Investigation mécanistique de l'adsorption de l'azote ammonium sur biochar de tiges de coton pyrolysé à basse température basée sur des calculs DFT

Transformer les déchets agricoles en eau propre et en engrais

Dans le monde entier, de grandes exploitations d’élevage produisent des eaux usées riches en azote. Si cet azote n’est pas capté, il peut se déverser dans les rivières et les nappes phréatiques, favorisant les proliférations d’algues et contaminant l’eau potable. Parallèlement, les agriculteurs brûlent ou jettent d’énormes quantités de résidus de récolte tels que les tiges de coton. Cette étude explore une solution pour s’attaquer à ces deux problèmes simultanément : transformer les tiges de coton en un matériau proche du charbon qui peut extraire l’ammonium, une forme clé de l’azote, des eaux usées animales, puis le restituer au sol sous forme d’engrais à libération lente.

Des champs de coton aux granulés de charbon

Les chercheurs ont collecté des tiges de coton résiduelles au Xinjiang, en Chine, et les ont chauffées dans un four à faible teneur en oxygène à des températures relativement modérées comprises entre 250 et 350 degrés Celsius. Ce procédé, appelé pyrolyse, convertit la matière végétale en biochar, un solide riche en carbone. L’équipe a produit plusieurs variantes, dont un échantillon remarquable préparé autour de 300 °C, désigné CS300II. Ils ont ensuite testé la capacité de chaque biochar à absorber l’ammonium en solution, et ont mesuré avec précision des propriétés telles que la surface spécifique, la taille des pores, la teneur en cendres et les types de groupes chimiques présents à la surface.

Comment le charbon agit en eaux réelles et en solution-test

Dans des solutions de laboratoire simples contenant uniquement de l’ammonium, le biochar CS300II a montré la meilleure performance, capturant environ 4,3 milligrammes d’azote sous forme d’ammonium par gramme de charbon et suivant des modèles d’adsorption bien connus décrivant une couche uniforme d’ammonium à la surface. Bien que cette capacité soit modeste comparée à des matériaux haute technologie, le biochar est peu coûteux, fabriqué à partir de déchets et requiert peu d’énergie pour sa production. Lorsque le même matériau a été exposé à de véritables eaux usées de lisier bovin, sa performance a chuté à environ 40–60 % de la valeur observée en laboratoire. La raison tient au fait que ces eaux usées contiennent également de fortes concentrations d’autres ions positifs tels que le potassium, le calcium, le sodium et le magnésium, qui entrent en compétition avec l’ammonium pour les sites de fixation limités à la surface du charbon.

Pourquoi une température « juste suffisante » compte

Les images au microscope et les mesures de base ont montré que tous les biochars produits à basse température possédaient des surfaces spécifiques extrêmement faibles comparées aux charbons activés habituels. Cela signifie que le charbon n’agit pas principalement en piégeant l’ammonium dans de minuscules pores, mais par des interactions chimiques à sa surface. À mesure que la température de pyrolyse augmentait, le biochar devenait plus riche en carbone et plus chargé négativement, et sa teneur en cendres — contenant des minéraux comme le potassium et le calcium — augmentait. En parallèle, certains groupes porteurs d’oxygène utiles, tels que les groupes carboxyle et hydroxyle, étaient progressivement oxydés. L’échantillon CS300II a trouvé un compromis : suffisamment de minéraux et de charge négative pour attirer et échanger des ions, tout en conservant un nombre appréciable de groupes de surface réactifs pour fixer l’ammonium.

Ce qui se passe à l’échelle atomique

Pour regarder au-delà des mesures bulk, l’équipe a combiné plusieurs techniques spectroscopiques avec des calculs de chimie quantique. Les mesures par rayons X et infrarouges, réalisées avant et après exposition à l’ammonium, ont révélé que les sels minéraux présents dans les cendres du biochar se dissolvent et échangent leur place avec l’ammonium en solution, et que les principaux groupes contenant de l’oxygène à la surface s’affaiblissent lorsqu’ils lient l’azote. Les calculs, effectués sur des surfaces modèles simplifiées, ont classé différents groupes chimiques selon leur capacité à retenir l’ammonium. Deux se sont distingués : les atomes d’azote de type pyridine intégrés dans le réseau carboné, et les groupes carboxyle. Ces sites forment de fortes liaisons hydrogène et des attractions électrostatiques avec l’ammonium, leur conférant une part plus importante du travail que d’autres groupes tels que les simples hydroxyles.

Boucler la boucle des eaux usées aux cultures

Pris ensemble, les expériences et les calculs dessinent un schéma en plusieurs étapes de la fixation de l’ammonium sur le biochar de tige de coton pyrolysé à basse température. D’abord, les ions minéraux contenus dans les cendres du charbon échangent leur place avec l’ammonium de la solution. Ensuite, des sites chargés négativement et des groupes chimiques spécifiques à la surface attirent l’ammonium et le retiennent par attraction électrostatique et liaisons hydrogène, les forces plus faibles jouant un rôle de soutien. Le biochar chargé en ammonium peut ensuite être épandu directement sur les champs, où il libère progressivement l’azote aux cultures et peut contribuer à réduire les émissions de gaz à effet de serre liées à l’utilisation d’engrais. Bien que des travaux supplémentaires soient nécessaires pour évaluer la stabilité à long terme et les performances à grande échelle, cette étude établit des règles de conception claires — en particulier l’importance des atomes d’azote de type pyridine et des groupes carboxyle — pour transformer des résidus agricoles simples en outils efficaces de dépollution de l’eau et de recyclage des nutriments.

Citation: 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

Mots-clés: biochar, élimination de l'ammonium, eaux usées d'élevage, récupération des nutriments, tiges de coton