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

El amoníaco es un gas que a menudo pasa desapercibido hasta que se convierte en un problema. Se escapa al aire desde los corrales, los desechos del ganado y la descomposición de los fertilizantes, sumándose a la mezcla de contaminantes que forman partículas finas en la atmósfera. Estas diminutas partículas pueden viajar profundamente en los pulmones y contribuir a la formación de smog, mientras que el nitrógeno que transportan puede acidificar el suelo y asfixiar las vías fluviales. Eliminar este gas del aire es difícil porque a menudo está presente en concentraciones bajas, pero sigue siendo un desafío ambiental significativo. Los científicos han buscado durante mucho tiempo materiales que puedan actuar como esponjas, atrapando las moléculas de amoníaco a medida que el aire pasa sobre ellos. Un candidato prometedor es el biochar, una sustancia similar al carbón hecha mediante el calentamiento de materia vegetal en ausencia de oxígeno. Aunque el biochar es abundante y barato, las versiones puras a menudo carecen de las características químicas específicas necesarias para agarrar el amoníaco de manera efectiva. Para resolver esto, los investigadores han comenzado a explorar formas de retocar la superficie de estos materiales, haciendo que sean más químicamente atractivos para el gas que necesitan capturar.

Un equipo de investigadores de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Harbin se propuso mejorar la capacidad del biochar de paja de maíz para capturar amoníaco gaseoso. Se centraron en un tratamiento químico simple utilizando ácido oxálico, un ácido orgánico común que se encuentra en muchas plantas, para modificar la superficie del carbón. El objetivo era ver si este tratamiento podía crear un material que no solo atrapara bien el amoníaco, sino que también pudiera limpiarse y usarse de nuevo. Los investigadores comenzaron tomando tallos de maíz secos, moliéndolos hasta obtener un polvo fino y calentándolos en un horno bajo un flujo de gas nitrógeno para evitar que se quemaran. Probaron diferentes temperaturas y duraciones de calentamiento para encontrar el mejor material base. Una vez que tuvieron un punto de partida sólido, empaparon el carbón en soluciones de ácido oxálico con diversas concentraciones, agitando la mezcla durante horas antes de secarla. Este proceso fue diseñado para recubrir el carbón con nuevos grupos químicos que pudieran interactuar más fuertemente con el amoníaco.

Para encontrar la receta perfecta, el equipo utilizó un enfoque sistemático para probar dieciséis combinaciones diferentes de temperatura de calentamiento, tiempo de calentamiento y concentración de ácido. Hicieron pasar una corriente de aire que contenía amoníaco a través de una columna llena de cada uno de estos dieciséis materiales modificados y midieron cuánto tiempo tardaba el gas en atravesar el otro lado. Los resultados señalaron a un claro ganador: una muestra fabricada calentando la paja de maíz a 500 grados Celsius durante cuatro horas y luego tratándola con una concentración específica de ácido oxálico. Este material en particular, que los investigadores etiquetaron como CC-0.4-500-4, retuvo el amoníaco durante mucho más tiempo que cualquiera de los otros, capturando un total de 27.56 miligramos de amoníaco por cada gramo de material. Este rendimiento fue significativamente mejor que el del carbón sin tratar, que luchaba por retener el gas incluso durante diez minutos.

Cuando los científicos examinaron de cerca este material ganador, descubrieron que el tratamiento con ácido oxálico había cambiado su composición física y química de maneras beneficiosas. El carbón no era un bloque sólido, sino una red porosa, muy parecida a una esponja, con una gran cantidad de poros de tamaño mediano que permitían que el gas fluyera fácilmente hacia el interior. La superficie del material era rica en grupos químicos basados en oxígeno, específicamente grupos carboxilo y carbonilo, que actúan como pequeños imanes para las moléculas de amoníaco. Estos grupos permitieron que el amoníaco se adhiriera a la superficie mediante atracción química, mientras que los poros proporcionaron una vía para que el gas llegara a esos puntos pegajosos en el interior del material. Los investigadores también detectaron la presencia de radicales libres persistentes, que son átomos inestables que pueden influir en cómo la superficie reacciona con otros productos químicos, ayudando potencialmente al proceso de captura.

Una parte crucial del estudio fue determinar si este material podía utilizarse más de una vez. Los adsorbentes solo son prácticos si pueden limpiarse y reutilizarse sin perder su eficacia. El equipo intentó lavar el carbón saturado de amoníaco con agua y etanol para ver si podían liberar el gas atrapado y restaurar la capacidad del material para capturar más. Encontraron que un lavado breve con etanol durante diez minutos fue el método más efectivo, recuperando casi dos tercios de la capacidad original del material. Incluso después de dos ciclos de captura y limpieza, el material aún conservaba casi la mitad de su capacidad inicial para atrapar amoníaco. Esto sugiere que los enlaces químicos que sujetan el amoníaco no eran tan fuertes como para que no pudieran romperse con un solvente suave, ni tan débiles como para que el material se desintegrara.

El estudio concluyó que el éxito de este material se debió a una combinación de factores trabajando en conjunto. Los poros ayudaron a transportar el gas hacia los sitios activos, mientras que la química de la superficie rica en oxígeno proporcionó el agarre necesario para retenerlo. La presencia de radicales libres y la formación de compuestos específicos que contienen nitrógeno en la superficie apoyaron además la idea de que la interacción era compleja y de naturaleza química. Si bien el material perdió algo de capacidad con el uso repetido, probablemente debido a cambios en la química de la superficie y la estructura de los poros, los resultados mostraron que el biochar de paja de maíz modificado con ácido oxálico es una opción viable para capturar amoníaco del aire. Ofrece una forma de convertir los desechos agrícolas en una herramienta útil para el control de la contaminación, una que puede limpiarse y reutilizarse con solventes simples, proporcionando un paso práctico hacia la gestión de un gas que, de otro modo, es difícil de eliminar de la atmósfera.