Разработка и оптимизация активированного угля из биомассы для повышения водосбережения в сельском хозяйстве

Авторы

  • Ерлан Досжанов НАО «Казахский национальный университет имени аль-Фараби»; РГП «Институт проблем горения» Автор https://orcid.org/0000-0002-3454-8889
  • Дана Ахметжанова НАО «Казахский национальный университет имени аль-Фараби»; РГП «Институт проблем горения» Автор https://orcid.org/0000-0003-3670-9460
  • Арман Жумажанов НАО «Казахский национальный университет имени аль-Фараби»; РГП «Институт проблем горения» Автор https://orcid.org/0009-0004-6256-9814
  • Оспан Досжанов АО «Алматинский технологический университет» Автор https://orcid.org/0000-0003-2292-8742
  • Зере Нұрбол Назарбаев Интеллектуальная школа естественно-математического направления Автор https://orcid.org/0009-0005-1481-2733
  • Мағжан Оспан JOO High School Автор https://orcid.org/0009-0003-0967-655X

DOI:

https://doi.org/10.32523/5da1jn33

Ключевые слова:

активированный уголь, сельскохозяйственные отходы, влагоудерживающий субстрат, пористая структура, адсорбционные свойства

Аннотация

Устойчивое развитие сельского хозяйства в условиях глобального изменения климата и ограниченных водных ресурсов требует внедрения инновационных материалов с повышенной влагоудерживающей способностью, включая углеродные субстраты на основе сельскохозяйственных отходов. В данной работе проведено комплексное исследование текстурных, морфологических и адсорбционных характеристик активированного угля (АУ), синтезированного из рисовой шелухи при варьировании массовых соотношений сорбента к гидроксиду калия (KOH) (1:1, 1:2, 1:3 и 1:4). Цель работы – оптимизация условий химической активации для формирования пористой структуры, обеспечивающей эффективное влагоудержание. Методология включала применение теории функционала плотности (DFT) и метода Барретта–Джойнера–Халенды (BJH). Результаты показали, что максимальный суммарный объем пор (1,6 см3/г) и развитая удельная поверхность 
(2900 м2/г) достигаются при соотношении 1:3. ИК-Фурье спектроскопия подтвердила наличие гидрофильных функциональных групп (O-H, C=O, C-O), играющих ключевую роль в связывании молекул воды. Эксперименты по влагоудержанию, выполненные в трехкратной повторности (n=3), продемонстрировали, что образец 1:3 характеризуется наиболее стабильным сохранением влаги как при 22 ºC, так и при повышенной температуре 50 ºC, значительно превосходя образцы с низкой степенью активации (1:1, 1:2) и переактивированный образец (1:4). Сравнительный анализ показал, что оптимизированный АУ обладает превосходством над традиционным биоуглем и цеолитами по удельной поверхности, обеспечивая долгосрочную стабильность углеродного каркаса в почве. Полученные данные подтверждают ключевую роль баланса микро- и мезопор в процессах замедления испарения воды и свидетельствуют о высокой перспективности использования данных материалов в качестве экологически безопасных влагосберегающих агентов для повышения продуктивности агроценозов в засушливых регионах.

Скачивания

Данные по скачиваниям пока не доступны.

Биографии авторов

  • Ерлан Досжанов, НАО «Казахский национальный университет имени аль-Фараби»; РГП «Институт проблем горения»

    PhD, доцент; заведующий лабораторией нанобиотехнологий

  • Дана Ахметжанова, НАО «Казахский национальный университет имени аль-Фараби»; РГП «Институт проблем горения»

    докторант; младший научный сотрудник

  • Арман Жумажанов, НАО «Казахский национальный университет имени аль-Фараби»; РГП «Институт проблем горения»

    докторант; лаборант высшей категории

  • Оспан Досжанов, АО «Алматинский технологический университет»

    кандидат технических наук, ассоциированный профессор

  • Зере Нұрбол, Назарбаев Интеллектуальная школа естественно-математического направления

    ученица 11 класса

  • Мағжан Оспан, JOO High School

    ученик 10 класса

Библиографические ссылки

1. Abdolla, N. S., Nysanbaeva, A. S., & Äbdіrazaq, A. K. (2024). Changes in air temperature in Kyzylorda region during 1961–2020 (Qyzylorda oblysyndagy aua temperaturasynyn 1961–2020 zhyldar aralygynda özgeruі in Kazakh). Hydrometeorology and Ecology (Gidrometeorologiya zhane ekologia), 1(112), 65–76. https://doi.org/10.54668/2789-6323-2024-112-1-65-78 DOI: https://doi.org/10.54668/2789-6323-2024-112-1-65-78

