“USOS SOSTENIBLES DEL BIOCARBÓN”
CONTENIDO 1
Introducción
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Economía Circular
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Biocarbón o Carbón Vegetal
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Biocarbón - Materia Prima
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Autoridades 5
Director CITEagroindustrial - Ica Manuel Morón Guillen Jefe Unidad Técnica CITEagroindustrial – Ica Juan Carlos Zamora Fuentes
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Especialista técnico Quím. Moisés Bozeta Quispe
4.1
Residuos agroforestales
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4.2
Residuos orgánicos urbanos
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4.3
Heces o material fecal
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Biocarbón como Subproducto
5
5.1
Biocombustible Líquido
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5.2
Gasificación
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Biocarbón y sus aplicaciones 6.1
Filtros de carbón
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6.2
Productos Aditivados
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6.3
Tamices moleculares
7
6.4
Catalizadores
7
6.5
Bioenergía
7
6.6
Agricultura
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6.6.1 6.6.2 6.6.3
Revisor técnico PhD. Hanna Cáceres Yparraguirre Quím. Esther Sánchez Fuentes 6.7
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Copyright © 2020 Boletín técnico 007-2020: “Usos sostenibles del biocarbón” Área: Laboratorio Agroindustrial. CITEagroindustrial Ica, Panamericana Sur Km. 293.2. Salas Guadalupe, Ica, Perú. Junio, 2020
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Mejorador del pH Absorción de agua Microbiota
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Cambio climático
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Referencias bibliográficas
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1 Introducción Siempre que se habla de cuestiones medioambientales y ecológicas están presentes estos dos términos; desarrollo sostenible o sustentable. Las diferentes alternativas a futuro hablan de un posible desarrollo sustentable o sostenible del planeta tierra, pero ¿qué quieren decir estos términos? Aplicados al campo de la economía, la ecología o el desarrollo y la responsabilidad social, el desarrollo sostenible y el desarrollo sustentable pueden considerarse palabras sinónimas. En realidad, si nos basamos en las raíces de ambas palabras, en un diccionario, estos términos son sinónimos, y ambos suelen utilizarse de forma indiferente, como si tuvieran significados “parecidos pero diferentes”. Una aplicación en común que podemos mencionar acerca de los conceptos de sustentabilidad y sostenibilidad, es que al hablar de ambos se alude a cualquier proceso que puede mantenerse sin afectar a la generación actual o futura, ya que el mismo debe ser perdurable en el tiempo sin mermar los recursos existentes en la actualidad.
2 Economía Circular La economía circular (Figura 2), centra su utilidad en la reutilización. Para ello es indispensable potenciar el reciclaje y el mercado de la segunda mano, los objetos usados o seminuevos y cualquier producto que pueda ser reutilizado de alguna u otra forma. En este sentido, también las reparaciones y arreglos vuelven a ser importantes. ¿A qué se debe? A que, de esta forma, aprovechando todo al máximo, se generan menos residuos. Por ello, el reciclaje de botellas de plástico o vidrio, cartón y otros elementos como aceites y excedentes agrícolas pueden ser muy beneficiosos para el medio ambiente y también para una floreciente industria circular basada en la reutilización de recursos. Gracias a estas prácticas hemos conocido empresas que se han empoderado y han crecido mucho basando su producción en las acciones para cuidar el medio ambiente. Como resultado, hemos descubierto métodos de producir. Por ejemplo:
Siempre que dudes entre si un sistema o propuesta es sustentable o sostenible, piensa en que una se enfoca más a la intervención humana, mientras que la otra definición se inclina hacia una idea de autosuficiencia. Finalmente, ambas se proyectan al futuro y son interdependientes. Por ello, una buena estrategia tiene que ser sustentable y sostenible en el tiempo (Figura 1). (Global STD, 2017)
Figura 1. Desarrollo Sostenible. CEGAA (2020)
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nuevos
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Pintura biodegradable no tóxica basada en la mezcla de cal con proteínas de leche, arcilla y pigmentos minerales.
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Paneles de reemplazo de madera. Se fabrican aprovechando los desechos del cultivo del trigo y del sorgo para mejorar la construcción sustentable.
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Azulejos. Ya se fabrican en base a cáscaras de coco.
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Cementos. El famoso cemento Portland ahora puede ser sustituido por cenizas de bagazo de caña de azúcar. De esta forma se obtiene un concreto más fuerte y más resistente a la corrosión.
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Vidrio. El vidrio, de momento, se puede reciclar fácilmente del propio material.
