Ammoniak is een belangrijk onderdeel van kunstmest en essentieel bij het ondersteunen van de plantengroei en uiteindelijk het verstrekken van voedsel aan populaties over de hele wereld. Het is ook een belangrijke verontreinigende stof die, nadat het in de voedselketen is gebruikt, komt in gemeentelijke afvalwaterzuiveringsinstallaties terecht waar het vaak niet adequaat wordt verwijderd. Het komt vervolgens in het milieu terecht waar het de wateromgeving vervuilt en ecosystemen beschadigt, het veroorzaken van destructieve algenbloei, dode zones, en vis doodt.

Het opvangen van ammoniak is nu een cruciale uitdaging voor de 21e eeuw, vooral omdat de stadsbevolking naar verwachting drastisch zal toenemen, met een verwachte stedelijke groei van 2,5 miljard mensen tegen 2050. het verstrekken van verbeterde sanitaire voorzieningen aan de 2,3 miljard mensen die momenteel wereldwijd niet worden bediend, zal de installatie van nieuwe toiletten met zich meebrengen, afvalwater voorzieningen, en sanitaire infrastructuur, het milieu nog meer belasten.

Daten, de meeste ammoniakafvang gebeurt via een uiterst energie-intensieve techniek, het Haber-Bosch-proces, die door de industrie over de hele wereld wordt gebruikt om kunstmest te produceren en goed is voor 1-2% van het jaarlijkse energieverbruik in de wereld. Een Columbia Engineering-team, geleid door Ngai Yin Yip, universitair docent aard- en milieutechniek, meldt vandaag dat ze ammoniak hebben teruggewonnen via een nieuwe methode die een zeer laag energieniveau gebruikt, ongeveer een vijfde van het energieverbruik van het Haber-Bosch-proces. In aanvulling, omdat de techniek ammoniak recyclet in een gesloten kringloop, de ammoniak kan worden teruggewonnen voor hergebruik in kunstmest, schoonmakers, en andere industriële producten. De bevindingen worden vandaag gepubliceerd door ACS Duurzame Chemie &Engineering .

Het beheer van stikstof, een essentiële voedingsstof voor het leven, is door de National Academy of Engineering erkend als een van de grote uitdagingen van de 21e eeuw. Yip's groep, dat zich richt op het bevorderen van duurzame productie van zowel energie als water, wilde een betere uitvinden, meer ecologische manier om stikstof te produceren, waarvan ammoniak een biologisch beschikbare vorm is.

"Het was duidelijk dat we een paradigmaverschuiving nodig hadden om over te stappen naar een circulaire economiemodel, waar stikstof wordt teruggewonnen en gerecycled, in plaats van de huidige onhoudbare lineaire benadering van dure productie, gebruik, en vervolgens verontreinigende stoffen in het milieu te gooien, ' Zegt Jip.

Het team van Yip heeft expertise in membraandestillatie, een techniek die de permeatie van vluchtige soorten stimuleert, in dit geval, ammoniak, van een voedingsstroom naar een collectorstroom, terwijl de niet-vluchtige soorten in de voedingsstroom blijven. De vluchtige soorten worden over het membraan gedreven door een verschil in dampdruk, die afhankelijk is van temperatuur en concentratie. De onderzoekers ontwikkelden een techniek, die ze "isotherme membraandestillatie met zure collector noemen, " of IMD-AC, die gebruik maakt van lage temperatuur warmte, en toegepast om ammoniak selectief te scheiden en af ​​te vangen uit de ammoniakrijke afvalstroom urine (gesimuleerd voor dit project).

"Omdat ons proces wordt aangedreven door gematigde temperaturen zo laag als 20-60 graden Celsius, de energie kan worden geleverd door goedkope of zelfs gratis restwarmte van, bijvoorbeeld, koeltorenwater, badwater, of thermische zonnecollectoren, ' Zegt Jip.

De volgende stappen voor het team zijn het onderzoeken van manieren om fosfor terug te winnen, een ander belangrijk ingrediënt van kunstmest, duurzaam en goedkoop uit urine.

"Nu we de duurzame terugwinning van stikstof uit urine hebben aangetoond, "Yip voegt eraan toe, "wij denken dat de groeiende bevolkings- en sanitaire trends ideale kansen bieden voor de introductie van gedecentraliseerde urine-omleidingsfaciliteiten voor het terugwinnen van voedingsstoffen, zonder dure aanpassingen of revisies van het bestaande systeem, het verschuiven van afvalwaterbeheer naar een duurzamer en efficiënter paradigma."