Περιβαλλοντικά φιλικές τεχνολογικές εφαρμογές ελληνικών λιγνιτών και τυρφών: αξιοποίηση ως προς την ικανότητα παραγωγής εδαφοβελτιωτικών και οργανοχουμικών λιπασμάτων

Abstract

Organic matter, particularly humus, is essential for a healthy and fertile soil. Significant factors such as nutrients supply, water retention and drainage, erosion resistance and crop resistance to plant parasites and diseases, depend to a large extent on the quality and the quantity of the organic matter contained in a soil. The main constituents of humus are the humic compounds, which are very resistant to further decomposition and are known as the "source of life" of a soil. Their chemical stability is important not only because it provides fertility to the soil, improving its physical and chemical features, but also because it contributes to the suppression of diseases. The most common and effective practice for restoring, preserving and/or improving the physical, chemical and biological properties of soils is the use of soil amendments and/or organic fertilizers. The use of coal, in particular peat and lignite, as raw materials for the production of products capable of improving the functionality of a soil is mainly based on the fact that their humic content is very high. The aim of the current study is to determine the physical and chemical features of various Greek coals, emphasizing on the structure and composition of their organic fraction, in order to assess their applicability in the agricultural/horticultural sector as soil amendments and/or for the production of organic fertilizers. The ultimate goal is to contribute to the promotion of non-electrical and environmental-friendly technological applications of coal. The research focused on examining 26 coal samples from 10 small deposits, located in various places in Greek territory, and more precise: 1. Eastern Macedonia-Thrace (deposits of Drama, Sappes, Orestiada): MT1, MT2, MT3, MT4, MT5, MT6, MT7, MT8, 2. Thessaly – Central Greece (deposits of Xyniada, Almyros, Elassona): TH1, TH2, TH3, TH4, TH5, TH6, TH7, TH8, 3. Peloponnese (deposits of Pellana, Magoula): ΠΠ1, ΠΠ2, ΠΜ1, 4. Epirus (deposit of Ioannina): Ι1, Ι2, 5. Western Crete (deposit of Plakias): ΚΠ1, ΚΠ2, ΚΠ3, ΚΠ4, ΚΠ5. Although these deposits are encountered at swallow depths beneath earth surface, they are regarded as not exploitable because of the restricted lateral distribution and the high mineral matter content. The samples are particularly heterogeneous due to their origin from different sedimentary basins, as well as due to their different rank. Specifically the samples: 1. ΤΗ1, ΤΗ2 and ΤΗ3 are classified as peat, 2. ΜT1, MT2 and MT3 as peaty lignite, 3. MT4, MT5, MT6, MT7, MT8, TH4, TH5, TH6, TH7, TH8, ΠΠ1, ΠΠ2, ΠΜ1, Ι1, Ι2, ΚΠ3 and ΚΠ4 as lignite, and 4. ΚΠ1, ΚΠ2 and ΚΠ5 as subbituminous coal. Most of the samples display matrix to matrix/mineral-rich lithotypes, with the exception of TH7 and TH8 samples, which belong to the xylite-rich lignite lithotype. In order to assess the applicability of the above samples in the agricultural/horticultural sector as soil amendments and/or as a raw material for the manufacturing of organic fertilizers the following laboratory techniques were conducted: proximate and ultimate analyses, determinations of physical and chemical properties (i.e. porosity, hydropermeability, available moisture holding capacity, witling point, pH, electrical conductivity, cation exchange capacity, nitrogen mineralization rate), mineralogical determinations, inorganic geochemical analyses (bulk elemental analyses and bioavailable concentrations), and organic geochemical analyses (i.e. content of humic substances, content of COOH and OH functional groups, FTIR, py-GC-MS). Additionally, part of the samples was used in experimental planting trials. The evaluation of the analytical results, along statistical treatment and the application of a multi-criteria decision-making method (analytical hierarchical procedure) revealed the following: 1. Of the total 26 coal samples, the more suitable for application as soil amendments proved being the peaty lignite samples MT3, MT2 and MT1, which displayed the highest quality indices. Satisfactory performance was also provided by lignite samples I1 and TH4, as well as TH3 peat sample. The distinguished samples MT1, MT2, MT3, TH3, TH4 and I1 represent low-grade coals belonging to the category of peat (TH3) and peaty lignite and/or lignite (MT1, MT2, MT3, TH4, I1). They are characterized by matrix lithotype, which indicates their origin mainly from herbaceous and/or arboreal vegetation with non-resistant tissues. These are samples, in which humification was intense while coalification ceased at an early stage. They consist of low-condensation organic matter with a significant percentage of relatively unaltered plant residues. 2. The most promising samples for organic fertilizer manufacturing could be primarily TH4, MT3, TH7, MT6, MT2 and TH6, which exhibit humic content, at levels that can be classified as commercially exploitable.

