استعمالات الفحم النباتي للتنقية الهواء

العالمتان المتوصلتان للنتائج

هل يمكن للفحم التخلص من كميات كبيرة من الأمونيا الملوثة للهواء؟

راشيل هيسترين (على اليمين) على خطوط الضوء في مصدر الضوء الكندي مع زميلتها الباحثة في جامعة كورنيل أنجيلا بوسينجر. الائتمان: مصدر الضوء الكندي.

اكتشف العلماء أن الفحم يحبس تلوث الأمونيا

بواسطة مصدر الضوء الكندي

أظهر العالمان راشيل هيسترين ويوهانس ليمان من جامعة كورنيل، جنبًا إلى جنب مع متعاونين من كندا وأستراليا، أن الفحم يمكن أن يتخلص من كميات كبيرة من النيتروجين من الأمونيا الملوثة للهواء، مما يؤدي إلى إنتاج سماد بطيء الإطلاق يحتوي على نيتروجين أكثر من معظم السماد الحيواني أو الأسمدة. تعديلات التربة الطبيعية الأخرى. ونشرت النتائج يوم الجمعة في مجلة Nature Communications.

تعتبر الأمونيا مكونًا شائعًا في الأسمدة الزراعية وتوفر شكلاً متوافرًا بيولوجيًا من المغذيات الأساسية للنيتروجين للنباتات. ومع ذلك، الأمونيا هي أيضًا غاز شديد التفاعل يمكن أن يتحد مع ملوثات الهواء الأخرى لتكوين جزيئات تنتقل إلى عمق الرئتين، مما يؤدي إلى مجموعة من مشاكل الجهاز التنفسي. كما أنه يساهم بشكل غير مباشر في تغير المناخ عندما يتم تحويل مدخلات الأسمدة الزائدة إلى التربة إلى أكسيد النيتروز، وهو أحد غازات الدفيئة القوية.

وفي كندا، زادت انبعاثات الأمونيا بنسبة 22 في المائة منذ عام 1990، ويتم إنتاج 90 في المائة منها عن طريق الزراعة، وخاصة من السماد الطبيعي، والملاط، وتطبيقات الأسمدة. إن التخفيف من هذا التلوث - دون الحد من الأسمدة ونمو الغذاء لسكان العالم المتزايدين - هو المفتاح لمستقبل مستدام.

الفحم، المعروف أيضًا باسم المادة العضوية المشتقة من النار أو الفحم الحيوي، هو مادة طبيعية موجودة في البيئة وتعديل زراعي. أثارت الأبحاث الحديثة حول الفوائد الزراعية المحتملة للفحم الاهتمام بخصائصه الكيميائية وقدرته على الاحتفاظ بالعناصر الغذائية الأساسية وتوفيرها للنباتات.

واستخدم الباحثون مصدر الضوء الكندي في جامعة ساسكاتشوان لفحص كيفية تفاعل غاز الأمونيا مع الفحم في الظروف الطبيعية. وفقًا لليمان، "تعد المحطات النهائية الفريدة في CLS رائعة لهذا النوع من التحليل الطيفي للأشعة السينية للنيتروجين."

تحدد دراسة هيسترين وليهمان قدرة الفحم على التقاط النيتروجين من الأمونيا المحمولة جواً من خلال تكوين روابط تساهمية، والتي يمكن أن توفر سمادًا بطيئًا طويل المدى لإنتاج المحاصيل الحقلية والدفيئة. وأظهرت دراسات سابقة أن هذه التفاعلات حدثت بين الأمونيا ومواد الكربون المهندسة تحت درجات حرارة عالية، لكن لم يكن هناك دليل على درجة الحرارة المحيطة وظروف الضغط.

تقول هيسترين إن استخدام إمكانات خط الشعاع في مصدر الضوء الكندي كان ضروريًا لهذا الاكتشاف الذي غير قواعد اللعبة، وحوّله إلى مشروع أكبر بكثير مما كان مخططًا له في الأصل.

"قدم خط شعاع CLS أفضل طريقة لدراسة كيفية احتفاظ الفحم بالنيتروجين من الأمونيا. وكان اكتشاف أن النيتروجين تم الاحتفاظ به من خلال مجموعة متنوعة من الروابط التساهمية بمثابة تغيير حقيقي لقواعد اللعبة في بحثنا. وهذا يعني أن النيتروجين الملتقط من السماد أو السماد قد يكون أقل عرضة للخسارة من خلال الترشيح أو التطاير مما كنا نعتقد سابقا."

