تبدیل فاضلاب به ثروت: 'برگ مصنوعی' خورشیدی فاضلاب را به آمونیاک تبدیل می‌کند
محققان دانشگاه نیو ساوت ولز (UNSW) سیدنی یک 'برگ مصنوعی' ایجاد کرده‌اند که نیترات‌های موجود در فاضلاب را با استفاده از نور خورشید به آمونیاک تبدیل می‌کند. برخلاف فرآیندهای صنعتی تولید آمونیاک، این روش گازهای گلخانه‌ای تولید نمی‌کند و می‌تواند راهی سازگار با محیط زیست برای تولید کود فراهم کند.
روش‌های مدرن کشاورزی که می‌توانند تولیدات زیادی از زمین‌های کوچک داشته باشند، به کودهای شیمیایی مانند آمونیاک وابسته هستند. فرآیند تولید آمونیاک نیازمند دماهای بالا بین ۴۰۰ تا ۵۰۰ درجه سانتیگراد، فشار بالا و تولید هیدروژن است.
به‌طور معمول، این فرآیند با استفاده از سوخت‌های فسیلی انجام می‌شود. با این حال، افزایش تقاضا برای آمونیاک منجر به مصرف بیشتر سوخت‌های فسیلی شده است. تخمین‌ها نشان می‌دهد که تا ۵ درصد از انتشار گازهای گلخانه‌ای جهان از فعالیت‌های تولید و استفاده از آمونیاک تولید می‌شود.
بنابراین، یک تیم تحقیقاتی به سرپرستی رزی آمل، استاد دانشگاه UNSW، به دنبال راه‌هایی برای تبدیل تولید آمونیاک به یک فرآیند سازگارتر با محیط زیست بود. پاسخ ساده به سوال آن‌ها، یک پنل خورشیدی تغییر یافته بود.
پنل خورشیدی که آمونیاک تولید می‌کند
محققان الهام گرفته از یک برگ طبیعی که آب و دی‌اکسید کربن را در نور خورشید به شکر و اکسیژن تبدیل می‌کند، به دنبال راه‌هایی برای تبدیل نیترات‌های موجود در فاضلاب به نیترات‌های آمونیوم بودند.
این تیم تخصص محققان مدرسه فتوولتائیک و مهندسی انرژی‌های تجدیدپذیر UNSW و گروه ذرات و کاتالیز دانشکده مهندسی شیمی را ترکیب کردند تا یک پنل خورشیدی که می‌تواند این فرآیند را بدون انتشار کربن ایجاد کند، تغییر دهند.
چن هان، که دکترای خود را در UNSW گرفت و در این کار شرکت داشت، توضیح داد: «ما یک کاتالیست بسیار کارآمد با برخی نانوساختارهای خاص توسعه داده‌ایم و آن را با یک پنل خورشیدی سنتی سیلیکونی ترکیب کرده‌ایم که نتیجه آن یک فرآیند بسیار موثر است.»
این تیم یک لایه نازک نانوساختاری از هیدروکسید مس و کبالت را بر روی پنل خورشیدی معرفی کردند که به عنوان کاتالیست واکنش شیمیایی عمل می‌کند.
این واکنش، که به عنوان فوتوالکتروکاتالیستیک (PEC) توسط دانشمندان اشاره می‌شود، در یک برگ مصنوعی به اندازه شش اینچ مربع (۴۰ سانتی متر مربع) نشان داده شد ولی به اندازه کافی یون‌های آمونیوم تولید کرد تا نیازهای کود حدود ۱۶ فوت مربع (۱٫۴۹ متر مربع) زمین کشاورزی را برآورده کند.
تبدیل فاضلاب به آب آبیاری
غلظت آمونیاک در کودها نسبتاً کم است. بنابراین، محققان مطمئن هستند که فرآیند آن‌ها می‌تواند به اندازه کافی آمونیاک تولید کند تا سیستم در شرایط واقعی کار کند.
فاضلاب وارد شده به برگ مصنوعی مستقیماً از فاضلاب شهری نیست. اما، باید برای حذف مواد آلی و ذرات دیگر پردازش شود. محققان امیدوارند که زمانی که سیستم آن‌ها آمونیوم را از آب استخراج کرد، بقیه آب می‌تواند برای آبیاری محصوالت استفاده شود.
رزی آمل در یک بیانیه‌ی مطبوعاتی گفت: «ما فکر می‌کنیم که این فناوری جدید می‌تواند در مقیاس نسبتاً کوچک در مکان‌های کشاورزی برای تولید آمونیوم در محل اجرا شود که می‌تواند فرآیند تولید را غیرمرکزی کند و انتشار CO2 مرتبط با فرآیند حمل و نقل را بیشتر کاهش دهد.»
این استاد افزود: «ما می‌خواهیم آمونیاک را به روشی پاک‌تر و سبزتر که انتشار CO2 را به حداقل می‌رساند تولید کنیم. شرکای صنعتی به ما کمک می‌کنند تا این دستگاه را به مقیاس بزرگ‌تری برسانیم و قطعاً مایلیم از یک پنل خورشیدی در اندازه سنتی کامل برای کاربرد خود استفاده کنیم.»
این مهم است که به ما در رسیدن به اهداف انتشار گازهای گلخانه‌ای تا سال‌های ۲۰۳۰ و ۲۰۴۰ و در نهایت به هدف آهنین خالص تا سال ۲۰۵۰ کمک کند.»
یافته‌های تحقیق در ژورنال علوم انرژی و محیط زیست منتشر شد.