Το οργανικό υλικό, ιδιαιτέρως ο χούμος, είναι απαραίτητο για ένα υγιές και γόνιμο έδαφος. Σημαντικοί παράγοντες, όπως η παροχή θρεπτικών συστατικών, η συγκράτηση και η αποστράγγιση του νερού, η αντίσταση στη διάβρωση και η ανθεκτικότητα των καλλιεργειών σε φυτοπαράσιτα και ασθένειες, εξαρτώνται σε μεγάλο βαθμό από την ποιότητα και την ποσότητα του περιεχόμενου οργανικού υλικού ενός εδάφους. Κύριο συστατικό του χούμου είναι τα χουμικά συστατικά, τα οποία είναι πολύ ανθεκτικά στην παραπέρα αποσύνθεση, και χαρακτηριστικά λέγεται ότι αποτελούν την “πηγή ζωής” ενός εδάφους. Η χημική σταθερότητά τους είναι σημαντική όχι μόνο γιατί παρέχει στο έδαφος γονιμότητα βελτιώνοντας τα φυσικά και χημικά του χαρακτηριστικά, αλλά και γιατί συμβάλλει στην καταστολή των ασθενειών. Η πλέον συνήθης και αποτελεσματική πρακτική για την αποκατάσταση, τη διατήρηση ή/και τη βελτίωση των φυσικών, χημικών και βιολογικών ιδιοτήτων των εδαφών είναι η χρήση εδαφοβελτιωτικών ή/και οργανοχουμικών λιπασμάτων. Η χρήση των γαιανθράκων και δη της τύρφης και του λιγνίτη ως πρώτων υλών για την παραγωγή προϊόντων ικανών να βελτιώσουν τη λειτουργικότητα ενός εδάφους στηρίζεται κυρίως στο γεγονός, ότι η περιεκτικότητά τους σε χουμικό οργανικό υλικό είναι πολύ υψηλή.Αντικείμενο της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι ο προσδιορισμός των φυσικών και χημικών χαρακτηριστικών διαφόρων Ελληνικών γαιανθράκων με έμφαση στη μελέτη της δομής και της σύστασης του οργανικού τους κλάσματος, με σκοπό να εκτιμηθεί η δυνατότητα εφαρμογής τους στον αγροτικό/φυτοκομικό τομέα ως εδαφοβελτιωτικών ή/και ως πρώτης ύλης για την παραγωγή οργανοχουμικών λιπασμάτων. Απώτερος στόχος της παρούσας διατριβής είναι η συμβολή στην προώθηση των μη ηλεκτροπαραγωγικών και περιβαλλοντικά φιλικών τεχνολογικών εφαρμογών των ορυκτών ανθράκων. Η έρευνα εστιάστηκε σε 26 δείγματα γαιάνθρακα προερχόμενα από 10 μικρά κοιτάσματα, που βρίσκονται σε διάφορα σημεία του Ελληνικού χώρου: 1. Ανατολική Μακεδονία-Θράκη (κοιτάσματα Δράμας, Σαππών, Ορεστιάδας): MT1, MT2, MT3, MT4, MT5, MT6, MT7, MT8, 2. Θεσσαλία-Στερεά Ελλάδα (κοιτάσματα Ξυνιάδας, Αλμυρού, Ελασσόνας): TH1, TH2, TH3, TH4, TH5, TH6, TH7, TH8, 3. Πελοπόννησο (κοιτάσματα Πελλάνας, Μαγούλας): ΠΠ1, ΠΠ2, ΠΜ1, 4. Ήπειρο (κοίτασμα Ιωαννίνων): Ι1, Ι2, 5. Δυτική Κρήτη (κοίτασμα Πλακιά-Λευκογείων): ΚΠ1, ΚΠ2, ΚΠ3, ΚΠ4, ΚΠ5, τα οποία για οικονομικοτεχνικούς λόγους δεν είναι δυνατόν να χρησιμοποιηθούν για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, διότι παρότι βρίσκονται σε σχετικά μικρά βάθη, παρουσιάζουν περιορισμένη πλευρική εξάπλωση και είναι πλούσια σε ανόργανο υλικό. Τα δείγματα παρουσιάζουν ιδιαίτερη ανομοιομορφία λόγω της προέλευσής τους από διαφορετικές λεκάνες ιζηματογένεσης, καθώς και λόγω του διαφορετικού βαθμού ενανθράκωσης. Συγκεκριμένα τα δείγματα: 1. ΤΗ1, ΤΗ2 και ΤΗ3 