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Analysis of the adsorption and fixation process of ammonium nitrogen in arable soil by biochar based on molecular dynamics simulation

生物炭 耕地 浸出(土壤学) 吸附 环境科学 氮气 环境化学 化学 土壤水分 土壤科学 生态学 热解 生物 农业 有机化学
作者
Jikai Lu,Yan Li,Bing Wang,Bingyan Hou,Guotai Du,Hongyu Si
出处
期刊:Science of The Total Environment [Elsevier BV]
卷期号:930: 172815-172815 被引量:6
标识
DOI:10.1016/j.scitotenv.2024.172815
摘要

The ammonia nitrogen in arable land soil is susceptible to environmental and anthropogenic influences, leading to nutrient loss. This study utilized indoor soil column leaching experiments, combined with adsorption mathematical models, traditional characterization methods, and molecular dynamics simulation methods, to analyze the effects of biochar on changes in ammonium ions in different soil layers and leachate of arable land soil. The study found that applying biochar at a ratio of 10 % to arable land soil could effectively increase the ammonium ion content in the 0–10 cm soil layer by 1.57–2.36 times and reduce loss by 44.83–72.27 %. The adsorption and fixation process of biochar is controlled by electrostatic attraction and ion exchange processes. Interactions between molecules, electrostatic forces, and system internal energy also have certain effects on the process. Near the structure of C6H12O6, there are low-energy adsorption sites for ammonium ions, which can provide the energy required for electrostatic attraction. Structures such as C5H10O5, C-S-H, C-SO3, and C4H7NO4 respectively play roles in physical adsorption or chemical adsorption through displacement reactions, electron exchange, and other forms. The adsorption free energy is −394,590.84 kcal/mol, indicating stable adsorption and a process that tends to interact with the biochar surface. This study addresses issues such as the easy loss of ammonia nitrogen in arable land soil and the unclear adsorption mechanism of biochar on ammonium ions, providing a theoretical basis for the field of environmental science.
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