التحقيق الآلي لامتصاص نيتروجين الأمونيوم على البيوأحجار الناتجة عن التحلل الحراري منخفض الدرجة لأعواد القطن استنادًا إلى حسابات DFT

تحويل نفايات المزارع إلى مياه نقية وأسمدة

في جميع أنحاء العالم، تولّد منشآت تربية الماشية الكبيرة مياه صرف غنية بالنيتروجين. إذا لم يُحتجز هذا النيتروجين، فقد يتسرب إلى الأنهار والمياه الجوفية، مما يغذي ازدهار الطحالب ويُلوّث مياه الشرب. وفي الوقت نفسه، يحرق المزارعون أو يتخلصون من كميات كبيرة من بقايا المحاصيل مثل أعواد القطن. تستكشف هذه الدراسة طريقة لمعالجة المشكلتين معًا: تحويل أعواد القطن إلى مادة تشبه الفحم البسيط تستطيع استخلاص الأمونيوم، وهو شكل رئيسي من النيتروجين، من مياه صرف الحيوانات ثم إعادته إلى التربة كأسمدة بطيئة الإطلاق.

من حقول القطن إلى حبيبات الفحم

جمع الباحثون بقايا أعواد القطن من شينجيانغ في الصين وقاموا بتسخينها في فرن منخفض الأكسجين عند درجات حرارة معتدلة نسبيًا بين 250 و350 درجة مئوية. تُعرف هذه العملية بالتحلل الحراري (البيروقليز)، وتحوِّل المادة النباتية إلى بيوأحجار، وهو صلب غني بالكربون. أنتج الفريق عدة عينات، بما في ذلك عينة متميزة أُعدت عند نحو 300 درجة مئوية وحُدّدت باسم CS300II. وبعد ذلك اختبروا قدرة كل بيوأحجار على امتصاص الأمونيوم من الماء، وقاسوا بدقة خصائص مثل مساحة السطح وحجم المسام ومحتوى الرماد وأنواع المجموعات الكيميائية على السطح.

كيف يعمل الفحم في المياه الحقيقية والمختبرية

في محاليل مخبرية بسيطة تحتوي فقط على الأمونيوم، أدت بيوأحجار CS300II أفضل أداء، حيث التقطت نحو 4.3 ملليغرام من نيتروجين الأمونيوم لكل غرام من الفحم واتّبعت نماذج امتصاص معروفة تصف طبقة متجانسة من الأمونيوم على السطح. وعلى الرغم من أن هذه السعة متواضعة مقارنةً بالمواد المتقدمة المصممة تقنيًا، فإن البيوأحجار رخيصة، مصنوعة من نفايات، وتتطلب طاقة قليلة للإنتاج. عندما تعرضت نفس المادة لمياه روث الأبقار الحقيقية، انخفض أداؤها إلى نحو 40–60 بالمئة من القيمة المخبرية. والسبب أن مياه الصرف الحقيقية تحتوي أيضًا على كميات كبيرة من أيونات موجبة أخرى مثل البوتاسيوم والكالسيوم والصوديوم والمغنيسيوم، والتي تتنافس مع الأمونيوم على مواقع الربط المحدودة على سطح الفحم.

لماذا تهم درجة الحرارة "المناسبة تمامًا"

أظهرت صور المجهر والقياسات الأساسية أن جميع البيوأحجار الناتجة عند درجات الحرارة المنخفضة تمتلك مساحات سطح ضئيلة للغاية مقارنةً بالفحوم النشطة النموذجية. وهذا يعني أن الفحم لا يعمل بشكل أساسي عن طريق احتجاز الأمونيوم في مسام دقيقة، بل عن طريق تفاعلات كيميائية على سطحه. مع ارتفاع درجة التحلل الحراري، أصبح البيوأحجار أغنى بالكربون وأكثر سلبية الشحنة، وزاد محتواه من الرماد—الذي يحتوي معادن مثل البوتاسيوم والكالسيوم. وفي الوقت نفسه، تآكلت بعض المجموعات الحاوية على الأكسجين المفيدة تدريجيًا، مثل مجموعات الكربوكسيل والهيدروكسيل. وصلت عينة CS300II إلى نقطة توازن: محتوى معدني وشحنة سالبة كافيتان لجذب وتبادل الأيونات، مع احتفاظها أيضًا بكمية وافرة من مجموعات السطح التفاعلية لربط الأمونيوم.

ماذا يحدث على المقياس الذري

لنظر تحت القياسات الشاملة، جمع الفريق عدة تقنيات طيفية مع حسابات كيميائية كمومية. كشفت قياسات الأشعة السينية وتحت الحمراء قبل وبعد تعرض المادة للأمونيوم أن أملاح المعادن على البيوأحجار تذوب وتتبادل مواقعها مع الأمونيوم في الماء، وأن مجموعات الأكسجين الرئيسية على السطح تضعف أثناء ارتباطها بالنيتروجين. رتبت الحسابات، التي أجريت على أسطح مبسطة نماذجية، المجموعات الكيميائية المختلفة حسب قوة قابليتها لاحتجاز الأمونيوم. برزت مجموعتان: ذرات نيتروجين شبيهة بالبيريدين مدمجة في إطار الكربون، ومجموعات الكربوكسيل. تشكل هذه المواقع روابط هيدروجينية قوية وجذبًا كهربائيًا مع الأمونيوم، مما يمنحها حصة أكبر من العمل مقارنةً بمجموعات أخرى مثل الهيدروكسيلات البسيطة.

إغلاق الحلقة من مياه الصرف إلى المحاصيل

تشير التجارب والحسابات معًا إلى صورة متعددة المراحل لكيفية التصاق الأمونيوم ببيوأحجار أعواد القطن الناتجة عن التحلل الحراري منخفض الدرجة. أولًا، تتبادل أيونات المعادن في رماد الفحم مواقعها مع الأمونيوم في الماء. ثم تجذب المواقع ذات الشحنة السالبة والمجموعات الكيميائية المحددة الأمونيوم وتقيده عبر الجذب الكهربائي والروابط الهيدروجينية، مع تلعب القوى الأضعف دورًا داعمًا. يمكن نشر الفحم المحمّل بالأمونيوم مباشرة على الحقول، حيث يطلق النيتروجين ببطء للنباتات وقد يساعد في خفض انبعاثات غازات الدفيئة من استخدام الأسمدة. وبينما هناك حاجة لمزيد من العمل على الثبات طويل الأمد والأداء على نطاق واسع، تضع هذه الدراسة قواعد تصميم واضحة—وخاصة أهمية النيتروجين الشبيه بالبيريدين ومجموعات الكربوكسيل—لتحويل بقايا المحاصيل البسيطة إلى أدوات فعالة لتنقية المياه وإعادة تدوير المغذيات.

الاستشهاد: Li, S., Li, P., Jia, L. et al. Mechanistic investigation of ammonium nitrogen adsorption on low-temperature pyrolysis cotton stalk biochar based on DFT calculations. Sci Rep 16, 11965 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-41396-4

الكلمات المفتاحية: البيوأحجار, إزالة الأمونيوم, مياه صرف الماشية, استعادة المغذيات, أعواد القطن