Автор: Выращивание зерновых культур, в том числе пшеницы, риса, кукурузы, ячменя, подсолнечника и др. является ведущей отраслью растениеводства. На их долю приходится более половины всех посевных площадей мирового земледелия. Увеличение продуктивности неизбежно приводит к увеличению количества отходов сельскохозяйственного производства.
Актуальность переработки отходов агропромышленного комплекса связана с необходимостью снижения экологической нагрузки и повышения эффективности использования вторичных ресурсов. Одним из перспективных направлений является получение углеродных сорбентов (биочара) из растительных отходов методом пиролиза. Биочар обладает высокой удельной поверхностью, пористостью и сорбционной способностью, что делает его эффективным средством для улучшения физико-химических свойств почв, повышения их плодородия и устойчивости к деградации. В последнее время биочары привлекают все больше внимания мирового научного сообщества.
полученных из них при температурах 500ºС и 700ºС (время выдержки 60 мин., скорость нагрева, 10 ºС /мин).
Целью работы являлось получение биосорбентов из отходов растениеводства (соломы пшеницы и кукурузы) с заданными свойствами для последующего применения в ремедиации и мелиорации почв. Для этого использовался метод ступенчатого пиролиза при температурах 500°C и 700°C со скоростью нагрева 10 °С/мин и временем выдержки 60 минут. Модификацию поверхности биочаров (активацию) осуществляли 1 М раствором гидроксида калия, в соотношении образец — модификатор 1:10 при температуре 21 С, время щелочной модификации составляло 8 часов. Образец отмывали дистиллированной водой до pH=7, и высушивали в сушильном шкафу при температуре при температуре 105°C.
Проведён анализ физико-химических свойств полученных биочаров: удельной поверхности (S BET), объёма пор, зольности, pH, а также морфологии поверхности методом сканирующей электронной микроскопии (СЭМ). Фотоколориметрическим методом изучена сорбция биочарами органического красителя метиленового синего из водных растворов. Использовалась методика измерения оптической плотности растворов метиленового синего после поглощения образцами.
В результате ступенчатого пиролиза при температуре 700°C скорости нагрева 10 °С/мин, времени выдержки 60 минут получены биоугли из различных отходов растениеводства: соломы пшеницы и кукурузы. По данным электронной микроскопии выявлено различие в строении полученных биоуглей. Установлено, что образцы соломы пшеницы и соломы кукурузы имеют гладкую непористую поверхность и характеризуется аморфной неоднородной структурой (рисунок 1). Обладая биогенной структурой, они имеют различия в строении поверхности и разное количество видимых пор. На СЭМ-изображениях образца биосорбентов из соломы пшеницы, полученных при температурах 500°C и 700°C) визуализируются поры сотообразной структуры, что свидетельствует о разрушении клеточной структуры сырья. Образец, биосорбента из соломы кукурузы, полученный при 500°C, характеризуется полусферической формой частиц и однородной сотовидной трехмерной пористой структурой, которая отличается обилием более мелких пор. В целом, получение биосорбентов при температурах пиролиза 500 °С и 700 °С для каждого сырья условиях пиролиза приводит к формированию оригинальной пористой структуры.
Морфологические характеристики биочаров являются одними из ключевых факторов, определяющих их сорбционную способность. На основании серии экспериментов выявлено, что максимальными сорбционными характеристиками обладает биочар из соломы пшеницы. Установлено, что наибольшая удельная площадь поверхности составляет 1,89 м2/г. За счёт более развитой системы пор и высокой удельной поверхности биочара из соломы пшеницы её адсорбционные характеристики в два раза выше, чем у биочара, полученного из соломы кукурузы.
Результаты показали, что выход биочара снижался с повышением температуры пиролиза на 5,5%. Наибольшая удельная поверхность (76,43 м2/г) и объём пор (0,0672 см3/г) были достигнуты для биочара из соломы пшеницы при 700°C, тогда как для соломы кукурузы оптимальные показатели (64,37 м2/г и 0,0618 см3/г) наблюдались при 500°C. СЭМ-анализ подтвердил формирование пористой структуры с увеличенной шероховатостью поверхности после пиролиза.
Наибольшая адсорбционная активность по метиленовому синему (24,44 мг/г) отмечена у биочара из соломы кукурузы, полученного при 500°C. Для соломы пшеницы максимальная активность (16,82 мг/г) достигнута при 700°C.
Таким образом, установлено, что температура пиролиза и тип сырья значимо влияют на свойства биочаров. Оптимальными условиями для получения биосорбента с высокими сорбционными характеристиками являются: для соломы пшеницы — 700°C, для соломы кукурузы — 500°C. Полученные материалы перспективны для использования в технологиях восстановления и повышения плодородия почв.
Благодарность: Исследование выполнено при финансовой поддержке Минобрнауки России (Соглашение № 075-15-2025-667) на оборудовании ЦКП «Биоинженерия почв» и Программы стратегического академического лидерства Южного федерального университета («Приоритет 2030»)».
Авторы: Ерко Д.А., Казначеева И.С., Лысенкова А.В., Тимофеева А.Г., Кабашнюк П.Ю., Черникова Н.П. Южный Федеральный Университет, г. Ростов-на-Дону