2. Abhishek, K., Shrivastava, A., Vimal, V., Gupta, A. K., Bhujbal, S. K., Biswas, J. K., & Kumar, M. (2022). Biochar application for greenhouse gas mitigation, contaminants immobilization and soil fertility enhancement: a state-of-the-art review. Science of the Total Environment, 853, 158562. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2022.158562 DOI: https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2022.158562

3. Afshar, M., & Mofatteh, S. (2024). Biochar for a sustainable future: environmentally friendly production and diverse applications. Results in Engineering, 23, 102433. https://doi.org/10.1016/j.rineng.2024.102433 DOI: https://doi.org/10.1016/j.rineng.2024.102433

4. Akhmetzhanova, D., Sabitov, A., Doszhanov, Y., Atamanov, M., Saurykova, K., Zhumazhanov, A., Atamanova, T., Kerimkulova, A., Velasco, L. F., Zhumagalieva, A., Jandosov, J., & Doszhanov, O. (2025). Zeolites and activated carbons in hydroponics: a systematic review of mechanisms, performance metrics, techno-economic analysis and life-cycle assessment. Sustainability, 17(24), 10977. https://doi.org/10.3390/su172410977 DOI: https://doi.org/10.3390/su172410977

5.Ayaz, M., Feizienė, D., Tilvikienė, V., Akhtar, K., Stulpinaitė, U., & Iqbal, R. (2021). Biochar role in the sustainability of agriculture and environment. Sustainability, 13, 1330. https://doi.org/10.3390/su13031330 DOI: https://doi.org/10.3390/su13031330

6. Bardestani, R., Patience, G. S., & Kaliaguine, S. (2019). Experimental methods in chemical engineering: specific surface area and pore size distribution measurements - BET, BJH, and DFT. The Canadian Journal of Chemical Engineering, 97(11), 2781–2791. https://doi.org/10.1002/cjce.23632 DOI: https://doi.org/10.1002/cjce.23632

7. Barrett, E. P., Joyner, L. G., & Halenda, P. P. (1951). The determination of pore volume and area distributions in porous substances. I. Computations from nitrogen isotherms. Journal of the American Chemical Society, 73(1), 373–380. https://doi.org/10.1021/ja01145a126 DOI: https://doi.org/10.1021/ja01145a126

8. Brar, B., Saharan, B. S., Seth, C. S., Kamboj, A., Bala, K., Rajput, V. D., & Duhan, J. S. (2024). Nanobiochar: Soil and plant interactions and their implications for sustainable agriculture. Biocatalysis and Agricultural Biotechnology, 103077. https://doi.org/10.1016/j.bcab.2024.103077 DOI: https://doi.org/10.1016/j.bcab.2024.103077

9. Chen, L., Chen, Q., Rao, P., Yan, L., Shakib, A., & Shen, G. (2018). Formulating and optimizing a novel biochar-based fertilizer for simultaneous slow-release of nitrogen and immobilization of cadmium. Sustainability, 10(8), 2740. https://doi.org/10.3390/su10082740 DOI: https://doi.org/10.3390/su10082740

10. Dadhich, A. (2022). Engineered biochar as feed supplement and other husbandry applications. In Engineered biochar: fundamentals, preparation, characterization and applications (pp. 319–329). Springer Nature Singapore. https://doi.org/10.1007/978-981-19-2488-0_17 DOI: https://doi.org/10.1007/978-981-19-2488-0_17

11. Doszhanov, E. O., Sabitov, A. N., Mansurov, Z. A., Doszhanov, O. M., Zhandosov, Zh. M., & Rakhymzhan, N. (2023). Method for obtaining sorbent from plant raw materials (Sposob polucheniya sorbenta iz rastitelnogo syr’ya in Russian) [Patent RK No. 8681]. https://gosreestr.kazpatent.kz/Utilitymodel/DownLoadFilePdf?patentId=382949&lang=ru

12. Doszhanov, Y., Atamanov, M., Jandosov, J., Saurykova, K., Bassygarayev, Z., Orazbayev, A., & Sabitov, A. (2024). Preparation of granular organic iodine and selenium complex fertilizer based on biochar for biofortification of parsley. Scientifica, 2024, 6601899. https://doi.org/10.1155/2024/6601899

13. Feng, W., Wang, T., Yang, F., Cen, R., Liao, H., & Qu, Z. (2023). Effects of biochar on soil evaporation and moisture content and the associated mechanisms. Environmental Sciences Europe, 35(1), 66. https://doi.org/10.1186/s12302-023-00776-7 DOI: https://doi.org/10.1186/s12302-023-00776-7

14. Hiremath, M. N., Shivayogimath, C. B., & Shivalingappa, S. N. (2012). Preparation and characterization of granular activated carbon from corn cob by KOH activation. International Journal of Research in Chemistry and Environment, 2(3), 84–87.

