Удобрения из сточных вод оказались выгоднее традиционного производства

Глобальная проблема производства азотных удобрений, являющихся основой современной высокопродуктивной сельскохозяйственной системы, тесно связана с колоссальным потреблением энергии и, как следствие, значительными выбросами парниковых газов.

Традиционный процесс, разработанный Габером и Бошем в начале XX века, основан на высокотемпературной реакции синтеза аммиака из азота и водорода, требующей огромного количества энергии, преимущественно из ископаемого топлива. Это делает производство удобрений одним из главных источников антропогенного углеродного следа.

Однако, группа ученых из Бразилии и США совершила значительный прорыв, разработав инновационный электрокатализатор, способный кардинально изменить ситуацию.

Их разработка ориентирована на переработку канализационных стоков — источника, который до сих пор рассматривался как исключительно проблемный отход, требующий дорогостоящей и сложной очистки. Эта система не только решает проблему утилизации сточных вод, но и превращает их в ценный ресурс — азотные удобрения, используя при этом возобновляемый источник энергии — солнечный свет.

В основе технологии лежит электрокатализатор, состоящий из сложной системы, включающей в себя катионную и газообменную мембрану. Ключевым элементом является способность этого катализатора эффективно превращать ионы аммония (NH₄⁺), содержащиеся в больших количествах в сточных водах, в аммиак (NH₃). Этот процесс происходит с высоким КПД благодаря тщательно подобранным материалам электродов — сталь, иридий, титан и таллий — и оптимизированному режиму работы системы.

Электроды, расположенные по обе стороны катионной мембраны, подключены к солнечной батарее, которая выполняет двойную функцию: обеспечивает электроэнергией каталитический процесс и нагревает обрабатываемую жидкость.

Повышение температуры ускоряет химические реакции, повышая эффективность преобразования ионов аммония в аммиак. Ученые тщательно отлаживали параметры работы установки, варьируя напряжение и температуру, что позволило им добиться впечатляющих результатов. Увеличение КПД на 59% и прирост выхода аммиака на 22%. Эти достижения свидетельствуют о высокой эффективности и оптимизации разработанной системы.

Полученный аммиак затем взаимодействует с серной кислотой, образуя сульфат аммония — широко используемое азотное удобрение. Важно отметить, что вся система работает без необходимости подключения к внешним источникам электричества, используя исключительно солнечную энергию. Это делает её экологически чистой и экономически выгодной, особенно в регионах с высоким уровнем солнечной активности.

Проведенные эксперименты с использованием реальных образцов сточных вод подтвердили работоспособность установки и её коммерческую привлекательность. В условиях умеренного климата производство азотных удобрений с помощью этой технологии приносит прибыль в размере $2-4 на килограмм.

Однако, в странах с жарким климатом, таких как многие африканские государства, эта прибыль может достигать $4 на килограмм, учитывая более высокие местные цены на удобрения. Это делает данную технологию особенно привлекательной для предпринимателей в развивающихся странах, способствуя развитию сельского хозяйства и снижению зависимости от импортных удобрений.

Данная разработка имеет огромный потенциал для решения сразу нескольких глобальных проблем. Она предлагает эффективный и экологически чистый метод утилизации сточных вод, предотвращая загрязнение окружающей среды. Одновременно, она обеспечивает производство азотных удобрений, критически важных для обеспечения продовольственной безопасности, с минимальным воздействием на окружающую среду.

Использование возобновляемой солнечной энергии делает этот процесс независимым от колебаний цен на ископаемое топливо и способствует снижению выбросов парниковых газов, что имеет решающее значение в борьбе с изменением климата.

В перспективе, масштабирование данной технологии может привести к революционным изменениям в сельском хозяйстве и производстве удобрений, обеспечивая устойчивое развитие и продовольственную безопасность для будущих поколений. Более того, возможность автономной работы системы делает её привлекательной для удаленных и слаборазвитых регионов, где доступ к электроэнергии ограничен.

Это открывает новые возможности для развития сельского хозяйства и повышения уровня жизни в этих регионах. В заключение, можно сказать, что данная разработка является ярким примером успешного сочетания научного прогресса и решения актуальных экологических и экономических проблем.