يلعب النيتروجين دورًا مهمًا في تغير المناخ، وهو موجود في أشكال عديدة، بعضها ضروري للكائنات الحية، والبعض الآخر غازات سامة أو ضارة. إن توفير كمية كافية من النيتروجين للمحاصيل مع تقليل تسرب النيتروجين إلى المياه الجوفية أو الانبعاثات الغازية في الغلاف الجوي له عواقب بيئية مهمة.

في الوقت الحالي، يمكن فقدان ما يصل إلى 50 في المائة من النيتروجين الذي يدخل إلى منشأة التسميد على شكل غاز أمونيا - ويمكن أن يؤدي احتجازه مباشرة من المصدر إلى تقليل التلوث وفقدان المغذيات النباتية القيمة بشكل كبير.

تشير الأبحاث الإضافية حول هذا الاكتشاف الرائد إلى أن التأثير البيئي لاحتجاز نيتروجين الفحم من غاز الأمونيا يمكن أن يلعب دورًا مهمًا في دورات الكربون والنيتروجين العالمية. وبالإضافة إلى قدرته على تحسين إدارة المغذيات الزراعية، ينبغي أيضًا أخذ تأثيرات الفحم في التربة والهواء والماء على تخزين النيتروجين وتوافره في النظم البيئية الطبيعية.

 

يحتفظ الفحم بالأمونيا من خلال تكوين الرابطة التساهمية

الملخص

توجد كميات كبيرة من الكربون البيروجيني في تربة الأرض والغلاف الجوي والرواسب البحرية ومياه المحيطات (54-109، 0.2610−3، 480-1440، و26-145 بيكوغرام من الكربون، على التوالي). تأتي غالبية الكربون البيروجيني في التربة من الكتلة الحيوية المحترقة التي تنتجها حرائق النباتات، والتي يمكن أن تضيف ما يصل إلى 129 تيراغرام من كربون PyOM (PyOM–C) كل عام إلى مخزونات التربة من الكربون. تعد التفاعلات بين السطح غير المتجانس لـ C البيروجيني - والذي يتضمن كلاً من C العطرية والأليفاتية والمكثفات وعناصر أخرى بما في ذلك N وH وO - ومصادر N المحيطة من بين الجوانب العديدة للكيمياء الحيوية البيروجينية C التي لا تزال غير مفهومة جيدًا. قد يكون لتفاعلات PyOM-Environmental N تأثير على النقل العالمي N، وانبعاثات N الغازية، وترشيح N، وتوافر N للكائنات الحية. 

هنا، نركز على تفاعلات PyOM مع NH3، وهو الغاز القلوي الأكثر انتشارًا في البيئة. من المتوقع أن تزداد انبعاثات NH3 في جميع أنحاء العالم بحلول عام 2050 وتمثل جزءًا كبيرًا من تجمع N التفاعلي على الأرض. تعد مياه الأمطار والأسمدة N والمواد العضوية المتحللة من المصادر الشائعة لـ NH3 في التربة. لقد تم إثبات قدرة العديد من أنواع المواد العضوية الموجودة بشكل طبيعي والمعدلة صناعيًا على الاحتفاظ بـ NH37،8،9،10،11،12،13،14،15،16،17 و18 في الأبحاث المختبرية؛ ومع ذلك، يجب اكتشاف العمليات الكامنة وراء الاحتفاظ بـ NH3 في الظروف المحيطة وقدرة الاحتفاظ بـ NH3 لمخزونات PyOM الطبيعية. وبالتالي، فمن غير الواضح إلى أي مدى يمكن أن تساهم هذه التحقيقات في معرفتنا بوظيفة PyOM في الدورات البيوجيوكيميائية العالمية.

يعد هطول أملاح الأمونيوم (NH4+) والامتصاص الفيزيائي والتفاعلات الكهروستاتيكية من بين العمليات المفترضة للاحتفاظ بـ NH3 بواسطة PyOM7،8،9 الطبيعي. في حين أن PyOM قد يكون بمثابة حوض مؤقت للنيتروجين، نظرًا لآليات الاحتفاظ هذه، فإن النيتروجين الذي تحتفظ به يمكن أن تمتصه النباتات والكائنات الحية الدقيقة بسهولة، أو يتم فقده بواسطة الغاز أو نقل المواد المذابة7. 

من ناحية أخرى، سيتم تحقيق الاحتفاظ بـ N طويل الأمد من خلال اتصالات تساهمية أقوى بين PyOM وNH3، مما سيمكن PyOM من العمل كمصدر N ديناميكي طويل المدى ومغسلة عن طريق امتصاص NH3 من المناطق المحيطة به وإطلاقه تدريجيًا. من المحتمل أن ينشأ من هذا اقتران أكبر لدورتي C وN العالمية، حيث سيتم نقل NH3–N المرتبط تساهميًا مع PyOM–C أثناء السفر لمسافات طويلة. ومع ذلك، لم يكن هناك أي دليل على تكوين رابطة تساهمية بين NH3 وPyOM الطبيعي في ظل الظروف الأرضية المحيطة حتى الآن.

