Indagine meccanicistica dell’adsorbimento di azoto ammoniacale su biochar di paglie di cotone pirolizzate a bassa temperatura basata su calcoli DFT

Trasformare i rifiuti agricoli in acqua pulita e fertilizzante

In tutto il mondo, le grandi aziende zootecniche producono acque reflue ricche di azoto. Se questo azoto non viene catturato, può infiltrarsi nei fiumi e nelle falde acquifere, alimentando fioriture algali e contaminando l’acqua potabile. Allo stesso tempo, gli agricoltori bruciano o scartano montagne di residui colturali come le paglie di cotone. Questo studio esplora un modo per affrontare entrambi i problemi: trasformare le paglie di cotone in un materiale simile al carbone che può estrarre l’ammonio, una forma chiave dell’azoto, dalle acque reflue animali e poi restituirlo al suolo come fertilizzante a rilascio lento.

Dai campi di cotone a pellet di carbone

I ricercatori hanno raccolto le paglie di cotone residue nello Xinjiang, Cina, e le hanno riscaldate in un forno a basso contenuto di ossigeno a temperature relativamente miti comprese tra 250 e 350 gradi Celsius. Questo processo, noto come pirolisi, converte la materia vegetale in biochar, un solido ricco di carbonio. Il team ha prodotto diverse varianti, inclusivo di un campione di punta ottenuto vicino a 300 gradi Celsius, etichettato CS300II. Hanno quindi testato quanto bene ogni biochar riuscisse ad assorbire l’ammonio dall’acqua, e misurato con cura proprietà come area superficiale, dimensione dei pori, contenuto di cenere e tipi di gruppi chimici sulla superficie.

Come funziona il carbone in acque reali e di laboratorio

In semplici soluzioni di laboratorio contenenti solo ammonio, il biochar CS300II ha dato le migliori prestazioni, catturando circa 4,3 milligrammi di azoto ammoniacale per grammo di carbone e seguendo modelli di adsorbimento noti che descrivono uno strato uniforme di ammonio sulla superficie. Sebbene questa capacità sia modesta rispetto a materiali ingegnerizzati di alta tecnologia, il biochar è economico, prodotto da rifiuti e richiede poca energia per la produzione. Quando lo stesso materiale è stato esposto a veri reflui di letame bovino, la sua prestazione è calata a circa il 40–60 percento del valore ottenuto in laboratorio. Il motivo è che i reflui reali contengono anche grandi quantità di altri ioni carichi positivamente come potassio, calcio, sodio e magnesio, che competono con l’ammonio per i limitati siti di legame sulla superficie del carbone.

Perché una temperatura “giusta” è importante

Immagini al microscopio e misurazioni di base hanno mostrato che tutti i biochar a bassa temperatura avevano aree superficiali estremamente ridotte rispetto ai carboni attivi tipici. Questo significa che il carbone non agisce principalmente intrappolando l’ammonio in pori minuti, ma tramite interazioni chimiche sulla sua superficie. Con l’aumentare della temperatura di pirolisi, il biochar è diventato più ricco di carbonio e più carico negativamente, e il suo contenuto di cenere—che contiene minerali come potassio e calcio—è cresciuto. Allo stesso tempo, alcuni gruppi ossigenati utili, come i gruppi carbossilici e idrossilici, sono stati progressivamente eliminati. Il campione CS300II ha raggiunto un punto di equilibrio: abbastanza contenuto minerale e carica negativa per attirare e scambiare ioni, mantenendo allo stesso tempo numerosi gruppi reattivi in superficie per legare l’ammonio.

Cosa avviene a scala atomica

Per guardare oltre le misure macroscopiche, il team ha combinato diverse tecniche spettroscopiche con calcoli chimici quantistici. Misurazioni ai raggi X e all’infrarosso prima e dopo l’esposizione all’ammonio hanno rivelato che i sali minerali presenti nella cenere del biochar si dissolvono e si scambiano con l’ammonio nell’acqua, e che i gruppi ossigenati chiave sulla superficie si indeboliscono quando legano l’azoto. I calcoli, eseguiti su superfici modello semplificate, hanno classificato i diversi gruppi chimici in base alla forza con cui potevano trattenere l’ammonio. Ne sono emersi due particolarmente rilevanti: atomi di azoto di tipo piridinico incorporati nella struttura carboniosa e gruppi carbossilici. Questi siti formano legami idrogeno forti e attrazioni elettrostatiche con l’ammonio, conferendo loro una quota maggiore del lavoro rispetto ad altri gruppi come i semplici idrossili.

Chiudere il ciclo dalle acque reflue alle colture

Nel complesso, gli esperimenti e i calcoli indicano un quadro a più fasi di come l’ammonio si attacca al biochar di paglie di cotone pirolizzate a bassa temperatura. Per prima cosa, ioni minerali nella cenere del carbone si scambiano con l’ammonio presente nell’acqua. Poi, siti caricati negativamente e gruppi chimici specifici sulla superficie attraggono l’ammonio e lo trattengono tramite attrazione elettrostatica e legami idrogeno, con forze più deboli a supporto. Il biochar carico di ammonio risultante può essere distribuito direttamente nei campi, dove rilascia lentamente l’azoto alle colture e può contribuire a ridurre le emissioni di gas serra derivanti dall’uso di fertilizzanti. Pur essendo necessari ulteriori studi sulla stabilità a lungo termine e sulle prestazioni su larga scala, questo studio definisce regole progettuali chiare—in particolare l’importanza dell’azoto di tipo piridinico e dei gruppi carbossilici—per trasformare semplici residui colturali in strumenti efficienti per purificare l’acqua e riciclare i nutrienti.

Citazione: 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

Parole chiave: biochar, rimozione ammonio, acque reflue zootecniche, recupero dei nutrienti, paglie di cotone