اسفنج‌های خورشیدی؛ نوآوری سبز در بازیابی آمونیاک از فاضلاب

به گزارش گروه دانشگاه خبرگزاری دانشجو، نور خورشید که بر روی اسفنج‌های مخصوص می‌تاباند، اکنون می‌تواند با بازیابی آمونیاک از فاضلاب، سوخت مورد نیاز گیاهان را تولید کند. محققان یک اسفنج شناور مبتنی بر آمینو پیوند شده (-NH۲) MXene (Ti۳C۲) (AMS) طراحی کرده‌اند که در صورت افزایش مقیاس کارآمد، می‌تواند همزمان دو راه‌حل پایدار ارائه دهد: تصفیه فاضلاب و تأمین آمونیاک (NH۳)، یک منبع نیتروژن ضروری برای گیاهان، برای کشاورزان با هزینه کمتر.

بیش از یک قرن پیش، دو دانشمند با توسعه فرآیند هابر-بوش - روشی برای تبدیل نیتروژن موجود در هوا به کود آمونیاک - جهان را از قحطی قریب‌الوقوع نجات دادند. با وجود اینکه هابر، یکی از این دو نفر، در طول جنگ جهانی اول درگیر جنگ شیمیایی بود، این اختراع جایزه نوبل را برای دانشمندان به ارمغان آورد که اهمیت کشت مواد غذایی را نشان می‌دهد. همچنین این ماده، ماده اولیه اساسی برای بسیاری از صنایع شیمیایی است.

فرآیند هابر-بوش هنوز هم یکی از رایج‌ترین روش‌ها برای سنتز آمونیاک (NH۳) است. با این حال، این فرآیند انرژی زیادی مصرف می‌کند و منجر به انتشار قابل توجه کربن می‌شود - برای هر تن بازیابی NH۳، معادل ۳.۲۷ تن CO۲ منتشر می‌شود.

بازیابی آمونیاک از رواناب‌های کشاورزی و صنعتی می‌تواند به کاهش میزان انتشار گاز‌های گلخانه‌ای کمک کند و فشار بر صنایع شیمیایی را برای تأمین تقاضای رو به رشد جهان که بالغ بر صد‌ها میلیون تن در سال است، کاهش دهد.

طبق یافته‌های منتشر شده در مجله Nature Sustainability، محققان توانستند آمونیاک را با سرعت ۰.۶ مول بر متر مربع در ساعت با خلوص ۹۹.۸ ٪ با استفاده از فاضلاب کلرید آمونیوم (NH۴Cl) تحت شدت نور ۵-sun، بدون هیچ گونه مواد شیمیایی یا انرژی اضافی، بازیابی کنند.

اسفنج مبتنی بر MXene زیر نور خورشید به طور کامل خود را بازسازی کرد و اسید هیدروکلریک را به عنوان یک محصول جانبی، یکی دیگر از مواد شیمیایی با ارزش اقتصادی، تولید کرد.

در مکان‌های مناسب، آمونیاک یک ناجی است، اما وقتی در رواناب‌ها و فاضلاب‌ها وجود داشته باشد، همین ماده شیمیایی به عنوان یک آلاینده قوی با توانایی مختل کردن زندگی آبزیان عمل می‌کند. چین به تنهایی سالانه بیش از ۱۰ میلیون تن فاضلاب حاوی NH۴ + را به سیستم‌های هیدرولوژیکی تخلیه می‌کند.

بازیابی NH۳ از فاضلاب حاوی NH۴ + به واکنش هیدرولیز برگشت‌پذیر NH۴ + (NH۴ + ⇌ NH۳ + H +) وابسته است که توسط اصول تعادل کنترل می‌شود.

هدف، تغییر تعادل به سمت تولید بیشتر NH۳ است که معمولاً با حذف یا خنثی‌سازی H + در سمت محصول انجام می‌شود. روش‌های بازیابی مرسوم به مواد شیمیایی قلیایی اضافی و گرمایش الکتریکی نیاز دارند تا تعادل هیدرولیز NH۴+ را به سمت تولید NH۳ تغییر دهند.

مطالعات اخیر نشان داده‌اند که گرمایش خورشیدی بین سطحی، یک جایگزین امیدوارکننده و با بهره‌وری انرژی بالا برای بازیابی آمونیاک است که بر اساس اصل اثر فتوترمال موضعی عمل می‌کند.

محققان با بهره‌گیری از مزایای گرمایش خورشیدی بین سطحی، یک استراتژی بازیابی آمونیاک با استفاده از انرژی خورشیدی و با استفاده از AMS شناور پیشنهاد کردند.

اسفنج زیر نور خورشید یک محیط قلیایی موضعی برگشت‌پذیر و گرمای بین سطحی روی سطح آب ایجاد کرد. هنگام شناور شدن روی سطح، گروه‌های ‒NH۲ پیوند شده در اسفنج، یون‌های H + را بدون افزودن معرف‌ها جذب کردند و هیدرولیز NH۴ + به NH۳ را امکان‌پذیر ساختند.

Ti۳C۲ موجود در شناور‌ها به جذب کارآمد انرژی خورشیدی و تبدیل آن به گرمای مورد نیاز برای تبخیر NH۳ کمک می‌کرد، که بعداً از طریق میعان جمع‌آوری می‌شد.

تحلیل‌های چرخه عمر و فنی-اقتصادی، مزایای زیست‌محیطی و هزینه‌ای قابل توجهی را نسبت به رویکرد‌های مرسوم نشان داد. به عنوان مثال، این استراتژی بازیابی مبتنی بر انرژی خورشیدی تنها معادل ۰.۱۰۲ تن CO۲ منتشر کرد که ۳۰ برابر کمتر از فرآیند مرسوم هابر-بوش است.

محققان بر نیاز به مطالعات بیشتر برای بهینه‌سازی طراحی مواد متناسب با ویژگی‌های خاص فاضلاب، فصول، مکان‌ها و انواع صنایع تأکید می‌کنند.