Investigação mecanicista da adsorção de nitrogênio amoniacal em biochar de caule de algodão pirolisado em baixa temperatura com base em cálculos DFT

Transformando Resíduos Agrícolas em Água Limpa e Fertilizante

Em todo o mundo, grandes explorações de criação de animais geram efluentes ricos em nitrogênio. Se esse nitrogênio não for capturado, pode vazar para rios e aquíferos, incentivando florescimentos de algas e contaminando a água potável. Ao mesmo tempo, agricultores queimam ou descartam montanhas de resíduos agrícolas, como caules de algodão. Este estudo explora uma maneira de enfrentar ambos os problemas ao mesmo tempo: transformar caules de algodão em um material semelhante a carvão que pode retirar o amônio, uma forma importante de nitrogênio, do efluente animal e depois devolvê‑lo ao solo como fertilizante de liberação lenta.

Dos Campos de Algodão a Pelotas de Carvão

Os pesquisadores coletaram caules de algodão residuais em Xinjiang, China, e os aqueceram em um forno com baixo teor de oxigênio a temperaturas relativamente moderadas entre 250 e 350 graus Celsius. Esse processo, conhecido como pirólise, converte material vegetal em biochar, um sólido rico em carbono. A equipe produziu várias versões, incluindo uma amostra de destaque feita perto de 300 graus Celsius, rotulada CS300II. Em seguida, testaram quão bem cada biochar conseguia absorver amônio da água e mediram cuidadosamente propriedades como área superficial, tamanho de poro, teor de cinzas e os tipos de grupos químicos na superfície.

Como o Carvão Funciona em Águas Reais e de Teste

Em soluções laboratoriais simples contendo apenas amônio, o biochar CS300II teve o melhor desempenho, capturando cerca de 4,3 miligramas de nitrogênio amoniacal por grama de carvão e seguindo modelos de adsorção bem conhecidos que descrevem uma camada uniforme de amônio na superfície. Embora essa capacidade seja modesta em comparação com materiais de alta tecnologia, o biochar é barato, feito a partir de resíduos e requer pouca energia para produzir. Quando o mesmo material foi exposto a efluente real de esterco bovino, seu desempenho caiu para cerca de 40–60% do valor de laboratório. A razão é que o efluente real também contém grandes quantidades de outros íons carregados positivamente, como potássio, cálcio, sódio e magnésio, que competem com o amônio pelas vagas limitadas de ligação na superfície do carvão.

Por Que uma Temperatura “Na Medida” Importa

Imagens de microscópio e medições básicas mostraram que todos os biochars de baixa temperatura tinham áreas superficiais extremamente pequenas em comparação com carvões ativados típicos. Isso significa que o carvão não atua principalmente capturando o amônio em poros minúsculos, mas por interações químicas em sua superfície. À medida que a temperatura de pirólise aumentou, o biochar tornou‑se mais rico em carbono e mais negativamente carregado, e seu teor de cinzas — contendo minerais como potássio e cálcio — cresceu. Ao mesmo tempo, alguns grupos úteis contendo oxigênio, como grupos carboxila e hidroxila, foram gradualmente queimados. A amostra CS300II atingiu um ponto ótimo: conteúdo mineral e carga negativa suficientes para atrair e trocar íons, enquanto ainda retinha muitos grupos superficiais reativos para ligar o amônio.

O Que Acontece em Escala Atômica

Para espiar além das medições em massa, a equipe combinou várias técnicas espectroscópicas com cálculos de química quântica. Medições de raios X e infravermelho antes e depois da exposição ao amônio revelaram que sais minerais no biochar se dissolvem e trocam lugar com o amônio na água, e que grupos chave contendo oxigênio na superfície enfraquecem ao se ligar ao nitrogênio. Os cálculos, realizados em superfícies modelo simplificadas, classificaram diferentes grupos químicos pela força com que podiam reter o amônio. Dois se destacaram: átomos de nitrogênio do tipo piridina incorporados na estrutura de carbono e grupos carboxila. Esses sítios formam fortes ligações de hidrogênio e atrações eletrostáticas com o amônio, dando‑lhes uma parcela maior do trabalho do que outros grupos, como hidroxilas simples.

Fechando o Ciclo do Efluente até as Culturas

Tomados em conjunto, os experimentos e cálculos apontam para um quadro em múltiplas etapas de como o amônio se fixa ao biochar de caule de algodão pirolisado em baixa temperatura. Primeiro, íons minerais nas cinzas do carvão trocam lugar com o amônio na água. Em seguida, sítios carregados negativamente e grupos químicos específicos na superfície atraem o amônio e o retêm por meio de atração eletrostática e ligações de hidrogênio, com forças mais fracas atuando como suporte. O biochar carregado de amônio resultante pode ser espalhado diretamente nos campos, onde libera nitrogênio lentamente para as culturas e pode ajudar a reduzir as emissões de gases de efeito estufa associadas ao uso de fertilizantes. Embora sejam necessários mais estudos sobre estabilidade a longo prazo e desempenho em larga escala, este trabalho estabelece regras de projeto claras — especialmente a importância do nitrogênio do tipo piridina e dos grupos carboxila — para transformar resíduos agrícolas simples em ferramentas eficientes para limpar a água e reciclar nutrientes.

Citação: 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

Palavras-chave: biochar, remoção de amônio, efluente de criação de animais, recuperação de nutrientes, caules de algodão