Междисциплинарная группа под руководством ученых Университета Висконсин-Мэдисон разработала новую технику, которая может помочь фермерам извлекать полезные питательные вещества, такие как аммиак и калий, из навоза домашнего скота, чтобы эффективно производить удобрения и другие полезные химические продукты.
Хотя эту стратегию все еще необходимо расширить за пределы стадии проверки концепции, предварительный анализ группы показывает, что она может принести значительные выгоды за счет сокращения загрязнения воды и воздуха и одновременного создания продуктов, которые фермеры могли бы использовать или продавать.
Навоз воняет отчасти потому, что он содержит аммиак, одно из более чем 300 соединений, обусловливающих его запах. Едкий газ не только является вредным загрязнителем воздуха, но и может превратиться в парниковый газ закись азота и загрязняющую воду нитрат.
Аммиак также является основой многих азотных удобрений, которые способствуют современному растениеводству. Промышленный метод производства аммиака для азотных удобрений, процесс Габера-Боша, потребляет много энергии и ежегодно выбрасывает в атмосферу сотни миллионов тонн парниковых газов.
Хотя навоз сам по себе можно использовать в качестве удобрения, это может быть дорогостоящим, сложным с точки зрения логистики и иметь экологические недостатки. Поэтому исследователи по всему миру ищут стратегии эффективного извлечения аммиака из навоза, создавая более концентрированные и ценные удобрения, более экологичные и более доступные для транспортировки.
Среди этих стратегий химические процессы, приводимые в движение электричеством, которое во многих сельских общинах становится все более недорогим благодаря растущему производству солнечной и ветровой энергии. . Однако большинство разрабатываемых электрохимических методов пока непрактичны, главным образом потому, что они потребляют много энергии и недостаточно эффективны при удалении растворенного аммиака (в форме ионов аммония) из навоза.
Этот новый метод описан в статье от 8 декабря, опубликованной в журнале Nature Sustainability< /span> использует специально разработанный электрод, подобный тем, что используются в батареях, который воздействует на ионы аммония.
Техника предполагает использование электрода на основе никеля, который помещается непосредственно в сточные воды, содержащие навоз. Поскольку органические вещества в навозе естественным образом окисляются под действием электрода, аммоний, а также ионы калия из сточных вод выборочно попадают и улавливаются электрод.
Эта стратегия не ограничивается простым удалением питательных веществ из сточных вод.
В рамках инновационного шага, который может сделать процесс еще более привлекательным, электрод, насыщенный питательными веществами, затем помещается в устройство, которое использует электричество для высвобождения восстановленных ионов аммония и калия, которые затем можно использовать для производства азота. и калийные удобрения, и одновременно производить другие полезные химические продукты. Это может быть водородное топливо или перекись водорода, которая обычно используется для дезинфекции.
«Нам повезло, потому что большую часть работы за нас делает природа», — сказал он. — говорит Сун Цзинь, профессор химии Университета Вашингтона в Мэдисоне, который руководил работой вместе с докторантом Жуй Ваном и профессором гражданского и экологического строительства Моханом Цином.
«В навозе есть все это, и нам не нужно делать слишком много дополнительной работы», — сказал он. — говорит Джин. «Материал батареи попадает внутрь, а аммиак высасывается, когда органические вещества окисляются».
Пробные запуски с небольшим количеством навоза позволили восстановить более половины аммиака за первый проход, а после двух циклов восстановление составило около 85%.
Возможность совместного производства удобрений и других химических продуктов является ключевой причиной того, почему команда считает, что их стратегия может оказаться выигрышной. Экологический анализ, проведенный Ребеккой Ларсон, профессором Института экологических исследований Нельсона, показывает, что молочная ферма на 1000 голов может сократить выбросы аммиака более чем на 50 % за счет развертывания системы, а также значительно сократить количество нитратов, попадающих в близлежащие воды.
Между тем, предварительный технико-экономический анализ, проведенный профессором Фикиле Брушеттом, сотрудником Массачусетского технологического института, показывает, что модельная молочная ферма, использующая систему, может рассчитывать на то, что конечный доход превысит эксплуатационные расходы, если цены на электроэнергию не изменятся. т непомерно.
Следующие шаги включают дальнейшее совершенствование материалов и процессов, масштабирование системы и изучение того, как она функционирует на уровне, более близком к реальному животноводству. Джин надеется, что преимущества системы будут продолжать перевешивать потенциальные затраты в этих более крупных масштабах, учитывая первоначальный анализ.
«Это действительно выглядит многообещающе», — сказал он. — говорит Цинь. «Есть способ увидеть, как это может действительно помочь в реальном мире».
