Bæredygtig genvinding af næringsstoffer fra urin

Ammoniak er en nøglekomponent i gødning og afgørende for at understøtte plantevækst og i sidste ende give mad til befolkninger rundt om i verden. Det er også et væsentligt forurenende stof, efter det er brugt i fødekæden, kommer ind i kommunale renseanlæg, hvor det ofte ikke fjernes tilstrækkeligt. Det frigives derefter til miljøet, hvor det forurener akvatiske omgivelser og skader økosystemer, udløser ødelæggende algeopblomstring, døde zoner, og fisk dræber.

Ammoniakfangst er nu en kritisk udfordring for det 21. århundrede, især da bybefolkningen forventes at stige dramatisk, med en forventet byvækst på 2,5 milliarder mennesker i 2050. Samtidig at levere forbedrede sanitære forhold til de 2,3 milliarder mennesker, der i øjeblikket ikke er betjente globalt, vil medføre installation af nye toiletter, spildevandsanlæg, og sanitetsinfrastruktur, lægger endnu mere stress på miljøet.

Til dato, det meste ammoniakfangst sker gennem en ekstremt energikrævende teknik, Haber-Bosch processen, som bruges af industri over hele kloden til at producere gødning og står for 1-2 % af verdens årlige energiforbrug. Et Columbia Engineering-team, ledet af Ngai Yin Yip, adjunkt i jord- og miljøteknik, rapporterer i dag, at de har genvundet ammoniak gennem en ny metode, der bruger et meget lavt energiniveau, cirka en femtedel af den energi, der bruges af Haber-Bosch-processen. Ud over, fordi teknikken genbruger ammoniak i et lukket kredsløb, ammoniakken kan genindfanges til genbrug i gødning, rengøringsmidler, og andre industriprodukter. Resultaterne er offentliggjort i dag af ACS Sustainable Chemistry &Engineering .

Håndtering af nitrogen, et vigtigt næringsstof for livet, er blevet anerkendt af National Academy of Engineering som en af ​​de store udfordringer i det 21. århundrede. Yips gruppe, som fokuserer på at fremme bæredygtig produktion af både energi og vand, ønskede at opfinde en bedre, mere økologisk måde at producere nitrogen på, hvoraf ammoniak er en biotilgængelig form.

"Det var klart, at vi havde brug for et paradigmeskifte til overgangen til en cirkulær økonomimodel, hvor nitrogen genvindes og genanvendes, i stedet for den nuværende uholdbare lineære tilgang med dyr produktion, udnyttelse, og derefter kassere forurenende stoffer til miljøet, "Jip siger.

Yips team har ekspertise i membrandestillation, en teknik, der driver permeationen af ​​flygtige arter, I dette tilfælde, ammoniak, fra en fødestrøm til en opsamlerstrøm, mens de ikke-flygtige arter forbliver i fødestrømmen. De flygtige arter drives hen over membranen af ​​en forskel i damptryk, som er afhængig af temperatur og koncentration. Forskerne udviklede en teknik, som de kalder "isotermisk membrandestillation med sur opsamler, " eller IMD-AC, der bruger lav temperatur varme, og anvendte det til selektivt at adskille og opfange ammoniak fra den ammoniakrige affaldsstrøm af urin (simuleret til dette projekt).

"Fordi vores proces er drevet af moderate temperaturer så lave som 20-60 grader Celsius, energien kan leveres af billig eller endda gratis spildvarme fra, for eksempel, køletårnsvand, badevand, eller solfangere, "Jip siger.

De næste trin for holdet omfatter at udforske måder at genvinde fosfor på, en anden nøgleingrediens i gødning, bæredygtigt og billigt fra urin.

"Nu hvor vi har demonstreret bæredygtig genvinding af nitrogen fra urin, "Yip tilføjer, "Vi mener, at den voksende befolknings- og sanitetstendenser giver ideelle muligheder for indførelse af decentraliserede urinafledningsfaciliteter til genindvinding af næringsstoffer, uden omkostningsfulde ombygninger eller eftersyn af det eksisterende system, at flytte spildevandshåndtering til et mere bæredygtigt og effektivt paradigme."