Mechanistische studie van adsorptie van ammoniumstikstof op biochar van katoenen stengels verkregen bij lage temperatuurpyrolyse op basis van DFT-berekeningen

Van landbouwafval naar schoon water en kunstmest

Wereldwijd produceren grootschalige veehouderijen afvalwater dat rijk is aan stikstof. Als die stikstof niet wordt afgevangen, kan ze in rivieren en grondwater terechtkomen, algenbloei aanwakkeren en drinkwater verontreinigen. Tegelijkertijd verbranden of dumpen boeren bergen gewasresten zoals katoenen stengels. Deze studie onderzoekt een manier om beide problemen tegelijk aan te pakken: katoenen stengels omzetten in een eenvoudig houtskoolachtig materiaal dat ammonium, een belangrijke stikstofvorm, uit veeafvalwater kan halen en vervolgens als langzame vrijgave-kunstmest terug in de bodem kan brengen.

Van katoenveld naar houtskoolpellets

De onderzoekers verzamelden resterende katoenen stengels uit Xinjiang, China, en verhitten die in een zuurstofarme oven bij relatief lage temperaturen tussen 250 en 350 graden Celsius. Dit proces, pyrolyse genoemd, zet plantmateriaal om in biochar, een koolstofrijk vast materiaal. Het team produceerde verschillende varianten, waaronder een opvallend monster gemaakt rond 300 graden Celsius, aangeduid als CS300II. Daarna testten ze hoe goed elke biochar ammonium uit water kon opnemen, en maten ze nauwkeurig eigenschappen zoals oppervlakte, poriegrootte, asgehalte en de typen chemische groepen op het oppervlak.

Hoe de houtskool werkt in laboratorium- en echt afvalwater

In eenvoudige laboratoriumoplossingen die alleen ammonium bevatten, presteerde de CS300II-biochar het beste: ongeveer 4,3 milligram ammoniumstikstof per gram char en volgde bekende adsorptiemodellen die een uniforme laag ammonium op het oppervlak beschrijven. Hoewel deze capaciteit bescheiden is vergeleken met hoogtechnologische, gemodificeerde materialen, is de biochar goedkoop, gemaakt van afval en vereist het weinig energie om te produceren. Wanneer hetzelfde materiaal werd blootgesteld aan echt koeienmestafvalwater, daalde de prestatie tot ongeveer 40–60 procent van de laboratoriumwaarde. De reden is dat het echte afvalwater ook grote hoeveelheden andere positief geladen ionen bevat, zoals kalium, calcium, natrium en magnesium, die concurreren met ammonium om de beperkte bindingsplaatsen op het char-oppervlak.

Waarom een "precies juiste" temperatuur ertoe doet

Microscopische beelden en basismetingen toonden aan dat alle lage-temperatuur-biochars een extreem klein oppervlak hebben vergeleken met typische geactiveerde koolstoffen. Dit betekent dat het char niet hoofdzakelijk werkt door ammonium in kleine poriën te vangen, maar door chemische interacties op het oppervlak. Naarmate de pyrolysetemperatuur steeg, werd de biochar koolstofrijker en negatiever geladen, en nam het asgehalte—dat mineralen zoals kalium en calcium bevat—toe. Tegelijkertijd werden sommige nuttige zuurstofhoudende groepen, zoals carbonyl- en hydroxylgroepen, geleidelijk verbranden. Het CS300II-monster bereikte een gulden middenweg: genoeg mineraalinhoud en negatieve lading om ionen aan te trekken en uit te wisselen, terwijl er nog steeds voldoende reactieve oppervlaktegruppen overbleven om ammonium te binden.

Wat er op atomaire schaal gebeurt

Om onder de bulkmetingen te kijken combineerde het team verschillende spectroscopische technieken met kwantumchemische berekeningen. Röntgen- en infraroodmetingen voor en na blootstelling aan ammonium toonden aan dat mineraalzouten op de biochar oplossen en plaatsruilen met ammonium in het water, en dat sleutel zuurstofhoudende groepen op het oppervlak verzwakken wanneer ze stikstof binden. De berekeningen, uitgevoerd op vereenvoudigde modeloppervlakken, rangschikten verschillende chemische groepen naar hoe sterk ze ammonium kunnen vasthouden. Twee vielen op: pyridine-achtige stikstofatomen ingebouwd in het koolstofraamwerk, en carboxylgroepen. Deze sites vormen sterke waterstofbruggen en elektrostatische aantrekking met ammonium, waardoor ze een groter deel van het werk doen dan andere groepen zoals eenvoudige hydroxyls.

De kringloop sluiten van afvalwater naar gewassen

Gezamenlijk wijzen de experimenten en berekeningen op een meerstappenbeeld van hoe ammonium zich hecht aan lage-temperatuur biochar van katoenen stengels. Eerst ruilen minerale ionen in het as van het char van plaats met ammonium in het water. Vervolgens trekken negatief geladen sites en specifieke chemische groepen op het oppervlak ammonium aan en houden het vast via elektrostatische aantrekking en waterstofbindingen, met zwakkere krachten in een ondersteunende rol. De resulterende ammoniumbeladen char kan rechtstreeks op velden worden verspreid, waar het langzaam stikstof vrijgeeft aan gewassen en mogelijk helpt om broeikasgasemissies door kunstmestgebruik te verminderen. Hoewel meer onderzoek nodig is naar langetermijnstabiliteit en grootschalige prestaties, beschrijft deze studie duidelijke ontwerprichtlijnen—met name het belang van pyridine-achtige stikstof en carboxylgroepen—om eenvoudige gewasresten om te vormen tot efficiënte middelen voor waterzuivering en nutriëntenrecycling.

Bronvermelding: 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

Trefwoorden: biochar, verwijdering van ammonium, varkens- en rundveewater, nutriëntenherwinning, katoenen stengels