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Ladrillos y tejas. Se pueden fabricar aprovechando los residuos de la minería. De esta forma, elementos muy contaminantes
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pueden ser lavados y reconvertidos para no ser nocivos para el medio ambiente y se puedan usar para la construcción. Recordemos que se han generado millones y millones de toneladas de desechos mineros en los últimos años y estos están activos y contaminando hasta 3 siglos antes de que desaparezcan. ●
Paneles. Tanto paneles como azulejos se están desarrollando a partir del uso de botellas de plástico. Son excelentes aislantes del sonido.
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Hempcrete. Así es como se ha llamado a un tipo de cemento que mezcla agua con cal y cáñamo. Es un material de baja densidad que favorece la circulación de humedad y aire.
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Cartón. Gracias al cartón reciclado se ha podido incluso levantar una catedral en Nueva Zelanda, cuya estructura se basa en el uso de contenedores.
estiércol, a menudo son difíciles de lograr en suelos áridos debido a la disponibilidad de agua y la salinidad. Para mejorar la materia orgánica de los suelos áridos, deben desarrollarse métodos innovadores que no compitan con agua para la producción de cultivos, uno de estos métodos innovadores es convertir materiales de biomasa residual localmente disponibles en biocarbón para la aplicación al suelo. El biocarbón es un material de carbono orgánico predominantemente recalcitrante, creado cuando la biomasa se calienta a temperaturas entre 300 °C y 1000 ° C a bajas concentraciones de oxígeno (es decir, pirólisis). Dado que el carbono orgánico producido en el biocarbón es muy estable, la adición de biocarbón al suelo tiene el potencial de mejorar la calidad del suelo y el secuestro de carbono, lo cual es importante para mitigar el exceso de dióxido de carbono en la atmósfera. La aplicación de biocarbón (Figura 3) al suelo ha demostrado en diferentes estudios, que tienen impactos significativos en varios parámetros de calidad del suelo. (Zhang & Idowu, 2016).
Figura 2. Modelo de economía circular. Videplast (2013) Figura 3. Biocarbón de diferentes materias primas. University of California at Davis. (2015)
3 Biocarbón o Carbón Vegetal Los suelos áridos tienen mala calidad debido a niveles muy bajos de materia orgánica. La materia orgánica es muy central para la calidad de cualquier suelo y para mejorar la materia orgánica del suelo se realizan considerables esfuerzos para agregar materiales orgánicos al suelo. Las formas tradicionales para mejorar la materia orgánica del suelo, como el cultivo de cobertura, es dejar los residuos del cultivo después de la cosecha y aplicar
4 Biocarbón - Materia Prima El uso de biocarbón, como el proceso para su obtención se ha visto acrecentado con las nuevas tecnologías que existen, debido a esto no solo se usa con fines agrícolas sino a otros campos tecnológicos. Para ser usado como enmienda orgánica debe cumplir el requisito de tener bajo contenido metálico, alta materia orgánica, y bajo contenido de
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Hidrocarburos Aromáticos Policíclicos; por lo cual se puede obtener de cualquier biomasa que no compita con otros usos, principalmente si éstos generan productos de mayor valor económico.
la tierra para cultivos de energía dedicados, etc.) (López Cano, 2016).
4.3 Heces o material fecal Muchas investigaciones se están haciendo actualmente para obtener productos cada vez más asequibles y prácticos de sintetizar, en este objetivo se están recurriendo a optimizar el uso de heces humanas y de animales (Figura 4), como los de caballos, cerdos, pollos, o lodos de plantas depuradoras. (Antonious, 2018).
El biocarbón es un producto factible de ser obtenido sólo donde hay suficiente biomasa disponible, tal es el caso de los subproductos de actividades agroforestales, residuos orgánicos urbanos y materias fecales. Si se aplica biocarbón al suelo es indispensable considerar la Capacidad de Carga con Biocarbón (CCB) que es la cantidad máxima de carbono, en forma de biocarbón, que puede ser adicionada a los suelos de manera segura sin comprometer otras funciones de éste o del ambiente en general; sin embargo, no es claro cómo se determina esta cantidad, tampoco se sabe si la CCB varía en los biocarbones producidos por distintas materias primas y procesos, o si varía en diferentes tipos de suelos y condiciones ambientales.
