammendati con biochar (Fig.3). La sua applicazione contribuisce infatti a migliorare la fertilità del suolo ed aumentarne la ritenzione idrica e di nutrienti essenziali per le piante, in particolare calcio, potassio e fosforo.

Sono tre i principali meccanismi proposti per spiegare come il biochar potrebbe favorire la produzione vegetale:

• modificando direttamente la chimica del suolo attraverso la sua composizione in elementi;
• fornendo una superficie chimicamente attiva, capace di modificare la dinamica dei nutrienti nel suolo e di catalizzare reazioni utili;
• modificando le caratteristiche fisiche del suolo, con benefici per la crescita radicale e favorendo l’assorbimento e la ritenzione dinutrienti e acqua che risultano più disponibili per le piante. In effetti, è proprio grazie alla sua struttura porosa (Fig.4) e all’elevata area superficiale che il biochar influenza le proprietà fisiche del suolo, ad esempio favorendo la ritenzione idrica e aumentandone l’area superficiale.

In generale, ogni forma di materia organica immessa nei suoli viene velocemente degradata risultando in emissioni di diossido di carbonio, CO2, noto gas ad effetto serra. Trasformare la materia organica in una forma altamente stabile, quindi più difficilmente degradabile, potrebbe contribuire a ridurre queste emissioni. In effetti, il biochar risulta avere grande stabilità e resistenza alla decomposizione chimica e biologica, ed è per questo considerato un importante sink di carbonio, capace di sequestrare grandi quantità di CO2 se applicato ai suoli.

Il biochar deve la sua stabilità chimica, fisica e microbiologica alla sua composizione chimica, che risulta scarsamente degradabile. Questo carbone è infatti costituito da una complessa struttura policiclica aromatica, altamente coniugata a formare strutture cristalline. Questa lo rende recalcitrante alla degradazione sia fisica che chimica. Data la sua scarsa degradabilità, una volta immesso nel terreno, il char costituisce una riserva di carbonio per centinaia se non migliaia di anni, riducendone le emissioni in atmosfera.

Il processo di pirolisi influisce notevolmente sulle caratteristiche e proprietà del biochar e, diconseguenza, sul suo valore potenziale in termini di prestazioni agronomiche o di sequestro delcarbonio. Sia il processo che i parametri di processo (principalmente la temperatura finale raggiunta ed il tempo di residenza) sono particolarmente importanti nel determinare la natura del prodotto.

All’aumentare della temperatura di pirolisi, diminuisce la resa in termini di prodotto solido (biochar). Inoltre, questo sarà costituito da una maggiore proporzione di sostanza inorganica minerale. Durante la pirolisi, infatti, la materia organica perde idrogeno, ossigeno e azoto risultando più ricca in minerali. Ad esempio, nel char prodotto utilizzando come feedstock la lettiera di pollo, il contenuto in ceneri aumenta dal 40% al 60% a temperature fra 300°C e 600°C.

Solitamente, all’aumentare della temperatura di pirolisi, segue anche un aumento del pH ed aumento dell’area superficiale del biochar.