Dynamic adsorption and regeneration of gaseous ammonia on oxalic acid-modified corn-straw biochar

Ammoniak ist ein Gas, das oft unbemerkt bleibt, bis es zum Problem wird. Es entweicht aus Bauernhöfen, tierischen Abfällen und dem Abbau von Düngemitteln in die Luft und trägt so zur Mischung von Schadstoffen bei, die feine Partikel in der Atmosphäre bilden. Diese winzigen Partikel können tief in die Lunge gelangen und zur Smogbildung beitragen, während der Stickstoff, den sie tragen, den Boden versauern und Gewässer ersticken kann. Die Entfernung dieses Gases aus der Luft ist schwierig, da es oft in niedrigen Konzentrationen vorhanden ist, dennoch stellt es eine bedeutende ökologische Herausforderung dar. Wissenschaftler suchen schon lange nach Materialien, die wie Schwämme wirken können, indem sie Ammoniakmoleküle einfangen, während die Luft über ihnen vorbeiströmt. Ein vielversprechender Kandidat ist Biochar (Pflanzenkohle), eine kohleähnliche Substanz, die durch Erhitzen von Pflanzenmaterial unter Abwesenheit von Sauerstoff hergestellt wird. Während herkömmliche Versionen von Biochar reichlich vorhanden und günstig sind, fehlt ihnen oft die spezifischen chemischen Merkmale, die nötig sind, um Ammoniak effektiv einzufangen. Um dies zu lösen, haben Forscher begonnen, Wege zu erforschen, die Oberfläche dieser Materialien zu modifizieren, um sie chemisch attraktiver für das Gas zu machen, das sie einfangen sollen.

Ein Team von Forschern an der Harbin University of Science and Technology setzte sich zum Ziel, die Fähigkeit von Maisstroh-Biochar zu verbessern, gasförmiges Ammoniak zu binden. Sie konzentrierten sich auf eine einfache chemische Behandlung mit Oxalsäure, einer häufig in vielen Pflanzen vorkommenden organischen Säure, um die Oberfläche der Kohle zu modifizieren. Das Ziel war es zu sehen, ob diese Behandlung ein Material schaffen könnte, das nicht nur Ammoniak gut einfängt, sondern auch gereinigt und wiederverwendet werden kann. Die Forscher begannen damit, getrocknete Maisstängel zu nehmen, sie in ein feines Pulver zu mahlen und sie in einem Ofen unter einem Stickstoffstrom zu erhitzen, um das Verbrennen zu verhindern. Sie testeten verschiedene Erhitungstemperaturen und -dauern, um das beste Basismaterial zu finden. Sob-ald sie einen soliden Ausgangspunkt hatten, weichten sie die Kohle in Lösungen von Oxalsäure mit unterschiedlichen Stärken ein und rührten die Mischung stundenlang um, bevor sie diese trockneten. Dieser Prozess war darauf ausgelegt, die Kohle mit neuen chemischen Gruppen zu beschichten, die möglicherweise stärker mit Ammoniak interagieren.

Um das perfekte Rezept zu finden, nutzte das Team einen systematischen Ansatz, um sechzehn verschiedene Kombinationen von Erhitungstemperatur, Erhitungsdauer und Säurekonzentration zu testen. Sie leiteten einen Luftstrom, der Ammoniak enthielt, durch eine Säule, die mit jedem der sechzehn modifizierten Materialien gefüllt war, und maßen, wie lange es dauerte, bis das Gas auf der anderen Seite durchbrach. Die Ergebnisse deuteten auf einen klaren Gewinner hin: eine Probe, die durch das Erhitzen des Maisstrohs bei 500 Grad Celsius für vier Stunden und die anschließende Behandlung mit einer spezifischen Konzentration an Oxalsäure hergestellt wurde. Dieses spezielle Material, das die Forscher als CC-0.4-500-4 bezeichneten, hielt das Ammoniak weitaus länger fest als alle anderen und fing insgesamt 27,56 Milligramm Ammoniak pro Gramm Material ein. Diese Leistung war signifikant besser als die der unbehandelten Kohle, die Schwierigkeiten hatte, das Gas auch nur zehn Minuten lang festzuhalten.

