Pyrolysis-driven molecular reorganization controls photon absorption and reactive-intermediate formation in sewage sludge biochar-derived dissolved organic matter
Questo studio dimostra che la temperatura di pirolisi controlla criticamente il rilascio, la composizione molecolare e la reattività fotochimica della materia organica disciolta derivata da biochar di fanghi di depurazione, rivelando che mentre temperature più elevate sopprimono la mobilitazione del carbonio, un intervallo specifico (400–500 °C) massimizza la formazione di intermedi reattivi principalmente attraverso un potenziato assorbimento di fotoni guidato dall'arricchimento di strutture aromatiche e insature.
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Quando gli impianti di trattamento delle acque reflue finiscono di depurare le nostre acque di scarico, si ritrovano con un fango denso e umido ricco di materia organica. Per gestire questo rifiuto, molti impianti ora lo riscaldano in assenza di ossigeno, un processo chiamato pirolisi, che trasforma il fango in un materiale solido, simile al carbone, noto come biochar. Questo biochar viene spesso distribuito nei campi per migliorare la salute del suolo. Tuttavia, quando la pioggia cade su questo nuovo ammendante del suolo, una piccola parte del carbonio all'interno del biochar si dissolve nell'acqua, creando una miscela complessa di molecole organiche. Gli scienziati chiamano questo materiale disciolto materia organica disciolta derivata dal biochar. Una volta nell'acqua, questa miscela non resta ferma; interagisce con la luce solare. Le molecole possono assorbire l'energia luminosa e usarla per creare specie chimiche altamente reattive che possono scomporre gli inquinanti o alterare il modo in cui i nutrienti si muovono nell'ambiente. Comprendere esattamente quanto materiale si disciolva, come siano fatte le sue molecole e come si comportino sotto la luce è fondamentale per prevedere l'impatto ambientale dell'uso del biochar.
Ricercatori dell'Università di Scienza e Tecnologia di Anhui e dell'Accademia Cinese delle Scienze si sono posti l'obiettivo di mappare questi cambiamenti creando biochar da fanghi di depurazione a sei diverse temperature, che vanno da una temperatura mite di 200 gradi Celsius fino a una rovente di 700 gradi Celsius. Hanno poi lavato ciascun tipo di biochar con acqua per estrarre la materia organica disciolta e hanno analizzato le soluzioni risultanti utilizzando una serie di strumenti avanzati. Hanno misurato quanto carbonio si fosse disciolto, quanto fortemente l'acqua assorbiva la luce e la dimensione e la composizione chimica delle molecole presenti. Fondamentalmente, hanno anche esposto queste soluzioni alla luce solare simulata per vedere quanti intermedi chimici reattivi venissero prodotti. Il loro obiettivo era vedere se riscaldare semplicemente di più lo fango rendesse sempre il materiale disciolto più o meno reattivo, o se la relazione fosse più complicata.
Lo studio ha rivelato un sorprendente disconnessione tra quanto materiale si scioglieva e quanto fosse attivo. All'aumentare della temperatura di riscaldamento, la quantità di carbonio che veniva lavata via dal biochar diminuiva drasticamente, calando di oltre il 97 percento dal valore della temperatura più bassa a quella più alta. Si potrebbe presumere che meno materiale significhi meno attività chimica, ma i ricercatori hanno scoperto il contrario per un intervallo di temperatura specifico. Il materiale disciolto dal biochar riscaldato a 400 gradi Celsius, pur essendo molto più piccolo in quantità, era il più efficace nell'assorbire la luce. Questo campione conteneva un'alta concentrazione di specifiche strutture molecolari che sono ottime nel catturare l'energia solare, portando alla massima produzione di sostanze chimiche reattive quando esposte alla luce. Infatti, il picco di reattività chimica si è verificato a 400 gradi, nonostante la quantità di carbonio disciolto a quella temperatura fosse già molto bassa rispetto al riscaldamento più mite.
Il team ha utilizzato la spettrometria di massa ad alta risoluzione per guardare all'interno della composizione molecolare di queste soluzioni e ha scoperto che la chimica cambiava drasticamente all'aumentare della temperatura. Alle temperature più basse, le molecole disciolte erano ricche di azoto, riflettendo la natura ricca di proteine del fango originale. Tuttavia, man mano che la temperatura saliva verso i 400 gradi, la miscela diventava dominata da strutture insature e ad anello che sono eccellenti nell'assorbire la luce. Poi, tra i 400 e i 500 gradi, si è verificato un importante cambiamento molecolare. I ricercatori hanno osservato che le molecole specifiche che rendevano così reattivo il campione a 400 gradi erano ampiamente scomparse, sostituite da un set diverso di molecole che erano più sature e contenevano zolfo. Questa transizione è stata così netta che l'impronta chimica del campione a 500 gradi era quasi interamente diversa da quella del campione a 400 gradi, con pochissime molecole condivise.
Nonostante questi cambiamenti, lo studio ha dimostrato che il campione più reattivo non era quello con la massima efficienza nel convertire la luce in energia chimica, ma piuttosto quello che semplicemente assorbiva più luce. Alle temperature superiori ai 500 gradi, il materiale disciolto rimanente è diventato molto scarso nell'assorbire la luce, anche se le poche molecole rimaste sono diventate sorprendentemente efficienti nell'usare la luce che catturavano. Tuttavia, questa alta efficienza non poteva compensare la mancanza di assorbimento della luce. Il risultato è stato che la quantità totale di sostanze chimiche reattive prodotte è diminuita significamente alle temperature più elevate. I ricercatori hanno concluso che il processo di riscaldamento separa efficacemente tre diversi fattori: quanta quantità di carbonio viene rilasciata, quanta luce viene catturata e quanto efficientemente tale luce viene utilizzata.
Questo lavoro dimostra che il comportamento ambientale del biochar derivato dai fanghi di depurazione non può essere previsto guardando a un solo fattore, come quanto carbonio si dissolve o quanto è stata calda la produzione del biochar. Inveve, la temperatura di riscaldamento agisce come un interruttore che controlla quale di questi fattori domina. Il materiale disciolto più chimicamente attivo è stato riscontrato a una temperatura intermedia di 400 gradi, dove l'equilibrio delle strutture molecolari permetteva la massima assorbimento della luce. Questo risultato suggerisce che, se l'obiettivo è minimizzare la formazione di sostanze chimiche reattive nell'ambiente, riscaldare semplicemente il biochar a temperature molto elevate potrebbe non essere la strategia migliore, poiché il materiale disciolto rimanente, pur essendo meno abbondante, conserva comunque una certa attività chimica. Lo studio fornisce una mappa chiara e dettagliata di come il calore trasformi i rifiuti in una miscela disciolta, mostrando che il percorso dal rifiuto alla chimica dell'acqua è governato da un complesso intreccio di riorganizzazione molecolare piuttosto che da una semplice progressione lineare.
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