urina, che contiene la maggior parte dell'azoto escreto dall'uomo, possono essere isolati alla fonte tramite orinatoi asciutti e servizi igienici per la diversione delle urine. Attraverso MD isotermico, l'ammoniaca volatile nell'urina idrolizzata viene convogliata attraverso una membrana microporosa idrofoba dove viene recuperata come prodotto fertilizzante ammoniacale nel flusso del collettore acido. L'urina rimanente può quindi essere scaricata nella fogna. Credito:Ngai Yin Yip e Chanhee Boo/Columbia Engineering
L'ammoniaca è un componente chiave del fertilizzante ed è vitale per sostenere la crescita delle piante e, in definitiva, fornire cibo alle popolazioni di tutto il mondo. È anche un importante inquinante che, dopo essere stato utilizzato nella catena alimentare, entra negli impianti di trattamento delle acque reflue municipali dove spesso non viene adeguatamente rimossa. Viene quindi rilasciato nell'ambiente dove inquina gli ambienti acquatici e danneggia gli ecosistemi, innescando distruttive fioriture algali, zone morte, e il pesce uccide.
La cattura dell'ammoniaca è ora una sfida fondamentale per il 21° secolo, soprattutto perché si prevede che la popolazione delle città aumenterà drasticamente, con una crescita urbana prevista di 2,5 miliardi di persone entro il 2050. Allo stesso tempo, fornire servizi igienico-sanitari migliori ai 2,3 miliardi di persone che attualmente non sono servite a livello globale comporterà l'installazione di nuovi servizi igienici, impianti per le acque reflue, e infrastrutture igienico-sanitarie, mettendo ancora più sotto stress l'ambiente.
Ad oggi, la maggior parte della cattura dell'ammoniaca avviene attraverso una tecnica estremamente energivora, il processo Haber-Bosch, che viene utilizzato dall'industria di tutto il mondo per produrre fertilizzanti e rappresenta l'1-2% del consumo energetico annuale mondiale. Un team di ingegneri della Columbia, guidato da Ngai Yin Yip, assistente professore di ingegneria della terra e dell'ambiente, riferisce oggi di aver recuperato l'ammoniaca attraverso un nuovo metodo che utilizza un livello di energia molto basso, circa un quinto dell'energia utilizzata dal processo Haber-Bosch. Inoltre, perché la tecnica ricicla l'ammoniaca in un circuito chiuso, l'ammoniaca può essere recuperata per il riutilizzo in fertilizzante, detergenti per la casa, e altri prodotti industriali. I risultati sono pubblicati oggi da Chimica e ingegneria sostenibili ACS .
La gestione dell'azoto, un nutriente essenziale per la vita, è stato riconosciuto dalla National Academy of Engineering come una delle Grandi Sfide del 21° secolo. Il gruppo di Yip, che si concentra sul progresso della produzione sostenibile di energia e acqua, voleva inventare una migliore, modo più ecologico per produrre azoto, di cui l'ammoniaca è una forma biodisponibile.
Economia dell'azoto lineare (frecce rosse) e circolare (frecce blu). Nell'economia lineare dell'azoto, N è fissato dall'atmosfera attraverso il processo Haber-Bosch ad alta intensità energetica, utilizzato come fertilizzante per la produzione alimentare, poi rilasciato come rifiuto. Spesso, N non viene adeguatamente rimosso durante il trattamento delle acque reflue, con conseguente carico di azoto nelle acque superficiali e costiere, innescando fioriture algali dannose e zone morte. Un approccio più lungimirante consiste nel catturare l'azoto dai flussi di rifiuti e reintrodurre l'azoto nella catena alimentare per aggirare la necessità di una fissazione dell'azoto ad alta intensità energetica, prevenendo l'inquinamento degli ambienti acquatici a valle. Credito:Ngai Yin Yip e Xi Chen/Columbia Engineering
"Era chiaro che avevamo bisogno di un cambio di paradigma per passare a un modello di economia circolare, dove l'azoto viene recuperato e riciclato, invece dell'attuale approccio lineare insostenibile della produzione costosa, utilizzo, e poi disperdere gli inquinanti nell'ambiente, "Yip dice.
Il team di Yip ha esperienza nella distillazione a membrana, una tecnica che guida la permeazione delle specie volatili, in questo caso, ammoniaca, da un flusso di alimentazione a un flusso di raccolta, mentre le specie non volatili rimangono nel flusso di alimentazione. Le specie volatili sono spinte attraverso la membrana da una differenza di pressione di vapore, che dipende dalla temperatura e dalla concentrazione. I ricercatori hanno sviluppato una tecnica, che chiamano "distillazione isotermica a membrana con collettore acido, " o IMD-AC, che utilizza il calore a bassa temperatura, e lo ha applicato per separare e catturare selettivamente l'ammoniaca dal flusso di rifiuti ricco di ammoniaca dell'urina (simulato per questo progetto).
"Poiché il nostro processo è guidato da temperature moderate fino a 20-60 gradi Celsius, l'energia può essere fornita da calore di scarto economico o addirittura gratuito da, ad esempio, acqua della torre di raffreddamento, acqua del bagno, o collettori solari termici, "Yip dice.
I prossimi passi per il team includono l'esplorazione di modi per recuperare il fosforo, un altro ingrediente chiave del fertilizzante, sostenibile ed economico dall'urina.
"Ora che abbiamo dimostrato il recupero sostenibile dell'azoto dall'urina, "Yip aggiunge, "Pensiamo che la crescita demografica e le tendenze igienico-sanitarie presentino opportunità ideali per l'introduzione di strutture decentralizzate di diversione delle urine per il recupero dei nutrienti, senza costosi retrofit o revisioni del sistema esistente, spostando la gestione delle acque reflue verso un paradigma più sostenibile ed efficiente".