Als die Wissenschaftler dieses Gewinndesign genau untersuchten, stellten sie fest, dass die Oxalsäurebehandlung die physikalische und chemische Zusammensetzung auf hilfreiche Weise verändert hatte. Die Kohle war kein massiver Block, sondern ein poröses Netzwerk, ganz ähnlich einem Schwamm, mit einer großen Anzahl mittelgroßer Poren, die es dem Gas ermöglichten, leicht hineinfließen zu können. Die Oberfläche des Materials war reich an sauerstoffbasierten chemischen Gruppen, speziell Carboxyl- und Carbonylgruppen, die wie winzige Magnete für die Ammoniakmoleküle wirken. Diese Gruppen ermöglichten es dem Ammoniak, durch chemische Anziehung an der Oberfläche zu haften, während die Poren einen Pfad boten, damit das Gas zu jenen „klebrigen“ Stellen tief im Inneren des Materials gelangen konnte. Die Forscher detektierten zudem das Vorhandensein persistenter freier Radikale – instabile Atome, die beeinflussen können, wie die Oberfläche mit anderen Chemikalien reagiert, was potenziell den Einfangprozess unterstützt.

Ein entscheidender Teil der Studie war die Bestimmung, ob dieses Material mehr als einmal verwendet werden konnte. Adsorbentien sind nur dann praktisch, wenn sie gereinigt und wiederverwendet werden können, ohne ihre Wirksamkeit zu verlieren. Das Team versuchte, die ammoniakgesättigte Kohle mit Wasser und Ethanol zu waschen, um zu sehen, ob sie das eingefangene Gas freisetzen und die Fähigkeit des Materials wiederherstellen konnten, mehr einzufangen. Sie fanden heraus, dass eine kurze Wäsche mit Ethanol für zehn Minuten die effektivste Methode war, wobei fast zwei Drittel der ursprünglichen Kapazität des Materials zurückgewonnen wurden. Selbst nach zwei Zyklen des Einfangens und Reinigens behielt das Material noch fast die Hälfte seiner ursprünglichen Fähigkeit zur Ammoniakbindung. Dies deutet darauf hin, dass die chemischen Bindungen, die das Ammoniak halten, nicht so stark waren, dass sie nicht durch ein mildes Lösungsmittel gebrochen werden konnten, aber auch nicht so schwach, dass das Material auseinanderfiel.

Die Studie kam zu dem Schluss, dass der Erfolg dieses Materials auf einer Kombination von Faktoren beruhte, die zusammenwirkten. Die Poren halfen dabei, das Gas zu den aktiven Zentren zu transportieren, während die sauerstoffreiche Oberflächenchemie den nötigen Griff bot, um es festzuhalten. Das Vorhandensein freier Radikale und die Bildung spezifischer stickstoffhaltiger Verbindungen auf der Oberfläche stützten ferner die Vorstellung, dass die Wechselwirkung komplex und chemischer Natur war. Obwohl das Material bei wiederholter Verwendung etwas an Kapazität verlor, was wahrscheinlich auf Veränderungen in der Oberflächenchemie und der Porenstruktur zurückzuführen ist, zeigten die Ergebnisse, dass oxalsäuremodifizierte Maisstroh-Pflanzenkohle eine praktikable Option zur Aufnahme von Ammoniak aus der Luft ist. Sie bietet einen Weg, landwirtschaftliche Abfälle in ein nützliches Werkzeug zur Schadstoffkontrolle zu verwandeln, das mit einfachen Lösungsmitteln gereinigt und wiederverwendet werden kann, und stellt somit einen praktischen Schritt zum Management eines Gases dar, das ansonsten schwierig aus der Atmosphäre zu entfernen ist.