Investigación mecanística de la adsorción de nitrógeno amoniacal en biochar de residuos de algodón sometido a pirólisis a baja temperatura basada en cálculos DFT

Convertir los residuos agrícolas en agua limpia y fertilizante

En todo el mundo, las grandes explotaciones ganaderas generan aguas residuales ricas en nitrógeno. Si este nitrógeno no se captura, puede filtrarse a ríos y acuíferos, alimentando proliferaciones de algas y contaminando el agua potable. Al mismo tiempo, los agricultores queman o descartan montones de residuos de cosecha como los tallos de algodón. Este estudio explora una forma de abordar ambos problemas a la vez: transformar los tallos de algodón en un material similar al carbón vegetal que puede extraer el amonio, una forma clave de nitrógeno, de las aguas residuales animales y luego devolverlo al suelo como fertilizante de liberación lenta.

De los campos de algodón a pellets de carbón

Los investigadores recogieron tallos de algodón sobrantes en Xinjiang, China, y los calentaron en un horno con bajo contenido de oxígeno a temperaturas relativamente moderadas entre 250 y 350 grados Celsius. Este proceso, conocido como pirólisis, convierte la materia vegetal en biochar, un sólido rico en carbono. El equipo produjo varias versiones, incluida una muestra destacada obtenida cerca de 300 grados Celsius, denominada CS300II. A continuación evaluaron cuánto amonio podía adsorber cada biochar del agua y midieron con detalle propiedades como área superficial, tamaño de poro, contenido de ceniza y los tipos de grupos químicos en la superficie.

Cómo funciona el carbón en aguas de laboratorio y reales

En soluciones de laboratorio sencillas que contenían solo amonio, el biochar CS300II fue el que mejor rendimiento presentó, capturando alrededor de 4,3 miligramos de nitrógeno amoniacal por gramo de carbón y ajustándose bien a modelos de adsorción conocidos que describen una capa uniforme de amonio en la superficie. Aunque esta capacidad es modesta comparada con materiales de alta tecnología, el biochar es barato, se fabrica a partir de residuos y requiere poca energía para producirse. Cuando el mismo material se expuso a aguas residuales reales de estiércol de vaca, su rendimiento cayó hasta aproximadamente el 40–60 % del valor medido en laboratorio. La razón es que las aguas residuales reales también contienen grandes cantidades de otros iones cargados positivamente, como potasio, calcio, sodio y magnesio, que compiten con el amonio por los limitados sitios de unión en la superficie del carbón.

Por qué importa una temperatura “justa”

Imágenes de microscopía y mediciones básicas mostraron que todos los biochars de baja temperatura tenían áreas superficiales extremadamente pequeñas en comparación con los carbones activados típicos. Esto significa que el carbón no actúa principalmente atrapando amonio en poros minúsculos, sino mediante interacciones químicas en su superficie. A medida que aumentaba la temperatura de pirólisis, el biochar se volvía más rico en carbono y más cargado negativamente, y su contenido de ceniza —con minerales como potasio y calcio— crecía. Al mismo tiempo, algunos grupos oxigenados útiles, como carboxilos e hidroxilos, se iban quemando gradualmente. La muestra CS300II alcanzó un punto óptimo: suficiente contenido mineral y carga negativa para atraer e intercambiar iones, conservando al mismo tiempo un número significativo de grupos reactivos en la superficie para unirse al amonio.

Qué ocurre a escala atómica

Para asomarse más allá de las medidas macroscópicas, el equipo combinó varias técnicas espectroscópicas con cálculos de química cuántica. Mediciones de rayos X e infrarrojo antes y después de la exposición al amonio revelaron que las sales minerales en el biochar se disuelven e intercambian lugar con el amonio en el agua, y que los grupos oxigenados clave en la superficie se debilitan al unirse al nitrógeno. Los cálculos, realizados sobre superficies modelo simplificadas, jerarquizaron distintos grupos químicos según la fuerza con que podían retener el amonio. Dos destacaron: átomos de nitrógeno de tipo piridina incorporados en la estructura de carbono y grupos carboxilo. Estos sitios forman fuertes enlaces de hidrógeno y atracciones electrostáticas con el amonio, dándoles una mayor participación en el trabajo que otros grupos como los hidroxilos simples.

Cerrar el ciclo desde las aguas residuales hasta los cultivos

En conjunto, los experimentos y los cálculos apuntan a una imagen en varios pasos de cómo se adhiere el amonio al biochar de tallos de algodón sometido a baja temperatura. Primero, los iones minerales en la ceniza del carbón intercambian lugar con el amonio en el agua. Luego, sitios cargados negativamente y grupos químicos específicos en la superficie atraen al amonio y lo retienen mediante atracciones electrostáticas y enlaces de hidrógeno, con fuerzas más débiles que desempeñan un papel de apoyo. El biochar cargado de amonio resultante puede esparcirse directamente sobre los campos, donde libera lentamente nitrógeno para los cultivos y puede ayudar a reducir las emisiones de gases de efecto invernadero asociadas al uso de fertilizantes. Aunque se necesita más trabajo sobre la estabilidad a largo plazo y el rendimiento a gran escala, este estudio establece reglas de diseño claras —especialmente la importancia del nitrógeno de tipo piridina y de los grupos carboxilo— para convertir residuos agrícolas simples en herramientas eficaces para limpiar el agua y reciclar nutrientes.

Cita: 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

Palabras clave: biochar, eliminación de amonio, aguas residuales ganaderas, recuperación de nutrientes, restos de algodón