15. Jedynak, K., & Charmas, B. (2024). Adsorption properties of biochars obtained by KOH activation. Adsorption, 30(2), 167–183. https://doi.org/10.1007/s10450-023-00399-7 DOI: https://doi.org/10.1007/s10450-023-00399-7

16. Lesk, C., Rowhani, P., & Ramankutty, N. (2016). Influence of extreme weather disasters on global crop production. Nature, 529(7584), 84–87. https://doi.org/10.1038/nature16467 DOI: https://doi.org/10.1038/nature16467

. Maleki, A., & Bozorg, A. (2023). Algal biochar of unique structure as a robust alternative to manipulate mixed-matrix membranes performance and fouling resistance. Results in Engineering, 18, 101043. https://doi.org/10.1016/j.rineng.2023.101043 DOI: https://doi.org/10.1016/j.rineng.2023.101043

18. McLaren, R. L., Laycock, C. J., Brousseau, E., & Owen, G. R. (2021). Examining slit pore widths within plasma-exfoliated graphitic material utilizing Barrett–Joyner–Halenda analysis. New Journal of Chemistry, 45, 12071–12080. https://doi.org/10.1039/D1NJ01702K DOI: https://doi.org/10.1039/D1NJ01702K

19. Mopoung, S., Udeye, V., Viruhpintu, S., Yimtragool, N., & Unhong, V. (2020). Water treatment for fish aquaculture system by biochar-supplemented planting panel system. The Scientific World Journal, 2020, 7901362. https://doi.org/10.1155/2020/7901362 DOI: https://doi.org/10.1155/2020/7901362

20. Ndede, E. O., Kurebito, S., Idowu, O., Tokunari, T., & Jindo, K. (2022). The potential of biochar to enhance the water retention properties of sandy agricultural soils. Agronomy, 12(2), 311. https://doi.org/10.3390/agronomy12020311 DOI: https://doi.org/10.3390/agronomy12020311

21. Sabitov, A., Atamanov, M., Doszhanov, O., Saurykova, K., Tazhu, K., Kerimkulova, A., & Doszhanov, Y. (2024). Surface characteristics of activated carbon sorbents obtained from biomass for cleaning oil-contaminated soils. Molecules, 29(16), 3786. https://doi.org/10.3390/molecules29163786 DOI: https://doi.org/10.3390/molecules29163786

22. Sabitov, A. N., Doszhanov, E. O., Turganbai, S., & Nurbolatuly, D. (2024). Method for obtaining granular fertilizer based on biochar (Sposob polucheniya granulirovannogo udobreniya na osnove pirouglya in Russian) [Patent RK No. 8791]. https://gosreestr.kazpatent.kz/Utilitymodel/DownLoadFilePdf?patentId=383847&lang=ru DOI: https://doi.org/10.1155/2024/6601899

23.Hagemann, N., Spokas, K., Schmidt, H.-P., Kägi, R., Böhler, M. A., & Bucheli, T. D. (2018) Activated carbon, biochar and charcoal: linkages and synergies across pyrogenic carbon’s ABCs. Water, 10, 182. https://doi.org/10.3390/w10020182 DOI: https://doi.org/10.3390/w10020182

24. Saletnik, B., Zaguła, G., Bajcar, M., Tarapatskyy, M., Bobula, G., & Puchalski, C. (2019). Biochar as a multifunctional component of the environment. Applied Sciences, 9, 1139. https://doi.org/10.3390/app9061139 DOI: https://doi.org/10.3390/app9061139

25.Schmidt, H. P., Hagemann, N., Draper, K., & Kammann, C. (2019). The use of biochar in animal feeding. PeerJ, 7, e7373. https://doi.org/10.7717/peerj.7373 DOI: https://doi.org/10.7717/peerj.7373

26.Williams, N. E., Oba, O. A., & Aydinlik, N. P. (2022). Modification, production, and methods of KOH-activated carbon. ChemBioEng Reviews, 9(2), 164–189. https://doi.org/10.1002/cben.202100030 DOI: https://doi.org/10.1002/cben.202100030

