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

Ammoniak is een gas dat vaak onopgemerkt blijft totdat het een probleem wordt. Het ontsnapt in de lucht vanuit boerderijen, vee-afval en de afbraak van meststoffen, wat bijdraagt aan de mix van verontreinigende stoffen die fijne deeltjes in de atmosfeer vormen. Deze minuscule deeltjes kunnen diep in de longen doordringen en bijdragen aan smog, terwijl de stikstof die ze meevoeren de bodem kan verzuren en waterwegen kan verstikken. Het verwijderen van dit gas uit de lucht is moeilijk omdat het vaak in lage concentraties aanwezig is, maar het blijft een aanzienlijke milieuuitdaging. Wetenschappers zoeken al lang naar materialen die kunnen fungeren als sponsjes, die ammoniakmoleculen vangen terwijl de lucht eroverheen stroomt. Een veelbelovende kandidaat is biochar, een houtskoolachtige substantie die wordt gemaakt door plantmateriaal te verhitten in de afwezigheid van zuurstof. Hoewel biochar overvloedig en goedkoop is, missen gewone versies vaak de specifieke chemische kenmerken die nodig zijn om ammoniak effectief vast te grijpen. Om dit op te lossen, zijn onderzoekers begonnen met manieren om het oppervlak van deze materialen aan te passen, waardoor ze chemisch aantrekkelijker worden voor het gas dat ze moeten vangen.

Een team van onderzoekers aan de Harbin University of Science and Technology zette zich in om het vermogen van maïsstro-biochar om gasvormige ammoniak te vangen te verbeteren. Ze richtten zich op een eenvoudige chemische behandeling met oxaalzuur, een veelvoorkomend organisch zuur dat in veel planten voorkomt, om het oppervlak van de houtskool te modificeren. Het doel was om te zien of deze behandeling een materiaal kon creëren dat niet alleen goed ammoniak vasthield, maar ook gereinigd en hergebruikt kon worden. De onderzoekers begonnen door gedroogde maïsstengels te nemen, deze tot een fijn poeder te malen en ze in een oven te verhitten onder een stroom stikstofgas om te voorkomen dat ze zouden verbranden. Ze testten verschillende verhittingstemperaturen en -duur om het beste basismateriaal te vinden. Zodra ze een solide vertrekpunt hadden, weeken ze de houtskool in oplossingen van oxaalzuur met variërende sterktes, waarbij ze het mengsel urenlang roerden voordat ze het uitdroogden. Dit proces was ontworpen om de houtskool te coaten met nieuwe chemische groepen die mogelijk sterker met ammoniak zouden interageren.

Om het perfecte recept te vinden, gebruikte het team een systematische aanpak om zestien verschillende combinaties van verhittingstemperatuur, verhittingstijd en zuurconcentratie te testen. Ze lieten een luchtstroom die ammoniak bevatte door een kolom gevuld met elk van deze zestien gemodificeerde materialen en maten hoe lang het duurde voordat het gas aan de andere kant doorbrak. De resultaten wezen op een duidelijke winnaar: een monster gemaakt door het maïsstro te verhitten op 500 graden Celsius gedurende vier uur en het vervolgens te behandelen met een specifieke concentratie oxaalzuur. Dit specifieke materiaal, dat de onderzoekers labelden als CC-0.4-500-4, hield de ammoniak veel langer vast dan alle anderen, waarbij het in totaal 27,56 milligram ammoniak per gram materiaal opving. Deze prestatie was aanzienlijk beter dan die van de onbehandelde houtskool, die moeite had om het gas zelfs tien minuten vast te houden.

Toen de wetenschappers nauwkeurig naar dit winnende materiaal keken, ontdekten ze dat de behandeling met oxaalzuur de fysieke en chemische samenstelling op een nuttige manier had veranderd. De houtskool was geen massief blok, maar een poreus netwerk, vergelijkbaar met een sponsje, met een groot aantal mediumgrote poriën die de gasstroom gemakkelijk naar binnen lieten stromen. Het oppervlak van het materiaal was rijk aan zuurstofhoudende chemische groepen, specifiek carboxyl- en carbonylgroepen, die fungeren als kleine magneten voor de ammoniakmoleculen. Deze groepen zorgden ervoor dat de ammoniak zich aan het oppervlak hechtte door chemische aantrekking, terwijl de poriën een pad boden voor het gas om de dieper gelegen plakkerige plekken in het materiaal te bereiken. De onderzoekers detecteerden ook de aanwezigheid van persistente vrije radicalen, wat onstabiele atomen zijn die de reactie van het oppervlak met andere chemicaliën kunnen beïnvloeden, wat potentieel helpt bij het vangproces.

Een cruciaal onderdeel van de studie was bepalen of dit materiaal meer dan één keer gebruikt kon worden. Adsorbentia zijn alleen praktisch als ze gereinigd en hergebruikt kunnen worden zonder hun effectiviteit te verliezen. Het team probeerde de met ammoniak verzadigde houtskool te wassen met water en ethanol om te zien of ze het gevangen gas konden vrijmaken en het vermogen van het materiaal om meer te vangen konden herstellen. Ze ontdekten dat een korte wassing met ethanol gedurende tien minuten de meest effectieve methode was, waarbij bijna twee derde van het oorspronkelijke vermogen van het materiaal werd teruggewonnen. Zelfs na twee cycli van vangen en reinigen behield het materiaal bijna de helft van zijn initiële vermogen om ammoniak te vangen. Dit suggereert dat de chemische verbindingen die de ammoniak vasthielden niet zo sterk waren dat ze niet doorbroken konden worden door een milde oplosmiddel, noch zo zwak dat het materiaal uit elkaar viel.

De studie concludeerde dat het succes van dit materiaal voortkwam uit een combinatie van factoren die samenwerkten. De poriën hielpen bij het transport van het gas naar de actieve plaatsen, terwijl de zuurstofrijke oppervlaktechemie de nodige grip bood om het vast te houden. De aanwezigheid van vrije radicalen en de vorming van specifieke stikstofhoudende verbindingen op het oppervlak ondersteunden verder het idee dat de interactie complex en van chemische aard was. Hoewel het materiaal bij herhaaldelijk gebruik enige capaciteit verloor, waarschijnlijk door veranderingen in de oppervlaktechemie en de poriestructuur, toonden de resultaten aan dat oxaalzuur-gemodificeerde maïsstro-biochar een levensvatbare optie is voor het vangen van ammoniak uit de lucht. Het biedt een manier om agrarisch afval om te zetten in een nuttig instrument voor vervuilingsbestrijding, een instrument dat met eenvoudige oplosmiddelen gereinigd en hergebruikt kan worden, wat een praktische stap vormt naar het beheersen van een gas dat anders moeilijk te verwijderen is uit de atmosfeer.