Dynamic adsorption and regeneration of gaseous ammonia on oxalic acid-modified corn-straw biochar
يُظهر الفحم الحيوي من قش الذرة المعدل بحمض الأوكساليك، وتحديداً العينة المحضرة عند 500 درجة مئوية مع 0.4 مول لتر⁻¹ من حمض الأوكساليك، سعة امتزاز ديناميكية محسنة للأمونيا تبلغ 27.56 ملجم غ⁻¹ من خلال البنى المسامية متوسطة المسام والمجموعات الوظيفية المحتوية على الأكسجين، مع الحفاظ على قدرة جزئية على التجدد عبر الغسل بالإيثانول.
البحث الأصلي مرخَّص بموجب CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). هذا شرح مولَّده بالذكاء الاصطناعي للبحث أدناه. لم يكتبه المؤلفون ولم يصادقوا عليه. وللتحقق من الدقة التقنية، يرجى الرجوع إلى البحث الأصلي. اقرأ إخلاء المسؤولية الكامل
يُعد الأمونيا غازاً غالباً ما يمر دون ملاحظة حتى يصبح مشكلة. فهو يتسرب إلى الهواء من ساحات المزارع، ومخلفات الماشية، وتحلل الأسمدة، مما يزيد من مزيج الملوثات التي تشكل الجسيمات الدقيقة في الغلاف الجوي. يمكن لهذه الجسيمات المتناهية الصغر أن تنتقل بعمق إلى الرئتين وتساهم في تكوين الضباب الدخاني، بينما يمكن للنيتروجين الذي تحمله أن يؤدي إلى تحمض التربة وخنق المجاري المائية. إن إزالة هذا الغاز من الهواء أمر صعب لأنه غالباً ما يتواجد بتركيزات منخفضة، ومع ذلك يظل تحدياً بيئياً كبيراً. لطالما بحث العلماء عن مواد يمكنها أن تعمل مثل الإسفنج، حيث تحجز جزيئات الأمونيا أثناء مرور الهواء فوقها. وأحد المرشحين الواعدين هو "البيوتشار" (الفحم الحيوي)، وهو مادة تشبه الفحم تُصنع عن طريق تسخين المواد النباتية في غياب الأكسجين. وبينما يتميز البيوتشار بوفرته ورخص ثمنه، فإن النسخ العادية منه غالباً ما تفتقر إلى الخصائص الكيميائية المحددة اللازمة للإمساك بالأمونيا بفعالية. ولحل هذه المشكلة، بدأ الباحثون في استكشاف طرق لتعديل سطح هذه المواد، مما يجعلها أكثر جاذبية كيميائياً للغاز الذي يحتاجون إلى صيده.
لقد وضع فريق من الباحثين في جامعة هاربين للعلوم حجر الأساس لتحسين قدرة البيوتشار المستخلص من قش الذرة على التقاط غاز الأمونيا. وقد ركزوا على معالجة كيميائية بسيطة باستخدام حمض الأكساليك، وهو حمض عضوي شائع يوجد في العديد من النباتات، لتعديل سطح الفحم. كان الهدف هو معرفة ما إذا كان هذا العلاج يمكن أن ينتج مادة لا تحجز الأمونيا جيداً فحسب، بل يمكن أيضاً تنظيفها واستخدامها مرة أخرى. بدأ الباحثون بأخذ سيقان الذرة المجففة، وطحنها إلى مسحوق ناعم، وتسخينها في فرن تحت تدفق من غاز النيتروجين لمنع احتراقها. واختبروا درجات حرارة ومدد تسخين مختلفة لإيجاد أفضل مادة أساسية. وبمجرد حصولهم على نقطة انطلاق صلبة، قاموا بنقع الفحم في محاليل من حمض الأكساليك بتركيزات متفاوتة، مع تقليب الخليط لساعات قبل تجفيفه. صُممت هذه العملية لطلاء الفحم بمجموعات كيميائية جديدة قد تتفاعل بقوة أكبر مع الأمونيا.