27. Zhumagulov, I. I., & Satbaldieva, Zh. Zh. (2024). Analysis of the influence of meteorological conditions on the productivity of spring wheat in 2023 based on the Tayinsha meteorological station of North Kazakhstan region (Analiz vliyaniya meteorologicheskikh usloviy na produktivnost’ yarovoy pshenitsy v 2023 godu na primere meteorologicheskoy stantsii Tayinsha Severo-Kazakhstanskoy oblasti in Russian). Hydrometeorology and Ecology (Gidrometeorologiya i ekologia), 3(114), 51–58. https://doi.org/10.54668/2789-6323-2024-114-3-51-59 DOI: https://doi.org/10.54668/2789-6323-2024-114-3-51-59

28. Rahi, A. A., Younis, U., Ahmed, N., Ali, M. A., Fahad, Sh., Sultan, H., Zarei, T., Danish, S., Taban, S., Enshasy, H. A. E., Tamunaidu, P., Alotaibi, J. M., Alharbi, S. A., & Datta, R. (2022). Toxicity of cadmium and nickel in the context of applied activated carbon biochar for improvement in soil fertility. Saudi Journal of Biological Sciences, 29, 2, 743-750. https://doi.org/10.1016/j.sjbs.2021.09.035 DOI: https://doi.org/10.1016/j.sjbs.2021.09.035

29. Rizhiya, E. Y., Buchkina, N. P., & Balashov, E. V. (2020). Influence of biochar on the content of mineral nitrogen forms in sod-podzolic loamy sand soil with different degrees of cultivation (Vliyanie biouglya na soderzhanie mineral'nyh form azota v dernovo-podzolistoj supeschanoj pochve s raznoj stepen'yu okul'turennosti in Russian). Soil Science (Pochvovedenie), 6, 727–736. https://doi.org/10.31857/S0002188120060095 DOI: https://doi.org/10.31857/S0002188120060095

30. Sviderskiy, S. A., Morozova, Ya. V., Grabchak, A. A., Kulikova, M. V., & Maksimov, A. L. (2025). CO2 hydrogenation reaction on biochar-based catalysts (Reakciya gidrirovaniya CO2 na katalizatorah na osnove biouglya in Russian). Petrochemistry (Neftekhimiya), 63(2), 239-249. https://doi.org/10.31857/S0028242123020089 DOI: https://doi.org/10.31857/S0028242123020089

31. Fan, Y., Su, J., Wang, Z., Liu, S., Li, X., & Hou, C. (2023). Improvement of the specific surface area of biochar by calcium-precipitated nanoparticles synthesized by microbial induction as a template skeleton: Removal mechanism of tetracycline in water. Journal of Environmental Management, 348, 119279. https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2023.119279 DOI: https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2023.119279

32. Khan, S., Irshad, S., Mehmood, K., Hasnain, Z., Nawaz, M., Rais, A., Gul, S., Wahid, M. A., Hashem, A., & Abd Allah, E. F. (2024). Biochar production and characteristics, its impacts on soil health, crop production, and yield enhancement: a review. Plants, 13(2), 166. https://doi.org/10.3390/plants13020166 DOI: https://doi.org/10.3390/plants13020166

33. Kumar, R., Kumar, M., Chand, G. S., Parihar, M. S., Kundu, R., & Khandelwal, A. (2020). Hydrogel and its effect on soil moisture status and plant growth: a review. Journal of Pharmacognosy and Phytochemistry, 9(3), 1746–1753. https://www.researchgate.net/publication/348927854_Hydrogel_and_its_effect_on_soil_moisture_status_and_plant_growth_A_review

Загрузки

Опубликован

03.04.2026

Выпуск

Том 154 № 1 (2026):

Раздел

Статьи

Лицензия

Copyright (c) 2026 Ерлан Досжанов, Дана Ахметжанова, Арман Жумажанов, Оспан Досжанов, Зере Нұрбол, Мағжан Оспан (Автор)

Лицензия Creative Commons

Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution-NonCommercial» («Атрибуция — Некоммерческое использование») 4.0 Всемирная.

Как цитировать

Разработка и оптимизация активированного угля из биомассы для повышения водосбережения в сельском хозяйстве. (2026). Journal of Ecology and Sustainability, 154(1), 77-92. https://doi.org/10.32523/5da1jn33

Похожие статьи

Вы также можете начать расширеннвй поиск похожих статей для этой статьи.