Figura 4. Proceso de elaboración de Biocarbón con diferente materia fecal. UBI/MoBI (2009)
4.1 Residuos agroforestales No comprometen la productividad de las tierras agrícolas y es asequible. El secuestro de carbono del biocarbón devolvería los nutrientes y una proporción significativa del carbono de la materia prima original a los campos agrícolas. Una gran proporción de la energía de la materia prima todavía está en el biocarbón y su uso sin combustible tiene un costo, pero ofrece las siguientes ventajas sobre otras formas de biosecuestro, como por ejemplo la tecnología se puede implementar a varias escalas y esto puede permitir la utilización de un amplio espectro de biomasa desperdiciada.
5 Biocarbón como Subproducto 5.1 Biocombustible Líquido
4.2 Residuos orgánicos urbanos Una de las limitaciones para la incorporación de biocarbón en las prácticas agrícolas actuales es el costo de producción de biocarbón, asociado principalmente al uso de madera limpia como materia prima. Además, existen otras preocupaciones sociales y económicas asociadas con el uso de la madera para pirólisis y su competencia para otros usos (combustible, uso de
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El uso de biomasa para generar nuevos recursos de valor agregado tiene gran relevancia en la producción de Biocarbón, pero sin contaminar, un subproducto de ello son los bioles, obtenidos de la destilación seca de la materia prima y que se usa para generar energía. Su poder calorífico varía según provenga del tipo de insumo usado, siendo ellos no solo residuos agroindustriales, sino plásticos, heces fecales, etc., en general que sea orgánico. El sector de la producción de biocombustibles líquidos se ha visto afectado por la sostenibilidad de los combustibles a base de petróleo, como el diésel de girasol, que ya no son apoyados por la Comisión Europea (CE) al declararlos no sostenible debido a la competencia con los alimentos y el uso de suelo.
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La producción de biocombustibles (Figura 5) como el biodiesel y el bioetanol a partir de residuos, no son factibles debido a la falta de homogeneidad de la materia prima, a la imposibilidad del transporte a gran escala a las biorrefinerías y a los contaminantes. Ya existen algunas empresas que aprovechan esta oportunidad para ofrecer productos que sean competitivos y que superen estas desventajas, ofreciendo un producto refinado, homogéneo, fácilmente transportable y comercializable. Gracias a su bajo costo y a la alta calidad, estos productos atraen cada vez más el interés del sector de los biocombustibles líquidos.
de las condiciones de preparación y materia prima inicial (Figura 6). (Duran & Gamiz, 2016).
Figura 6. Diseño de filtro de carbón. Mercado libre. (Sf.)
6.2 Productos Aditivados Figura 5. Obtención de Biocombustible. MGIRED (2014)
5.2 Gasificación Es el proceso por el cual una materia prima rica en carbono (carbón, petróleo o biomasa) es mayoritariamente convertida en un flujo de CO e H2 a altas temperaturas y en un ambiente oxigenado controlado, a veces a altas presiones de entre 15-50 bares. El principal producto es el syngas (mezcla de CO e H2), el cual puede ser usado para generación de electricidad u otros fines energéticos. (Paco Abenza, 2012).
El fósforo (P) es uno de los nutrientes que más limita la productividad agrícola, especialmente en suelos tropicales. El biocarbón enriquecido (Figura 7) se ha propuesto para aumentar la biodisponibilidad de fósforo (P) y otros nutrientes en el suelo (…) mediante pirólisis combinando suelo arenoso o arcilloso con cáscara de arroz o café, y agregando superfosfato triple antes o después de pirólisis. (Goncalves Matoso, 2019).
6 Biocarbón y sus aplicaciones 6.1 Filtros de carbón El biocarbón es un material rico en carbono obtenido a partir de biomasa mediante un proceso de pirólisis, que se ha demostrado puede ser buen adsorbente de contaminantes orgánicos y metales pesados, capacidad que depende principalmente
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Figura 7. Biocarbón con diferentes adiciones. Tsuchiya & Yoshida (2017)
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6.3 Tamices moleculares El gas metano, como uno de los principales biogases en un proceso de descomposición anaerobia, es una fuente potencial de energía renovable para la producción de energía. El biocarbón se puede usar fácilmente para purificar contaminantes del biogás como H2S y CO2 (…) se considera que las propiedades fisicoquímicas del biocarbón justifican el rendimiento de adsorción. La capacidad de penetración de H2S y CO2 se relaciona tanto con la adsorción de la superficie como con la reacción química. El biocarbón como tamiz molecular, es un material prometedor para la industria de la purificación de biogás. (Sethupathi & Zang, 2017).
Figura 9. Catalizador a nivel nanométrico. Sciences World (Sf.)
6.5 Bioenergía
Figura 8. Diseño de trampa de gases con biocarbón. Ecotec (Sf.)