ولإيجاد الوصفة المثالية، استخدم الفريق نهجاً منهجياً لاختبار ستة عشر مزيجاً مختلفاً من درجة حرارة التسخين، ووقت التسخين، وتركيز الحمض. مرروا تياراً من الهواء المحتوي على الأمونيا عبر عمود مملوء بكل مادة من هذه المواد الست عشرة المعدلة، وقاسوا الوقت الذي يستغرقه الغاز لاختراق الجانب الآخر. أشارت النتائج إلى فائز واضح: عينة تم صنعها عن طريق تسخين قش الذرة عند 500 درجة مئوية لمدة أربع ساعات ثم معالجتها بتركيز محدد من حمض الأكساليك. هذه المادة تحديداً، والتي أطلق عليها الباحثون الرمز CC-0.4-500-4، تمكنت من التمسك بالأمونيا لفترة أطول بكثير من أي من المواد الأخرى، حيث احتجزت إجمالي 27.56 ملليغرام من الأمونيا لكل جرام من المادة. كان هذا الأداء أفضل بكثير من الفحم غير المعالج، الذي كافح للإمساك بالغاز حتى لعشر دقائق.
وعندما فحص العلماء هذه المادة الفائزة عن كثب، وجدوا أن معالجة حمض الأكساليك قد غيرت تركيبها الفيزيائي والكيميائي بطرق مفيدة. لم يكن الفحم كتلة صلبة، بل شبكة مسامية، تشبه الإسفنج تماماً، مع عدد كبير من المسام متوسطة الحجم التي تسمح للغاز بالتدفق بسهء داخلها. كان سطح المادة غنياً بالمجموعات الكيميائية القائمة على الأكسجين، وتحديداً مجموعات الكربوكسيل والكربونيل، والتي تعمل مثل مغناطيسات صغيرة لجزيئات الأمونيا. سمحت هذه المجموعات للأمونيا بالالتصاق بالسطح من خلال التجاذب الكيميائي، بينما وفرت المسام مساراً للغاز للوصول إلى تلك النقاط اللزجة في عمق المادة. كما رصد الباحثون وجود جذور حرة مستمرة، وهي ذرات غير مستقرة يمكن أن تؤثر على كيفية تفاعل السطح مع المواد الكيميائية الأخرى، مما قد يساعد في عملية الالتقاط.
كان جزء حاسم من الدراسة هو تحديد ما إذا كان يمكن استخدام هذه المادة أكثر من مرة. فالأدوات الماصة لا تكون عملية إلا إذا أمكن تنظيفها وإعادة استخدامها دون فقدان فعاليتها. حاول الفريق غسل الفحم المشبع بالأمونيا بالماء والإيثانول لمعرفة ما إذا كان بإمكانهم إطلاق الغاز المحتجز واستعادة قدرة المادة على التقاط المزيد. وجدوا أن الغسل السريع بالإيثانول لمدة عشر دقائق كان الطريقة الأكثر فعالية، حيث استعاد ما يقرب من ثلثي سعة المادة الأصلية. وحتى بعد دورتين من الالتقاط والتنظيف، ظلت المادة تحتفظ بنصف قدرتها الأولية تقرياً على حبس الأمونيا. يشير هذا إلى أن الروابط الكيميائية التي تمسك بالأمونيا لم تكن قوية جداً بحيث لا يمكن كسرها بمذيب لطيف، ولا ضعيفة جداً بحيث تتفكك المادة.
خلصت الدراسة إلى أن نجاح هذه المادة جاء من مجموعة من العوامل التي تعمل معاً. فقد ساعدت المسام في نقل الغاز إلى المواقع النشطة، بينما وفرت كيمياء السطح الغنية بالأكسجين القبضة اللازمة للإمساك به. كما عزز وجود الجذور الحرة وتكون مركبات محددة تحتوي على النيتروجين على السطح فكرة أن التفاعل كان معقداً وذا طبيعة كيميائية. وبينما فقدت المادة بعض قدرتها مع الاستخدام المتكرر، ويرجع ذلك على الأرجح إلى التغيرات في كيمياء السطح وبنية المسام، أظهرت النتائج أن البيوتشار المستخلص من قش الذرة والمعدل بحمض الأكساليك يعد خياراً قابلاً للتطبيق لالتقاط الأمونيا من الهواء. إنه يقدم وسيلة لتحويل النفايات الزراعية إلى أداة مفيدة لمكافحة التلوث، وهي أداة يمكن تنظيفها وإعادة استخدامها باستخدام مذيبات بسيطة، مما يوفر خطوة عملية نحو إدارة غاز يصعب إزالته من الغلاف الجوي بخلاف ذلك.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.