هناك بعض الدلائل على أن NH3 وأبناء عمومة PyOM المصنعة صناعيًا أو الهباء الجوي العضوي الثانوي الموجود في البيئة يمكن أن يشكلوا روابط تساهمية في ظل ظروف معملية محددة. عند التعرض لـ NH3 عند درجات حرارة أعلى من 200 درجة مئوية، قد تولد أكاسيد الجرافين والكربون المنشط مجموعة متنوعة من هياكل N الحلقية وغير الدورية 10،11،12،13،14،17، و18. ومع ذلك، يتم تغيير هذه المواد بشكل متكرر (على سبيل المثال، من خلال التعرض للحرارة أو المواد المؤكسدة الكيميائية أو المعادن)، لها مساحات سطحية وتركيبات مجموعة وظيفية تختلف بشكل كبير عن تلك الموجودة في PyOM الطبيعي، وتتعرض لـ NH3 في ظروف بيئية غير طبيعية. لذلك، من غير الواضح ما إذا كان نفس النطاق من هياكل N التساهمية سيتشكل في بيئة طبيعية وما إذا كان من الممكن استخدام هذه التحقيقات حول أكاسيد الجرافين والكربون المنشط لتوقع التفاعلات بين PyOM الطبيعي وNH3. 

عندما يتعرض أبناء عمومة PyOM الصناعية إلى NH3 في درجة حرارة الغرفة، فقد يشكلون روابط أمين وأميد غير حلقية. عند تعرضها للأحماض الأمينية NH3 وNH4+ والأحماض الأمينية في الغلاف الجوي، يمكن للهباء الجوي العضوي الثانوي - الذي يتضمن مجموعات وظيفية موجودة في PyOM الأرضية - أن يشكل كلاً من هياكل N غير الحلقية ودورات N غير المتجانسة . ومع ذلك، في ظل الظروف البيئية النموذجية، فإن الإنتاج لم يتم توثيق هياكل N الحلقية غير المتجانسة، العطرية وغير العطرية، بين PyOM وNH3 الأرضية. هذا مثير للاهتمام للغاية نظرًا لأن الخصائص الكهروكيميائية والقدرة الاستيعابية والمتانة البيئية لكل من مواد البيروجين الطبيعية والصناعية تتأثر بالتخصيب مع هذه الهياكل N الحلقية غير المتجانسة . في حالة قيام PyOM وNH3 بتكوين هياكل N حلقية غير متجانسة في العالم الطبيعي، فسيكون لهذا التفاعل تأثيرات كبيرة على ركوب الدراجات C وN العالمية.

يجب أيضًا أخذ الطابع الديناميكي لـ PyOM في الاعتبار عند تقييم آثاره على دورات المغذيات العالمية. تتمتع الأشكال المتنوعة من PyOM بصفات فيزيائية وكيميائية متنوعة، بما في ذلك المساحة السطحية، ودرجة الحموضة، وتكوين المجموعة الوظيفية، والتركيب العنصري، وسمات أخرى، على غرار التباين الذي يظهر في مصادر أخرى للمادة العضوية. علاوة على ذلك، بما أن PyOM يتعرض لعوامل مؤكسدة مثل أشعة الشمس والماء والميكروبات والتغيرات البيئية الأخرى مع مرور الوقت، فإن خصائصه تتغير. يمكن تغيير وظيفة PyOM في البيئة بشكل كبير من خلال هذه الاختلافات في خصائصه الفيزيائية والكيميائية. لذلك، من المهم أن نأخذ في الاعتبار كيف يمكن أن تتغير قدرة الاحتفاظ بـ NH3 الخاصة بـ PyOM بمرور الوقت من أجل فهم تأثير تفاعلات PyOM-NH3 على ركوب الدراجات N العالمية.

في هذا العمل، نقوم بفحص قدرة الاحتفاظ بـ NH3 لـ PyOM في الظروف المحيطة، وعمليات الاحتفاظ بـ N، وإمكانية زيادة قدرة الاحتفاظ مع التجوية لمخزونات PyOM. اكتشفنا أن PyOM جيد بشكل مدهش في الاحتفاظ بـ NH3–N، وأنه عندما يتعرض PyOM لظروف تشبه عمليات التجوية الطبيعية، فإن قدرته على الاحتفاظ بـ NH3–N ترتفع بشكل كبير. يؤدي الامتصاص الكيميائي إلى تكوين العديد من الروابط التساهمية والاحتفاظ بأكثر من نصف NH3-N. وفقًا لتقديراتنا، قد تساهم مخازن PyOM في التربة بشكل كبير في دورة N العالمية من خلال هذه العمليات.