6.4 Catalizadores El uso de biocarbón como un soporte de catalizador verde y versátil para aplicaciones emergentes de alta gama más allá de la remediación del suelo, incluye la síntesis química y la producción de biodiesel a partir de biomasa, y la degradación de contaminantes en el medio ambiente. Sus rendimientos catalíticos son comparables o incluso superiores a los catalizadores convencionales basados en resina, sílice o carbono, debido a las características intrínsecas favorables del biocarbón (diversos grupos funcionales, intrincadas redes de estructuras, etc.). (Xiong & Yu, 2017).
La producción de biocarbón a partir de la biomasa residual generada en procesos agroindustriales constituye una importante alternativa para mejorar el desempeño ambiental y económico de este sector. (Herdia Salgado & Tarelho, 2018) El Biocarbón de Ingelia es un biocombustible de alta calidad, con un valor calorífico en un rango de 20-24 Mj/kg, y una densidad aparente de alrededor de 750 kg/m3. Gracias a la sostenibilidad de la planta HTC de Ingelia, toda la cadena de valor del producto es una de las más sostenibles del mercado. Utilizando 1 tonelada de biocarbón de Ingelia como combustible sólido sustituyendo al carbón fósil aporta una reducción de 2,2 kg de CO2 por kg de Biocarbón utilizado. Además, al ser producida a partir de restos orgánicos, el Biocarbón de Ingelia tiene una contribución aún mayor a las reducciones globales de emisiones, ya que evita las emisiones en vertederos y no afecta al uso de suelo. (Ingelia, 2019).
Figura 10. Obtención de Energía. Insores (Sf.)
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6.6 Agricultura El biocarbón es un derivado carbonado estable producido a partir de biomasa vegetal y/o animal, para su aplicación en agricultura sostenible. El Biocarbón se produce bajo condiciones térmicas reductoras. El biocarbón debe poseer una calidad bien definida y controlada. 6.6.1
Mejorador del pH La principal propiedad que le confiere el biocarbón al suelo es su recalcitrancia (alcalinidad). Es por eso de gran importancia, ya que tanto plantas como microorganismos dependen del medio en el que se encuentren (ácido, básico, neutro). Un suelo con pH de 6 a 7 presenta mejor régimen biológico (ver figura 11), debido a que la disponibilidad de nutrientes es favorable a comparación de un suelo ácido o básico.
Figura 11. Estabilidad del pH del suelo. Milenio (2019)
6.6.2
La acidez del suelo es normal en zonas donde la precipitación es alta, generalmente la acidificación de los suelos trae problemas asociados a toxicidad de aluminio, fijación de fósforo, deficiencia de calcio y deficiencia de microelementos disponibles para las plantas; los suelos alcalinos son típicos de zonas áridas y semiáridas. Los cambios de pH en el suelo pueden ser causados por diferentes factores como el aumento de hidrógeno adsorbido o el aumento de bases adsorbidas; De acuerdo a esto, los suelos se clasifican según los niveles de pH que presenten; la acidez del suelo se refiere a valores que pueden llegar a ser de 3,5. Un suelo neutro presenta valores de pH de 6,6 a 7,3; suelos con este valor de pH se consideran óptimos para la agricultura, ya que a estos valores la disponibilidad de nutrientes es alta. Un suelo básico muestra valores mayores a 7,4 y al igual que los suelos alcalinos cuyo valor de pH es de 9,0, presentan altas concentraciones de carbonatos y bicarbonatos. (Nates Ocampo, 2014).
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Absorción de agua La adición de biocarbón al suelo puede tener efectos directos e indirectos sobre la retención de agua en el suelo, que puede ser de corta o larga duración. El efecto directo está relacionado con su gran área superficial interna y la gran cantidad de poros residuales, donde el agua es retenida por capilaridad (ver Figura 12). Esto mejora la porosidad general del suelo y aumenta el contenido de agua del suelo, disminuyendo la movilidad del agua y reduciendo el estrés hídrico en las plantas. Un efecto indirecto es la mejora de la agregación y la estructura del suelo, lo que afecta la capacidad de retención de agua del suelo, muchos estudios apoyan este fundamento y ya se vienen efectuando investigaciones al respecto. El biocarbón es un material sólido formado durante los procesos de descomposición termoquímica de biomasa. Este compuesto orgánico tiene propiedades particulares que pueden causar efectos en los suelos dependiendo de su materia prima y las condiciones de procesamiento. Por lo tanto, las características y el propósito de uso de este material deben reconocerse antes de su uso. (Sonson Gonding & Rodriguez Munis, 2018).
