Mechanistyczne badanie adsorpcji azotu amonowego na biocharze ze słomy bawełnianej wytwarzanym przy niskiej temperaturze pirolizy na podstawie obliczeń DFT

Przekształcanie odpadów rolniczych w czystą wodę i nawóz

Na całym świecie duże gospodarstwa zwierzęce wytwarzają ścieki bogate w azot. Jeśli ten azot nie zostanie wychwycony, może przedostawać się do rzek i wód gruntowych, prowokując zakwity glonów i zanieczyszczając wodę pitną. Jednocześnie rolnicy spalają lub wyrzucają góry pozostałości po uprawach, takich jak łodygi bawełny. W tym badaniu zbadano sposób rozwiązania obu problemów jednocześnie: przekształcenie łodyg bawełny w prosty materiał przypominający węgiel drzewny, który może wyciągać z wód odchodowych amon, główną formę azotu, a następnie oddawać go do gleby jako nawóz o wolnym uwalnianiu.

Od pól bawełny do pelletów węglowych

Naukowcy zebrali pozostałości łodyg bawełny z regionu Xinjiang w Chinach i poddali je ogrzewaniu w piecu o niskiej zawartości tlenu w stosunkowo łagodnych temperaturach między 250 a 350 stopni Celsjusza. Ten proces, znany jako piroliza, przekształca materię roślinną w biochar, bogaty w węgiel stały. Zespół wytworzył kilka wariantów, w tym wyróżniający się próbkę wytworzoną w temperaturze około 300°C, oznaczoną jako CS300II. Następnie testowali, jak dobrze każdy biochar pochłania amon z wody, i starannie mierzyli cechy takie jak powierzchnia właściwa, rozmiar porów, zawartość popiołu oraz rodzaje grup chemicznych na powierzchni.

Jak węgiel działa w wodach laboratoryjnych i rzeczywistych

W prostych roztworach laboratoryjnych zawierających tylko amon biochar CS300II wypadał najlepiej, wychwytując około 4,3 mg azotu w postaci amonu na gram węgla i zachowując się zgodnie ze znanymi modelami adsorpcji opisującymi jednorodną warstwę amonu na powierzchni. Chociaż ta pojemność jest umiarkowana w porównaniu z zaawansowanymi materiałami inżynieryjnymi, biochar jest tani, wykonany z odpadów i wymaga niewielkiej ilości energii do wytworzenia. Gdy ten sam materiał wystawiono na działanie rzeczywistych ścieków z obornika, jego wydajność spadła do około 40–60 procent wartości laboratoryjnej. Przyczyną jest to, że w rzeczywistych ściekach obecne są również duże ilości innych jonów dodatnich, takich jak potas, wapń, sód i magnez, które konkurują z amonem o ograniczone miejsca wiązania na powierzchni węgla.

Dlaczego „właściwa” temperatura ma znaczenie

Obrazy mikroskopowe i podstawowe pomiary wykazały, że wszystkie biochary wytwarzane w niskiej temperaturze miały ekstremalnie małe powierzchnie właściwe w porównaniu ze typowymi węglami aktywnymi. Oznacza to, że węgiel nie działa głównie przez uwięzienie amonu w drobnych porach, lecz przez interakcje chemiczne na jego powierzchni. Wraz ze wzrostem temperatury pirolizy biochar stawał się bardziej bogaty w węgiel i bardziej naładowany ujemnie, a zawartość popiołu — zawierającego minerały takie jak potas i wapń — rosła. Jednocześnie niektóre pomocne grupy zawierające tlen, takie jak grupy karboksylowe i hydroksylowe, były stopniowo spalane. Próbka CS300II osiągnęła optymalny punkt: wystarczająca zawartość minerałów i ładunek ujemny, by przyciągać i wymieniać jony, przy jednoczesnym zachowaniu wielu reaktywnych grup powierzchniowych do wiązania amonu.

Co dzieje się na skali atomowej

Aby zajrzeć pod powierzchnię pomiarów makroskopowych, zespół połączył kilka technik spektroskopowych z obliczeniami chemii kwantowej. Pomiary rentgenowskie i w podczerwieni przed i po ekspozycji na amon wykazały, że sole mineralne na biocharze rozpuszczają się i wymieniają miejscami z amonem w wodzie, oraz że kluczowe grupy zawierające tlen na powierzchni ulegają osłabieniu, gdy wiążą azot. Obliczenia wykonane na uproszczonych modelach powierzchni sklasyfikowały różne grupy chemiczne pod względem siły, z jaką mogą utrzymać amon. Dwie wyróżniały się: atomy azotu o charakterze pirydynowym wbudowane w ramę węglową oraz grupy karboksylowe. Te miejsca tworzą silne wiązania wodorowe i oddziaływania elektrostatyczne z amonem, przypisując im większą część pracy niż innym grupom, takim jak proste hydroksyle.

Zamknięcie obiegu od ścieków do upraw

W sumie eksperymenty i obliczenia wskazują na wieloetapowy obraz sposobu, w jaki amon przylega do biocharu ze słomy bawełnianej wytwarzanego w niskiej temperaturze. Najpierw jony mineralne w popiele węgla wymieniają się miejscami z amonem w wodzie. Następnie ujemnie naładowane miejsca i specyficzne grupy chemiczne na powierzchni przyciągają amon i utrzymują go dzięki przyciąganiu elektrostatycznemu i wiązaniom wodorowym, przy wsparciu słabszych sił. Powstały biochar nasycony amonem można rozprowadzić bezpośrednio na polach, gdzie stopniowo uwalnia azot do roślin i może pomóc ograniczyć emisje gazów cieplarnianych związane ze stosowaniem nawozów. Chociaż konieczne są dalsze badania nad długoterminową stabilnością i wydajnością na dużą skalę, praca ta nakreśla jasne zasady projektowania — w szczególności znaczenie azotu o charakterze pirydynowym i grup karboksylowych — dla przekształcania prostych pozostałości po uprawach w efektywne narzędzia do oczyszczania wody i recyklingu składników odżywczych.

Cytowanie: 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

Słowa kluczowe: biochar, usuwanie amonu, ścieków hodowlanych, odzysk składników odżywczych, łodygi bawełny