Механистическое исследование адсорбции аммонийного азота на биочаре из соломы хлопка, полученном при низкотемпературной пиролизе, на основе расчетов DFT

Преобразование фермерских отходов в чистую воду и удобрение

По всему миру крупные животноводческие комплексы генерируют сточные воды, богатые азотом. Если этот азот не улавливать, он может проникать в реки и грунтовые воды, способствуя цветению водорослей и загрязнению питьевой воды. В то же время фермеры сжигают или выбрасывают горы растительных остатков, таких как стебли хлопка. В этом исследовании рассматривают способ решения обеих проблем одновременно: превращение стеблей хлопка в простое углеродистое вещество, которое способно извлекать аммоний — ключевую форму азота — из животноводческих сточных вод и затем возвращать его в почву в виде удобрения с медленным высвобождением.

От хлопковых полей к угольным гранулам

Исследователи собрали оставшиеся стебли хлопка в Синьцзяне, Китай, и нагрели их в печи с низким содержанием кислорода при относительно невысоких температурах от 250 до 350 градусов Цельсия. Этот процесс, известный как пиролиз, превращает растительное сырье в биочар — твердый материал с высоким содержанием углерода. Команда получила несколько вариантов материала, в том числе образец, выделившийся при температуре около 300 °C, обозначенный как CS300II. Затем они проверили, насколько каждый биочар способен поглощать аммоний из воды, и тщательно измерили такие свойства, как удельная поверхность, размер пор, содержание золы и типы химических групп на поверхности.

Как уголь работает в лабораторной и реальной воде

В простых лабораторных растворах, содержащих только аммоний, биочар CS300II показал наилучшие результаты, захватывая примерно 4,3 миллиграмма азота в форме аммония на грамм биочара и подчиняясь известным моделям адсорбции, описывающим однородный монослой аммония на поверхности. Хотя эта емкость скромна по сравнению с высокотехнологичными синтезированными материалами, биочар дешев, производится из отходов и требует мало энергии для изготовления. Когда тот же материал испытывали на реальных сточных водах из коровьего навоза, его эффективность снизилась примерно до 40–60 % от лабораторного значения. Причина в том, что реальные сточные воды также содержат большие количества других положительно заряженных ионов, таких как калий, кальций, натрий и магний, которые конкурируют с аммонием за ограниченные места связывания на поверхности биочара.

Почему важна «в меру» температура

Изображения с микроскопа и базовые измерения показали, что все биочары, полученные при низкой температуре, имели крайне малую удельную поверхность по сравнению с типичными активированными углями. Это означает, что основной механизм работы биочара — не захват аммония в крошечных порах, а химические взаимодействия на его поверхности. По мере повышения температуры пиролиза биочар становился более обогащенным углеродом и более отрицательно заряженным, а содержание золы — содержащей минералы, такие как калий и кальций — увеличивалось. Одновременно некоторые полезные кислородсодержащие группы, такие как карбоксильные и гидроксильные, постепенно выгорали. Образец CS300II оказался «золотой серединой»: достаточное содержание минералов и отрицательный заряд для притяжения и ионного обмена, при этом сохранилось много реакционноспособных поверхностных групп для связывания аммония.

Что происходит на атомном уровне

Чтобы заглянуть глубже, команда совместила несколько спектроскопических методов с квантово-химическими расчетами. Рентгеновские и инфракрасные измерения до и после воздействия аммония показали, что минеральные соли на биочаре растворяются и обмениваются с аммонием в воде, а ключевые кислородсодержащие группы на поверхности ослабляют свои сигналы при связывании азота. Расчеты, выполненные на упрощенных моделях поверхностей, ранжировали разные химические группы по способности удерживать аммоний. Двумя наиболее эффективными оказались: пиридиноподобные атомы азота, встроенные в углеродную матрицу, и карбоксильные группы. Эти сайты образуют сильные водородные связи и электростатические притяжения с аммонием, что делает их более значимыми в процессе связывания по сравнению с такими группами, как простые гидроксилы.

Замыкая цикл: от сточных вод к урожаю

В совокупности эксперименты и расчеты дают многоступенчатую картину того, как аммоний прилипает к биочару из хлопковых стеблей, полученному при низкой температуре. Сначала минеральные ионы в золе биочара обмениваются местами с аммонием в воде. Затем отрицательно заряженные участки и специфические химические группы на поверхности притягивают аммоний и удерживают его за счет электростатического притяжения и водородных связей, при этом более слабые взаимодействия играют вспомогательную роль. Получившийся аммонием нагруженный биочар можно прямо вносить в поля, где он медленно высвобождает азот растениям и может помочь сократить выбросы парниковых газов от использования удобрений. Хотя необходимы дополнительные исследования долговременной стабильности и масштабной эффективности, это исследование формулирует четкие правила проектирования — особенно важность пиридиноподобного азота и карбоксильных групп — для превращения простых сельскохозяйственных остатков в эффективные инструменты очистки воды и утилизации питательных веществ.

Цитирование: 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

Ключевые слова: биочар, удаление аммония, сточные воды животноводства, возврат питательных веществ, хлопковые стебли