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

L'ammoniaca è un gas che spesso passa inosservato finché non diventa un problema. Si libera nell'aria dai cortili delle fattorie, dai rifiuti del bestiame e dalla decomposizione dei fertilizzanti, aggiungendosi al mix di inquinanti che formano particelle sottili nell'atmosfera. Queste minuscole particelle possono penetrare in profondità nei polmoni e contribuire allo smog, mentre l'azoto che trasportano può acidificare il suolo e soffocare i corsi d'acqua. Rimuovere questo gas dall'aria è difficile perché è spesso presente in basse concentrazioni, eppure rimane una sfida ambientale significativa. Gli scienziati cercano da tempo materiali che possano agire come spugne, intrappolando le molecole di ammoniaca mentre l'aria vi passa sopra. Un candidato promettente è il biochar, una sostanza simile al carbone ottenuta riscaldando materia vegetale in assenza di ossigeno. Sebbene il biochar sia abbondante ed economico, le versioni semplici spesso mancano delle specifiche caratteristiche chimiche necessarie per agganciare efficacemente l'ammoniaca. Per risolvere questo problema, i ricercatori hanno iniziato a esplorare modi per modificare la superficie di questi materiali, rendendoli chimicamente più attraenti per il gas che devono catturare.

Un team di ricercatori dell'Università di Scienza e Tecnologia di Harbin si è posto l'obiettivo di migliorare la capacità del biochar di paglia di mais di catturare l'ammoniaca gassosa. Si sono concentrati su un semplice trattamento chimico utilizzando l'acido ossalico, un comune acido organico presente in molte piante, per modificare la superficie del carbone. L'obiettivo era vedere se questo trattamento potesse creare un materiale che non solo intrappolasse bene l'ammoniaca, ma che potesse anche essere pulito e riutilizzato. I ricercatori hanno iniziato prendendo steli di mais essiccati, macinandoli in una polvere fine e riscaldandoli in un forno sotto un flusso di azoto per evitare che bruciassero. Hanno testato diverse temperature e durate di riscaldamento per trovare il miglior materiale di base. Una volta ottenuto un punto di partenza solido, hanno immerso il carbone in soluzioni di acido ossalico di diverse concentrazioni, mescolando la miscela per ore prima di asciugarla. Questo processo è stato progettato per rivestire il carbone con nuovi gruppi chimici che potrebbero interagire più fortemente con l'ammoniaca.

Per trovare la ricetta perfetta, il team ha utilizzato un approccio sistematico per testare sedici diverse combinazioni di temperatura di riscaldamento, tempo di riscaldamento e concentrazione di acido. Hanno fatto passare un flusso d'aria contenente ammoniaca attraverso una colonna riempita con ciascuno dei sedici materiali modificati e hanno misurato quanto tempo impiegava il gas a rompere attraverso l'altro lato. I risultati hanno indicato un vincitore chiaro: un campione ottenuto riscaldando la paglia di mais a 500 gradi Celsius per quattro ore e poi trattandolo con una specifica concentrazione di acido ossalico. Questo particolare materiale, che i ricercatori hanno etichettato come CC-0.4-500-4, tratteneva l'ammoniaca molto più a lungo di tutti gli altri, catturando un totale di 27,56 milligrammi di ammoniaca per ogni grammo di materiale. Questa prestazione era significativamente migliore rispetto al carbone non trattato, che faticava a trattenere il gas per anche solo dieci minuti.

Quando gli scienziati hanno esaminato da vicino questo materiale vincente, hanno scoperto che il trattamento con acido ossalico ne aveva cambiato la composizione fisica e chimica in modi utili. Il carbone non era un blocco solido, ma una rete porosa, molto simile a una spugna, con un gran numero di pori di medie dimensioni che permettevano al gas di fluire facilmente all'interno. La superficie del materiale era ricca di gruppi chimici basati sull'ossigeno, specificamente gruppi carbossilici e carbonilici, che agiscono come piccoli magneti per le molecole di ammoniaca. Questi gruppi permettevano all'ammoniaca di aderire alla superficie attraverso l'attrazione chimica, mentre i pori fornivano un percorso affinché il gas raggiungesse quei punti appiccicosi all'interno del materiale. I ricercatori hanno anche rilevato la presenza di radicali liberi persistenti, ovvero atomi instabili che possono influenzare il modo in cui la superficie reagisce con altre sostanze chimiche, potenzialmente aiutando il processo di cattura.

Una parte cruciale dello studio è stata determinare se questo materiale potesse essere utilizzato più di una volta. Gli adsorbenti sono pratici solo se possono essere puliti e riutilizzati senza perdere la loro efficacia. Il team ha provato a lavare il carbone saturo di ammoniaca con acqua ed etanolo per vedere se potevano rilasciare il gas intrappolato e ripristinare la capacità del materiale di catturare nuovo gas. Hanno scoperto che un breve lavaggio con etanolo per dieci minuti era il metodo più efficace, recuperando quasi due terzi della capacità originale del materiale. Anche dopo due cicli di cattura e pulizia, il materiale manteneva ancora quasi la metà della sua capacità iniziale di intrappolare l'ammoniaca. Ciò suggerisce che i legami chimici che tengono l'ammoniaca non fossero così forti da non poter essere spezzati da un detergente delicato, né così deboli da far sì che il materiale si sfaldasse.

Lo studio ha concluso che il successo di questo materiale derivava da una combinazione di fattori che lavoravano insieme. I pori aiutavano a trasportare il gas verso i siti attivi, mentre la chimica superficiale ricca di ossigeno forniva la presa necessaria per trattenerlo. La presenza di radicali liberi e la formazione di specifici composti contenenti azoto sulla superficie hanno ulteriormente supportato l'idea che l'interazione fosse complessa e di natura chimica. Sebbene il materiale abbia perso parte della sua capacità con l'uso ripetuto, probabilmente a causa di cambiamenti nella chimica superficiale e nella struttura dei pori, i risultati hanno dimostrato che il biochar di paglia di mais modificato con acido ossalico è un'opzione valida per la cattura dell'ammoniaca dall'aria. Offre un modo per trasformare i rifiuti agricoli in uno strumento utile per il controllo dell'inquinamento, uno strumento che può essere pulito e riutilizzato con semplici solventi, fornendo un passo pratico verso la gestione di un gas che è altrimenti difficile da rimuovere dall'atmosfera.