Синергетическая адсорбция NH3 и H2S на многослойных пи­рокарах из гидроугля: механистическое расхождение и кооперативная кислотно-основная активация

Преобразование запахов фермы в ресурс

Каждому, кто проезжал мимо крупной свинофермы, знакома сила запаха. За этим запахом стоят газы, опасные для работников, ближайших сообществ и окружающей среды в целом. В данном исследовании предлагается изобретательный способ борьбы с двумя из самых вредных компонентов — аммиаком и сероводородом — посредством превращения навоза в многослойный фильтрующий материал, который улавливает эти газы эффективнее, чем традиционные методы.

Почему воздух в сарае так трудно очистить

Современные животноводческие комплексы производят огромные объемы влажного навоза, который выделяет смесь неприятных и порой токсичных газов. Два ключевых виновника — аммиак, резкий и раздражающий, и сероводород, пахнущий тухлыми яйцами и опасный даже при низких концентрациях. Эти газы ведут себя по-разному: аммиак — основный, тогда как сероводород — кислый. Большинство обычных фильтрующих материалов хорошо улавливают один тип соединений, но не оба одновременно, особенно когда навоз настолько влажный, что его сушка перед обработкой потребовала бы больших затрат энергии.

Приготовление навоза в двухслойный фильтр

Исследователи сначала применили гидротермальное карбонизирование, чтобы превратить влажный свиной навоз в сухое твердое вещество, похожее на уголь — гидроуголь — без энергоемкой сушки. Затем этот гидроуголь нагревали до двух разных температур, 350 °C и 550 °C, чтобы получить два различных «пирокара». Уголь при более низкой температуре (PMB350) сохранил многие кислородсодержащие поверхностные группы и оставался умеренно кислым, тогда как пирокар при более высокой температуре (PMB550) приобрел существенно большую внутреннюю поверхность, более мелкие поры, более выраженную щелочность и более обнажённые минеральные участки, такие как кальций и магний. Проще говоря: один материал предлагал множество химически активных сайтов для захвата аммиака, а другой обеспечивал обилие основных и минеральных мест для связывания сероводорода.

Что происходит, когда каждый газ поступает отдельно

При пропускании отдельных газов через небольшие заполненные колонны каждый пирокар продемонстрировал свою специализацию. Уголь низкой температуры лучше задерживал аммиак, в основном превращая его в аммоний за счет реакций с кислыми поверхностными группами. Напротив, уголь высокой температуры превосходно удалял сероводород — почти в четыре раза эффективнее, чем более холодный материал — благодаря большей поверхности, развитым порам и богатой минералами, щелочной поверхности. Однако простое наслоение двух материалов в колонне для обработки одного газа не всегда давало преимущество: для аммиака передний слой (PMB350) поглощал большую часть газа, оставляя второму слою мало работы.

Сотрудничество газов в многослойной насадке

Настоящая неожиданность проявилась при одновременной подаче аммиака и сероводорода через колонну, содержащую оба пирокара последовательно. Независимо от порядка размещения материалов, удаление сероводорода улучшалось драматически по сравнению с обработкой сероводорода в одиночку. Детальные поверхностные анализы показали, что аммиак действовал не просто как конкурент: будучи захваченным в верхнем слое, он фактически делал эту поверхность более основной, способствуя диссоциации сероводорода и его окислению до сульфата. Эти окисленные формы серы, перемещаясь вниз по потоку, затем прочно фиксировались на минеральных сайтах в более горячем пирокаре в виде стабильных минеральных соединений, например сульфата кальция. Вместо того чтобы мешать друг другу, два газа запускали каскад реакций, распределяющий работу между слоями: активация и частичное превращение в первом слое с последующей постоянной фиксацией во втором.

Что это означает для чище воздуха вокруг ферм

Проще говоря, исследование показывает, что укладка двух видов углей из навоза в слои может превратить проблему неприятного запаха в более эффективный фильтр. Холодный уголь настроен на улавливание аммиака и при этом «подготавливает» поверхность для разложения сероводорода, тогда как горячий, более богатый минералами материал служит глубоким резервуаром, надежно фиксируя серу в твердой форме. Этот многослойный фильтр из отходного сырья работает без добавления химикатов или катализаторов и представляет собой перспективный, низкозатратный способ сокращения неприятных запахов и вредных газов в сараях и других объектах. При дальнейшем испытании в реальных условиях такие системы могут помочь фермам снизить и запахи, и риски для здоровья, одновременно перерабатывая собственные отходы в полезный очиститель.

Цитирование: Ko, M., Ko, J.H. Synergistic adsorption of NH₃ and H₂S over layered hydrochar-derived pyrochars: mechanistic divergence and cooperative acid-base activation. Sci Rep 16, 13860 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-43340-y

Ключевые слова: контроль запахов в животноводстве, фильтры из биоугля, удаление аммиака, улавливание сероводорода, переработка свиного навоза