Копиролиз сельскохозяйственной биомассы для потенциально функционального биоугля: комбинированное влияние сырья и структурная характеристика

Преобразование сельскохозяйственных остатков в полезный углерод

Во всем мире фермы производят горы растительных остатков после урожая. Большую часть этих «отходов» сжигают или оставляют гнить, возвращая углерод в атмосферу. В этом исследовании рассматривается другой путь: бережная «выпечка» кукурузных стеблей и рисовой шелухи вместе для получения похожего на древесный уголь материала — биоугля. В работе ставится простой, но важный вопрос: если перерабатывать эти отходы совместно, а не по‑отдельности, получится ли особый вид биоугля, лучше пригодный для улучшения почв и защиты окружающей среды?

От стеблей и шелухи к зернистому углероду

Исследователи собрали кукурузные стебли и рисовую шелуху на фермах в Турции и медленно нагревали их до 400 °C в условиях пониженного содержания кислорода, процесса, известного как пиролиз. Они провели испытания тремя способами: только кукурузные стебли, только рисовая шелуха и смесь 50:50. Эта щадящая «выпечка» удаляет воду и летучие соединения, оставляя углеродсодержащий твердый остаток — биоуголь. Команда затем измерила множество базовых показателей, включая влажность, рН, содержание солей и уровни питательных веществ (таких как азот, фосфор и калий), чтобы понять, как начальная смесь влияет на конечный материал. Все три биоугля были сухими, слегка щелочными и содержали полезные для растений питательные вещества, но смешанный биоуголь объединил углеродную насыщенность кукурузных стеблей и минеральное богатство рисовой шелухи в более сбалансированный продукт.

Что показывают микроскопы и спектры

Чтобы заглянуть внутрь биоугля подробнее, ученые использовали набор инструментов, обычно применяемых в лабораториях материаловедения. Инфракрасная спектроскопия показала, что нагрев удаляет многие кислородсодержащие группы с поверхностей растительных тканей и формирует более стабильные, кольцевые углеродные структуры. Рентгеновские методы подтвердили, что углерод в основном имеет беспорядочную структуру, как и ожидалось при умеренных температурах, но такие минералы, как диоксид кремния (кремнезем), калий и кальций, сохраняют свою структуру при нагреве. Снимки в электронном микроскопе выявили, что смешанный биоуголь имеет более разнообразную и неправильную поверхность по сравнению с биоchar из одного источника, с отчетливыми порами и светлыми минеральными включениями. В совокупности эти наблюдения показывают, что при совместном нагреве стеблей и шелухи их органическое вещество и минералы реорганизуются в единую, переплетенную углеродно‑минеральную сеть.

Размер, поверхность и заряд: как ведут себя зерна

Исследование также сосредоточилось на характеристиках, важных для поведения биоугля после внесения в почву или воду. Измерения размера частиц показали, что смешанный биоуголь имеет более широкий разброс — от мелких до относительно грубых частиц — чем биоугли из одного источника. Удивительно, но несмотря на то, что его частицы в среднем были крупнее, смешанный биоуголь сохранил поверхностную площадь, сопоставимую с более мелким биоуглем из рисовой шелухи. Это означает, что большая часть тонкой внутренней пористой структуры была сохранена при смешивании, что потенциально сохраняет множество участков для взаимодействия воды и питательных веществ. Все образцы имели суммарный отрицательный поверхностный заряд в воде, что помогает им оставаться диспергированными и взаимодействовать с положительно заряженными питательными веществами и металлами. Смешанный биоуголь был немного менее отрицательно заряжен, что указывает на тонкие сдвиги в поверхностной химии и минеральном составе при совместной переработке двух видов сырья.

Почему это важно для почв и контроля загрязнения

Помимо лабораторных показателей, ключевой вывод состоит в том, что совместная переработка кукурузных стеблей и рисовой шелухи дает биоуголь, сочетающий сильные стороны обоих материалов: углеродсодержащее органическое вещество от стеблей и золу, богатую кремнеземом и питательными веществами, от шелухи. В результате получается материал умеренно щелочной, содержащий полезные питательные элементы и обладающий разнообразием размеров частиц и пористой структурой. Эти свойства обещают практическое применение, например для улучшения кислых почв, помощи почвам в удержании воды и питательных веществ и, возможно, для захвата загрязнителей. Однако авторы подчеркивают важную оговорку: одних лабораторных измерений недостаточно, чтобы гарантировать эффективность в полях, водоемах или очистных системах.

От лабораторных обещаний к проверке на ферме и в поле

Проще говоря, эта работа показывает, что способ комбинирования растительных отходов перед нагревом позволяет настраивать текстуру и химию получаемого биоугля. Смешанный кукурузно‑рисовый биоуголь — это не просто среднее между двумя исходными материалами; его структура и минеральный состав отражают взаимодействия между ними во время нагрева. Это делает его перспективным кандидатом для устойчивой переработки отходов и улучшения почв. Тем не менее исследование не делает окончательных заявлений о том, что этот биоуголь гарантированно повысит урожайность или очистит загрязнители. Для таких утверждений потребуются долговременные испытания в реальных почвах и водных условиях. На сегодняшний день посыл ясен: продуманное смешивание фермерских остатков перед превращением их в биоуголь может создать более универсальные и потенциально полезные материалы из ресурсов, которые в противном случае могли бы быть выброшены.

Цитирование: Demir, Z., Bozkurt, P.A. Co-pyrolysis of agricultural biomass for potentially functional biochar: combined influence of both feedstocks and structural characterization. Sci Rep 16, 10947 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-45350-2

Ключевые слова: биоуголь, сельскохозяйственные отходы, улучшение почвы, пиролиз, устойчивое сельское хозяйство