Može li se od crnog vina napraviti bijelo? Čudo u čaši (no ipak ne toliko kao Kristovo čudo u Kani) može se izvesti vrlo jednostavno. U vino treba staviti aktivni ugljen, a potom otopinu (vino) profiltrirati. No što je aktivni ugljen? Na to je pitanje lako i teško odgovoriti. Možemo ga, posve jednostavno, definirati kao ugljen koji ima veliku moć adsorpcije, no kada se govori o njegovu porijeklu i načinu pripreme onda nije sve tako jednostavno. U farmaceutskim ga knjigama srećemo, kao lijek protiv proljeva i drugih probavnih tegoba, pod imenima carbo activatus i carbo medicinalis, a kako se može prirediti iz različitih tvari evo ga pod imenom carbo animalis (životinjski ugljen), a ako je pak riječ o drvenom ugljenu pod imenima carbo vegetabilis i carbo ligni depuratus. Iza tih učenih latinskih naziva krije se međutim jednostavna kemija: svaka se organska tvar, ako se zagrije na dovoljno visoku temperaturu (400 – 600 ^oC), pretvara u ugljen.

Pa kad je tako, zašto se u ugljen ne bi pretvorio i talog otpadnih voda iz gradske kanalizacije?

Razloga za to ne nedostaje. Bacanje sirovog mulja iz kanalizacije na polja i oranice nije dobro ni za čovjeka ni za zemlju. Za čovjeka nije dobro jer se iz takvog mulja, budući da čini dobru podlogu za rast bakterija, šire neugodni mirisi, a za zemlju nije dobro jer s muljem u nju dolaze neželjeni sastojci, poglavito teški metali. No ako se mulj iz gradske kanalizacije karbonizira, dobiva se biološki ugljen (biochar), sličan drvenom, koji povećava plodnost zemljišta. Za tu su metodu povećavanja plodnosti tla znali južnoamerički Indijanci, koji su miješali ugljen dobiven paljenjem šuma sa zemljom (terra preta de indio).

Sirovine za proizvodnju ugljena iz otpadnih voda (municipial sludge biochar, MSBC) ima na pretek: računa se da će se 2025. godine samo u Kini sakupiti 90 milijuna tona toga mulja, a gdje ima sirovine, tu ima i tehnologije: „Nano-zero-valent zinc-modified municipial sludge biochar for phosporus removal“ naslov je znanstvenog rada kineskih znanstvenika objavljenog u časopisu Molecules. Oni su kemijski modificirali ugljen dobiven iz otpadnog mulja (MSBC) tako da su ga obogatili nanočesticema cinka i tako dobili adsorbens koji se krije pod grozomornom kraticom nZVZ-MSBC, čije značenje možete pročitati u prvim riječima navedenog naslova.

Kako se proizvodi (zasada samo u laboratoriju) famozni nZVZ-MSBC? Prvo se mulj iz kanalizacije grije na 350 ^oC, a zatim još jednom, uz dodatak kalijeve lužine, na 800 ^oC. Tako se dobiva MSBC. Na jedan gram MSBC potom se doda 1,6 g cinkova klorida, a zatim 0,7 g reduktivnog sredstva, natrijeva borhidrida, NaBH₄. Rezultat? Novo adsorpcijsko sredstvo, aktivni ugljen koji umjesto boje iz vina uklanja fosfate iz vode.

Adsorpcija fosfata je najbrža u prva četiri sata (240 minuta) da bi praktički bila gotova nakon jednog dana (24 sata). No mnogi su parametri ovdje u igri. Adsorpcija je bolja što je temperatura viša: na sobnoj temperaturi (25 ^oC) gram adsorbensa može nakon 24 sata vezati 168 mg fosfora, a pri temperaturi od 45 ^oC 187 miligrama. Koliki je maksimalni (teoretski) adsorpcijski kapacitet? Gotovo dvostruko toliko: 313 mg/g!

Još važnija od temperature je kiselost otopine. To je razumljivo, jer s jedne strane koloidne čestice mogu vezati vodikove ione (H⁺), a s druge strane, sjećamo se iz kemije, H₃PO₄ je trovalentna (trobazna) kiselina, što znači da fosforna kiselina elektrolitičkom disocijacijom daje tri aniona, naime H₂PO₄^-, HPO₄^2- i PO₄^3-. Koliko će kojeg iona biti u otopini, ovisi o njezinoj kiselosti, o pH. Kad se u obzir uzmu oba efekta, adsorbens priređen iz cinka i kanalizacijskog mulja ima maksimum adsorpcije u blago kiseloj sredini, pH = 5. U tom području pH-vrijednosti fosfati se nalaze poglavito u obliku HPO₄^2-.

Ovisnost adsorpcije o kiselosti ima dalekosežne posljedice. Ne samo da se promjenom kiselosti mogu postići najbolji uvjeti za vezanje fosfata, nego se nakon njihova vezivanja adsorbens može regenerirati, a oslobođeni fosfat upotrijebiti kao industrijska sirovina. Zakiseljavanjem otopine (pH = 2) može se naime osloboditi pola, a njezinim zaluživanjem (pH = 12) tri četvrtine vezanog fosfata.

Nenad Raos je kemičar, znanstveni savjetnik u trajnome zvanju, koji je radio do umirovljenja 2016. godine u zagrebačkom Institutu za medicinska istraživanja i medicinu rada (IMI). Autor je i koautor oko 200 znanstvenih i stručnih radova iz područja teorijske (računalne) kemije, kemije kompleksnih spojeva, bioanorganske kemije, povijesti kemije i komunikacijskih vještina u znanosti. Bio je pročelnik Sekcije za izobrazbu Hrvatskog kemijskog društva, glavni urednik Prirode te urednik rubrike Kemija u nastavi u časopisu Kemija u industriji; član je društva ProGeo-Hrvatska i Odjela za prirodoslovlje i matematiku Matice hrvatske. Još od studentskih dana bavi se popularizacijom znanosti. Autor je 15 znanstveno-popularnih knjiga, posljednje dvije su „Kemija – muza arhitekture“ (u koautorstvu sa Zvonkom Pađanom) i „Kemičar u kući – kemija svakodnevnog života“.