κατατάσσονται στην κατηγορία της τύρφης, 2. ΜT1, MT2, MT3 στην κατηγορία του τυρφοειδούς λιγνίτη, 3. MT4, MT5, MT6, MT7, MT8, TH4, TH5, TH6, TH7, TH8, ΠΠ1, ΠΠ2, ΠΜ1, Ι1, Ι2, ΚΠ3 και ΚΠ4 στην κατηγορία του λιγνίτη, και 4. ΚΠ1, ΚΠ2 και ΚΠ5 στην κατηγορία των υποβιτουμενιούχων γαιανθράκων. Στην πλειοψηφία τους ταξινομούνται στον matrix έως και matrix-ορυκτομιγή λιθότυπο, με εξαίρεση τα δείγματα ΤΗ7 και ΤΗ8, τα οποία ταξινομούνται στον ξυλιτικό λιθότυπο. Προκειμένου να εκτιμηθεί η δυνατότητα εφαρμογής των ως άνω δειγμάτων στον αγροτικό/φυτοκομικό τομέα ως εδαφοβελτιωτικών ή/και ως πρώτη ύλη για την παραγωγή οργανοχουμικών λιπασμάτων πραγματοποιήθηκαν στο πλαίσιο της παρούσας διατριβής προσεγγιστική και στοιχειακή ανάλυση, προσδιορίστηκαν εργαστηριακά συγκεκριμένες φυσικές και χημικές ιδιότητες (πορώδες, υδροπερατότητα, υδατοϊκανότητα, σημείο μάρανσης, pH, ηλεκτρική αγωγιμότητα, CEC, ρυθμός ανοργανοποίησης αζώτου), ορυκτολογικοί προσδιορισμοί, προσδιορισμοί ανόργανης γεωχημείας (συγκέντρωση ολικών και ευδιάλυτων στοιχείων και ιχνοστοιχείων) και προσδιορισμοί οργανικής γεωχημείας (περιεκτικότητα χουμικών συστατικών, περιεκτικότητα σε ομάδες COOH και OH, FTIR, py-GC/MS). Παράλληλα ένα τμήμα των δειγμάτων χρησιμοποιήθηκε για τη διενέργεια πειραματικής φύτευσης.Από την εξέταση των αποτελεσμάτων των ως άνω αναλύσεων, τη στατιστική επεξεργασίας τους, καθώς και την εφαρμογή πολυκριτηριακής μεθόδου λήψης αποφάσεων (αναλυτική ιεραρχική διαδικασία) διαπιστώθηκαν τα κάτωθι: 1. Εκ του συνόλου των 26 δειγμάτων γαιάνθρακα, συγκριτικά καταλληλότερα για τη χρήση τους ως εδαφοβελτιωτικών θεωρούνται τα δείγματα τυρφοειδούς λιγνίτη ΜΤ3, ΜΤ2 και ΜΤ1, τα οποία κατέγραψαν τους πιο υψηλούς δείκτες ποιότητας. Ικανοποιητική απόδοση δύνανται να παράσχουν και τα δείγματα λιγνίτη Ι1 και TH4 αντίστοιχα, καθώς και το δείγμα τύρφης ΤΗ3. Τα διακριθέντα δείγματα ΜΤ1, ΜΤ2, ΜΤ3, ΤΗ3, ΤΗ4 και Ι1 συνιστούν χαμηλού βαθμού ωρίμανσης γαιάνθρακες με βαθμό ενανθράκωσης στην κατηγορία της τύρφης (ΤΗ3) και του τυρφώδους λιγνίτη ή/και λιγνίτη (ΜΤ1, ΜΤ2, ΜΤ3, ΤΗ4, Ι1). Χαρακτηρίζονται από matrix λιθότυπο, που υποδηλώνει την προέλευσή τους κυρίως από ποώδη ή/και δενδρώδη βλάστηση με μη ανθεκτικό ιστό. Πρόκειται για δείγματα, στα οποία η διεργασία της χουμοποίησης είναι έντονη, ενώ η ενανθράκωση βρίσκεται σε πρώιμο στάδιο, και τα οποία συνίστανται από οργανικό υλικό χαμηλού βαθμού συμπύκνωσης με σημαντικό ποσοστό σχετικά αναλλοίωτων φυτικών υπολειμμάτων. 2. Εκ του συνόλου των 26 δειγμάτων γαιάνθρακα αντικείμενο περαιτέρω διερεύνησης, ως προς τη δυνατότητα αξιοποίησής τους στην παραγωγή οργανοχουμικών λιπασμάτων, θα μπορούσαν να αποτελέσουν πρωτίστως τα δείγματα ΤΗ4, ΜΤ3, ΤΗ7, ΜΤ6, ΜΤ2 και ΤΗ6, τα οποία παρουσιάζουν περιεκτικότητα σε χουμικά συστατικά (>50% κ.β.), σε επίπεδα που δύνανται να χαρακτηριστούν ως εμπορικά εκμεταλλεύσιμα.