חקירה מנגנונית של ספיחת חנקן אמוניום על ביו-פחם מקני כותנה בפירוליזה בטמפרטורה נמוכה על בסיס חישובי DFT

הפיכת פסולת חקלאית למים נקיים ודשן

במקומות רבים בעולם, מערכות משק חי גדולות מייצרות מי שפכים עשירים בחנקן. אם חנקן זה אינו נדגם, הוא עלול לזלוג לנחלים ולמי תהום, לגרום לפריחות אצות ולזהם מי שתייה. במקביל, חקלאים שורפים או משליכים הרים של שאריות גידולים כמו קני כותנה. המחקר הזה חוקר דרך להתמודד בשני הבעיות בו-זמנית: להפוך קני כותנה לחומר דמוי פחם שיכול לספוח אמוניום — צורת חנקן מרכזית — ממי שפכים של בעלי חיים ולהחזירו לשדה כדשן שחרור-איטי.

משדות הכותנה לפלסטיות פחמיות

החוקרים אספו קני כותנה שנותרו באזור שינג׳יאנג, סין, וחיממו אותם בתנור דל-חמצן בטמפרטורות מתונות בין 250 ל-350 מעלות צלזיוס. תהליך זה, המכונה פירוליזה, הופך חומר צמחי לביו-פחם עשיר פחמן. הצוות ייצר מספר דגימות, ביניהן דגימה בולטת שנוצרה בסביבת 300 מעלות צלזיוס, שסומנה CS300II. לאחר מכן בדקו עד כמה כל ביו-פחם יכול לספוח אמוניום ממים ומדדו בקפידה תכונות כמו שטח פנים, גודל נקבים, תכולת אפר והסוגים של קבוצות כימיות על פני השטח.

איך הפחם פועל במי מעבדה ובמים אמיתיים

בתמיסות מעבדה פשוטות שכללו אך ורק אמוניום, ביו-פחם CS300II הציג את הביצועים הטובים ביותר, וספח כ-4.3 מיליגרם חנקן אמוניום לגרם פחם, ותוצאותיו התאימו למודלים מוכרים של ספיחה המתארים שכבה אחידה של אמוניום על המשטח. אף שקומפקט הצמיחה הזה צנוע בהשוואה לחומרים מהונדסים מתקדמים, הביו-פחם זול, עשוי מפסולת ודורש מעט אנרגיה לייצור. כאשר אותו חומר נחשף למי אורוות פרות אמיתיים, הביצועים ירדו לכמובן 40–60 אחוז מערך המעבדה. הסיבה היא שמי השפכים האמיתיים מכילים גם כמויות גדולות של יונים בעלי מטען חיובי אחרים כגון אשלגן, סידן, נתרן ומגנזיום, שמתחרים עם האמוניום על מקומות הקשירה המוגבלים על פני הפחם.

מדוע טמפרטורה "בדיוק הנכונה" חשובה

תמונות מיקרוסקופ ומדידות בסיסיות הראו שכל ביו-פחמי הטמפרטורה הנמוכה היו בעלי שטחי פנים קטנים מאד בהשוואה לפחמים פעילים טיפוסיים. משמעות הדבר היא שהפחם אינו פועל בעיקר על ידי כליאת אמוניום בנקבים זעירים, אלא על ידי אינטראקציות כימיות על פני השטח שלו. ככל שטמפרטורת הפירוליזה עלתה, הביו-פחם הפך לעשיר יותר בפחמן ובעל מטען שלילי גבוה יותר, ותכולת האפר שלו — המכילה מינרלים כמו אשלגן וסידן — גדלה. במקביל, קבוצות חמצן מועילות, כגון קרבוקסיל והידרוקסיל, נשרפו בהדרגה. דגימת CS300II מצאה נקודת איזון: מספיק תכולת מינרלים ומטען שלילי למשוך ולהחליף יונים, ועדיין שמרה על כמות נכבדה של קבוצות פעילות על פני השטח לקשירת אמוניום.

מה קורה בקנה מידה אטומי

כדי להציץ מתחת למדידות הגולמיות, הצוות שילב מספר טכניקות ספקטרוסקופיות עם חישובים כימיים קוונטיים. מדידות רנטגן ותת-אדום לפני ואחרי חשיפה לאמוניום חשפו שמלחים מינרליים על הביו-פחם מתמוססים ומחליפים מקום עם האמוניום במים, ושקבוצות חמצן מרכזיות על המשטח נחלשות כאשר הן קושרות חנקן. החישובים, שבוצעו על משטחים מודל פשוטים, דירגו קבוצות כימיות שונות לפי חוזק הקשירה שלהן לאמוניום. שתי קבוצות בלטו: אטומי חנקן בדמוי פירידין הבנויים במסגרת הפחמן, וקבוצות קרבוקסיל. אתרים אלה יוצרים קשרי מימן חזקים ומשיכות אלקטרוסטטיות עם אמוניום, ונתנו להם חלק גדול יותר מהעבודה מאשר קבוצות אחרות כגון הידרוקסילים פשוטים.

סגירת המעגל ממי שפכים לגידולים

בהתכנסות, הניסויים והחישובים מציירים תמונה רב-שלבית של אופן הדבקת האמוניום לביו-פחם מקני כותנה בטמפרטורות נמוכות. ראשית, יוני המינרל באפר של החומר מחליפים מקום עם אמוניום במים. אחר כך, אתרים טעונים שלילית וקבוצות כימיות ספציפיות על פני השטח מושכים את האמוניום ומחזיקים אותו באטרקציה אלקטרוסטטית וקשרי מימן, כאשר כוחות חלשים יותר מסייעים בתמיכה. הביו-פחם העמוס אמוניום שנוצר יכול להיות מופץ ישירות על שדות, שם הוא משחרר חנקן בהדרגה לצמחים ועשוי לעזור להפחית פליטות גזי חממה משימוש בדשנים. אמנם יש צורך בעבודת המשך על יציבות לטווח הארוך וביצועים בקנה מידה גדול, אך המחקר מציג כללי תכנון ברורים — ובמיוחד את החשיבות של חנקן בדמוי פירידין וקבוצות קרבוקסיל — להפוך שאריות גידולים פשוטות לכלים יעילים לניקוי מים ומחזור מזינים.

ציטוט: 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

מילות מפתח: ביו-פחם, הסרת אמוניום, מי שפכים מחקלאות בעלי חיים, שחזור מזינים, קני כותנה