Mechanistische Untersuchung der Ammonium-Stickstoffadsorption an Biokohle aus Kotonstroh bei niedriger Pyrolysetemperatur auf Basis von DFT-Berechnungen

Bauernabfälle in sauberes Wasser und Dünger verwandeln

Weltweit erzeugen große Viehhaltungen Abwässer mit hohem Stickstoffgehalt. Wenn dieser Stickstoff nicht gebunden wird, kann er in Flüsse und Grundwasser gelangen, dort Algenblüten fördern und Trinkwasser verunreinigen. Gleichzeitig verbrennen oder entsorgen Landwirte große Mengen Ernterückstände wie Baumwollstängel. Diese Studie untersucht einen Weg, beide Probleme zugleich anzugehen: Baumwollstängel in ein einfaches, kohleähnliches Material zu verwandeln, das Ammonium, eine bedeutende Stickstoffform, aus Tierabwasser entfernt und anschließend als langsam wirkenden Dünger wieder in den Boden zurückgeben kann.

Vom Baumwollfeld zu Kohlepellets

Die Forschenden sammelten Rest-Baumwollstängel aus Xinjiang, China, und erwärmten sie in einem sauerstoffarmen Ofen bei vergleichsweise niedrigen Temperaturen zwischen 250 und 350 Grad Celsius. Dieser Prozess, Pyrolyse genannt, wandelt Pflanzenmaterial in Biokohle um, einen kohlenstoffreichen Feststoff. Das Team stellte mehrere Varianten her, darunter eine besonders leistungsfähige Probe bei knapp 300 °C, bezeichnet als CS300II. Anschließend prüften sie, wie gut jede Biokohle Ammonium aus Wasser aufnehmen konnte, und bestimmten sorgfältig Eigenschaften wie Oberfläche, Porengröße, Aschegehalt und die Arten chemischer Gruppen auf der Oberfläche.

Wie die Kohle in Labor- und realen Wässern wirkt

In einfachen Laborlösungen, die nur Ammonium enthielten, schnitt die CS300II-Biokohle am besten ab: Sie nahm etwa 4,3 Milligramm Ammonium-Stickstoff pro Gramm Kohle auf und folgte bekannten Adsorptionsmodellen, die eine gleichmäßige Schicht von Ammonium auf der Oberfläche beschreiben. Obwohl diese Kapazität im Vergleich zu hochentwickelten, konstruierten Materialien moderat ist, ist die Biokohle günstig, aus Abfall hergestellt und benötigt wenig Energie zur Produktion. Wurde dasselbe Material echter Kuhmistabwässer ausgesetzt, sank die Leistung auf etwa 40–60 Prozent des Laborwerts. Der Grund liegt darin, dass das reale Abwasser auch große Mengen anderer positiv geladener Ionen wie Kalium, Calcium, Natrium und Magnesium enthält, die mit Ammonium um die begrenzten Bindungsstellen auf der Kohleoberfläche konkurrieren.

Warum eine „gerade richtige“ Temperatur wichtig ist

Mikroskopische Bilder und einfache Messungen zeigten, dass alle Biokohlen bei niedriger Temperatur im Vergleich zu typischen Aktivkohleprodukten extrem kleine Oberflächen hatten. Das bedeutet, dass die Kohle nicht hauptsächlich durch Einschluss von Ammonium in winzigen Poren wirkt, sondern durch chemische Wechselwirkungen an ihrer Oberfläche. Mit steigender Pyrolysetemperatur wurde die Biokohle kohlenstoffreicher und stärker negativ geladen, und ihr Aschegehalt – der Mineralien wie Kalium und Calcium enthält – nahm zu. Gleichzeitig wurden einige hilfreiche sauerstoffhaltige Gruppen, etwa Carboxyl- und Hydroxylgruppen, nach und nach verbrannt. Die CS300II-Probe traf einen günstigen Punkt: genug Mineralgehalt und negative Ladung, um Ionen anzuziehen und auszutauschen, bei gleichzeitigem Erhalt zahlreicher reaktiver Oberflächenfunktionen zur Bindung von Ammonium.

Was auf atomarer Ebene geschieht

Um unter die makroskopischen Messungen zu blicken, kombinierten die Forschenden mehrere spektroskopische Techniken mit quantenchemischen Berechnungen. Röntgen- und Infrarotmessungen vor und nach der Ammoniumexposition zeigten, dass Mineralsalze auf der Biokohle sich lösen und mit dem Ammonium im Wasser Plätze tauschen und dass wichtige sauerstoffhaltige Gruppen an der Oberfläche beim Binden von Stickstoff abgeschwächt werden. Die auf vereinfachten Modelloberflächen durchgeführten Berechnungen ordneten verschiedene chemische Gruppen danach, wie stark sie Ammonium halten können. Zwei Gruppen stachen hervor: pyridinähnliche Stickstoffatome, die in das Kohlenstoffgerüst eingebaut sind, und Carboxylgruppen. Diese Stellen bilden starke Wasserstoffbrücken und elektrostatische Anziehungen mit Ammonium und leisten damit einen größeren Beitrag als andere Gruppen wie einfache Hydroxyle.

Den Kreislauf von Abwasser zu Feldfrüchten schließen

Insgesamt ergeben Experimente und Rechnungen ein mehrstufiges Bild davon, wie Ammonium an Biokohle aus Baumwollstängeln bei niedriger Temperatur haftet. Zuerst tauschen Mineraliionen in der Asche der Kohle Plätze mit Ammonium im Wasser. Anschließend ziehen negativ geladene Stellen und spezifische chemische Gruppen auf der Oberfläche Ammonium an und halten es durch elektrostatische Anziehung und Wasserstoffbrücken, während schwächere Kräfte unterstützend wirken. Die so mit Ammonium beladene Kohle kann direkt auf Feldern ausgebracht werden, wo sie Stickstoff langsam freisetzt und möglicherweise die Treibhausgasemissionen durch Düngemitteleinsatz reduziert. Zwar sind weitere Untersuchungen zur Langzeitstabilität und zum großtechnischen Einsatz nötig, doch legt diese Studie klare Gestaltungsprinzipien nahe – insbesondere die Bedeutung pyridinähnlicher Stickstoff- und Carboxylgruppen – um einfache Ernterückstände in effiziente Werkzeuge zur Wasserreinigung und Nährstoffrückgewinnung zu verwandeln.

Zitation: 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

Schlüsselwörter: Biokohle, Ammoniumentfernung, Abwasser aus der Tierhaltung, Nährstoffrückgewinnung, Kotttonstängel