 

نتيجة

تعمل التجوية على تحسين قدرة PyOM N على الاحتفاظ بها.

بعد الأكسدة لتكوين تدرج من PyOM30،31 المجوّى، تم تعريض PyOM المصنوع من الكتلة الحيوية الخشبية لبخار NH3 في درجة حرارة الغرفة والضغط (35 درجة مئوية و80-800 تور). قد يحتفظ PyOM بكميات كبيرة من N من هذا الشكل من NH3، كما يتضح من الارتفاع في إجمالي التقاط NH3 بعد الأكسدة، والذي ارتفع أكثر من ستة أضعاف من 2.3 mmol g−1 PyOM-C في PyOM غير المؤكسد إلى 13.5 mmol g−1 PyOM- C في PyOM شديد التأكسد (الشكل 1 أ). قد تكون مساحة السطح المحددة (SSA) وانخفاض الرقم الهيدروجيني من العوامل التي تؤثر في قدرة بعض المواد C البيروجينية على الاحتفاظ بـ NH3، لكنها لا تستطيع تفسير الأنماط الموضحة هنا. يشير الانخفاض في PyOM SSA مع الأكسدة إلى أنه لم يكن عاملاً في الزيادة الملحوظة في احتباس NH3 في عينات PyOM شديدة الأكسدة (الشكل 1 ب). 

مع الأكسدة، انخفض الرقم الهيدروجيني PyOM بالمثل (الشكل 1C). من ناحية أخرى، لم يتغير احتباس NH3 عندما تمت معالجة PyOM غير المؤكسد بحمض الهيدروكلوريك، مما أدى إلى انخفاض الرقم الهيدروجيني دون تغيير المجموعات الوظيفية المهمة المحتوية على الأكسجين (الشكل التكميلي 1). (الشكل التكميلي 2). يوضح هذا أنه على الرغم من ارتباط الأكسدة وانخفاض درجة الحموضة، فإن احتباس NH3 لم يكن مدفوعًا بدرجة الحموضة، وبالتالي، لا يمكن استخدام الرقم الهيدروجيني للتنبؤ بقدرة الاحتفاظ بـ NH3 أو أكسدة PyOM.

بدلًا من ذلك، تشير بياناتنا إلى أن تكوين المجموعة الوظيفية قد يكون مؤشرًا أكثر دقة لقدرة PyOM على الاحتفاظ بـ NH311,21. يبدو أن المجموعات الوظيفية المحتوية على الأكسجين في PyOM تزداد مع الأكسدة التدريجية مقارنةً بهياكل C العطرية، كما هو موضح من خلال نسب ارتفاع الذروة التي يحددها التحليل الطيفي للأشعة تحت الحمراء لتحويل فورييه (FTIR) ومناطق الذروة المتكاملة التي يحددها الرنين المغناطيسي النووي 13C للحالة الصلبة ( الرنين المغناطيسي النووي) التحليل الطيفي (الشكل 1 د والتين التكميلي 3 و 4). 

تتوافق الاتجاهات التي شوهدت من خلال تحقيقات الطيف هذه مع النمو في نسبة PyOM O: C، كما يتضح من القياسات الكمية المتكافئة. عند دمجها، تُظهر هذه النتائج قدرة PyOM الكبيرة والديناميكية على الاحتفاظ بـ N بالإضافة إلى أهمية التجوية والتعرض للعوامل المؤكسدة (مثل الأوزون أو النشاط الميكروبي) في تحديد وظيفة PyOM المحتملة في ركوب N.

المصدر1 : هنا

المصدر2: هنا

مؤسسة حسين داي (Hocinedey) مؤسسة جزائرية لتصنيع

 1-  الفحم المضغوط الطبيعي الخالي من الإضافات ،

وصناعة أدوات الإشعال :

 2-  مشعل الفحم "المدخنة"،

 3-  فتيل بادئ الإشتعال.

مؤسسة حسين داي (hocinedey) مؤسسة جزائرية لتصنيع قوالب الفحم المضغوط الطبيعي الخالي من الإضافات وصناعة أدوات الإشعال من مشعل الفحم –المدخنة- و بادئ فتائل الإشتعال لإستعمالات الشواء، الطبخ و التخييم والناتجة من إعادة تدوير الكتلة الحيوية الخشبية بالإضافة إلى تصنيف خاص بمقالات عالمية حول الشواء واستعمالات الفحم كحل لعديد التعقيدات الصحية والصناعية والبيئية للحصول على رؤية أوسع لدور الفحم في حياتنا.

========================= ---------------------