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

A amônia é um gás que frequentemente passa despercebido até se tornar um problema. Ela escapa para o ar de currais, resíduos de gado e da decomposição de fertilizantes, somando-se à mistura de poluentes que formam partículas finas na atmosfera. Essas partículas minúsculas podem viajar profundamente nos pulmões e contribuir para o smog, enquanto o nitrogênio que elas carregam pode acidificar o solo e sufocar cursos de água. Remover este gás do ar é difícil porque ele está frequentemente presente em baixas concentrações, mas continua sendo um desafio ambiental significativo. Cientistas há muito buscam materiais que possam agir como esponjas, prendendo as moléculas de amônia conforme o ar passa por eles. Um candidato promissor é o biochar, uma substância semelhante ao carvão feita pelo aquecimento de matéria vegetal na ausência de oxigênio. Embora o biochar seja abundante e barato, as versões puras muitas vezes carecem das características químicas específicas necessárias para agarrar a amônia de forma eficaz. Para resolver isso, pesquisadores começaram a explorar maneiras de ajustar a superfície desses materiais, tornando-os quimicamente mais atraentes para o gás que precisam capturar.

Uma equipe de pesquisadores da Universidade de Ciência e Tecnologia de Harbin estabeleceu o objetivo de melhorar a capacidade do biochar de palha de milho de capturar amônia gasosa. Eles se concentraram em um tratamento químico simples usando ácido oxálico, um ácido orgânico comum encontrado em muitas plantas, para modificar a superfície do carvão. O objetivo era ver se esse tratamento poderia criar um material que não apenas prendesse bem a amônia, mas que também pudesse ser limpo e usado novamente. Os pesquisadores começaram pegando talos de milho secos, moendo-os em um pó fino e aquecendo-os em um forno sob um fluxo de gás nitrogênio para evitar que fossem queimados. Eles testaram diferentes temperaturas e durações de aquecimento para encontrar o melhor material base. Uma vez que tiveram um ponto de partida sólido, mergulharam o carvão em soluções de ácido oxálico com diferentes concentrações, agitando a mistura por horas antes de secá-la. Este processo foi projetado para revestir o carvão com novos grupos químicos que poderiam interagir mais fortemente com a amônia.

Para encontrar a receita perfeita, a equipe utilizou uma abordagem sistemática para testar dezesseis combinações diferentes de temperatura de aquecimento, tempo de aquecimento e concentração de ácido. Eles passaram um fluxo de ar contendo amônia através de uma coluna preenchida com cada um dos dezesseis materiais modificados e mediram quanto tempo levava para o gás romper o outro lado. Os resultados apontaram para um vencedor claro: uma amostra feita pelo aquecimento da palha de milho a 500 graus Celsius por quatro horas e, em seguida, tratada com uma concentração específica de ácido oxálico. Este material em particular, que os pesquisadores rotularam como CC-0.4-500-4, segurou a amônia por muito mais tempo do que qualquer outro, capturando um total de 27,56 miligramas de amônia para cada grama de material. Este desempenho foi significativamente melhor do que o do carvão não tratado, que teve dificuldade em reter o gás por sequer dez minutos.

Quando os cientistas observaram de perto este material vencedor, descobriram que o tratamento com ácido oxálico havia alterado sua composição física e química de maneiras úteis. O carvão não era um bloco sólido, mas uma rede porosa, muito parecida com uma esponja, com um grande número de poros de tamanho médio que permitiam que o gás fluísse facilmente para o interior. A superfície do material era rica em grupos químicos baseados em oxigênio, especificamente grupos carboxila e carbonila, que atuam como pequenos ímãs para as moléculas de amônia. Esses grupos permitiam que a amônia grudasse na superfície através de atração química, enquanto os poros forneciam um caminho para o gás alcançar esses pontos pegajosos no interior do material. Os pesquisadores também detectaram a presença de radicais livres persistentes, que são átomos instáveis que podem influenciar como a superfície reage com outros produtos químicos, potencialmente ajudando o processo de captura.

Uma parte crucial do estudo foi determinar se este material poderia ser usado mais de uma vez. Adsorventes só são práticos se puderem ser limpos e reutilizados sem perder sua eficácia. A equipe tentou lavar o carvão saturado com amônia com água e etanol para ver se conseguiam liberar o gás preso e restaurar a capacidade do material de capturar mais. Eles descobriram que uma lavagem breve com etanol por dez minutos foi o método mais eficaz, recuperando quase dois terços da capacidade original do material. Mesmo após dois ciclos de captura e limpeza, o material ainda retinha quase metade de sua capacidade inicial de prender a amônia. Isso sugere que as ligações químicas que seguram a amônia não eram tão fortes a ponto de não poderem ser quebradas por um solvente suave, nem tão fracas a ponto de o material se desintegrar.

O estudo concluiu que o sucesso deste material veio de uma combinação de fatores trabalhando juntos. Os poros ajudavam a transportar o gás para os sítios ativos, enquanto a química de superfície rica em oxigênio fornecia a aderência necessária para segurá-lo. A presença de radicais livres e a formação de compostos específicos contendo nitrogênio na superfície apoiaram ainda mais a ideia de que a interação era complexa e de natureza química. Embora o material tenha perdido alguma capacidade com o uso repetido, provavelmente devido a mudanças na química da superfície e na estrutura dos poros, os resultados mostraram que o biochar de palha de milho modificado com ácido oxálico é uma opção viável para capturar amônia do ar. Oferece uma maneira de transformar resíduos agrícolas em uma ferramenta útil para o controle da poluição, uma que pode ser limpa e reutilizada com solventes simples, proporcionando um passo prático em direção ao gerenciamento de um gás que é, de outra forma, difícil de remover da atmosfera.