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minador de hojas de castaño de indias en los árboles, el fusarium en el césped y la estera de la raíz en los tomates, y las presiones ambientales, incluidas las sequías y el choque de trasplantes en ensayos controlados.
Figura 12. Capacidad de retención de humedad. Wakefield BioChar (Sf.)
6.6.3
Microbiota La enmienda Biocarbón a los suelos es una estrategia propuesta para mejorar la fertilidad del suelo y mitigar el cambio climático. Sin embargo, antes de que esto pueda convertirse en una práctica de gestión recomendada, se necesita una mejor comprensión de los impactos de biocarbón en la biota del suelo.
Figura 13. Microorganismos de las raíces. Myco Solutions (Sf.)
6.7 Cambio climático
La aplicación de biocarbón como estrategia específica para gestionar la biota del suelo (ver Figura 13) es un tema de creciente interés y cambios involuntarios de la biota del suelo como resultado de la aplicación de biocarbón es igualmente de fuerte preocupación. Esta línea de investigación es importante, ya que la salud y La diversidad de las poblaciones microbianas del suelo es crítica para la función del suelo y servicios ecosistémicos, que a su vez tienen implicaciones para el suelo estructura y estabilidad, ciclo de nutrientes, aireación, eficiencia en el uso del agua, resistencia a enfermedades y capacidad de almacenamiento del Carbono. Ya existen productos a base de biocarbón que están enriquecidos con hongos, bacterias beneficiosas y minerales traza. Se ha demostrado que las plantas tratadas tienen una mayor tolerancia a plagas y enfermedades, incluida la muerte de barrenos, los hongos de miel, el
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La quema y descomposición natural de biomasa y en particular los desechos agrícolas envían grandes cantidades de CO2 a la atmósfera. Dado que biocarbón es un material estable, fijo, puede almacenar enormes cantidades de gases de invernadero en el suelo por siglos, reduciendo potencialmente el aumento en los niveles de gases de invernadero atmosférico. Ver figura 14. Según cálculos la reducción de emisiones puede ser 12 a 84% mayor si el biocarbón es reincorporado en el suelo en lugar de quemarse para uso como combustible fósil. Por lo tanto, el secuestro con biocarbón ofrece una oportunidad para mover la bioenergía hacia una industria de carbono negativo.
Figura 14. Reducción de emisión de CO2. Picture Alliance (Sf.)
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7 Referencias bibliográficas Sethupathi, S., & Zang, M. (2017). Biochars como posibles adsorbentes de CH 4 , CO 2 y H 2 S. Sustentabilidad.
química, producción de biocombustibles y control de la contaminación. Tecnología Ambiental, 254-270. Zhang, Y., & Idowu, O. J. (2016). Using Agricultural Residue Biochar to Improve Soil. Agricultura.
Antonious, G. F. (2018). Agricultural Waste and Residues. Intechopen. Duran, E., & Gamiz, B. (2016). Ensayos con biocarbones procedentes de residuos de almazara y orujera para la eliminación de contaminantes en aguas. V Jornadas de la Red Española de Compostaje. Global STD (2017). Diferencias entre sustentabilidad y sostenibilidad. Blog obtenido de https://www.globalstd.com/blog/diferencias-entresustentabilidad-y-sostenibilidad/ Goncalves Matoso, E. C. (2019). Síntesis de biochar enriquecido como vehículo para el fósforo en suelos tropicales. Acta amazónica. Heredia Salgado, M. A., & Tarelho, L. A. (2018). Biochar production as an alternative for energetic valorization or residual biomass generated in the Ecuadorian agroindustrial sector. Dialnet plus, 6-11. Ingelia. (diciembre de 2019). Ingelia. Obtenido de https://ingelia.com/index.php/sostenibilidadmedioambiental/biocarbon/ Lopez Cano, I. (2016). Evaluación Agronómica y Ambiental del uso Agrícola del biochar. Universidad de Murcia. Nates Ocampo, E. M. (2014). Evaluación del efecto de biocarbón en el suelo y la calidad. Pontificia Universidad Javeriana, 1-44 Paco Abenza, D. (2012). Evaluación de efectos de varios tipos de biochar en suelo y planta. Universidad Autónoma de Barcelona. Sonson Gonding, R., & Rodriguez Munis, C. (2018). Explicando la capacidad de retención de agua de biochar escaneando imágenes de microscopio electrónico. Caatinga. Xiong, X., & Yu, I. K. (2017). Una revisión de catalizadores basados en biochar para síntesis
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