Orina, que contiene la mayor parte del nitrógeno excretado por los seres humanos, se puede aislar en la fuente a través de urinarios secos e inodoros de desviación de orina. A través de MD isotérmico, El amoníaco volátil en la orina hidrolizada se impulsa a través de una membrana microporosa hidrófoba donde se recupera como un producto fertilizante de amoníaco en la corriente colectora ácida. La orina restante se puede descargar a la alcantarilla. Crédito:Ngai Yin Yip y Chanhee Boo / Columbia Engineering
El amoníaco es un componente clave de los fertilizantes y es vital para apoyar el crecimiento de las plantas y, en última instancia, proporcionar alimentos a las poblaciones de todo el mundo. También es un contaminante importante que, después de su uso en la cadena alimentaria, ingresa a las plantas de tratamiento de aguas residuales municipales donde a menudo no se elimina adecuadamente. Luego se libera al medio ambiente, donde contamina los entornos acuáticos y daña los ecosistemas. desencadenando florecimientos de algas destructivas, zonas muertas, y peces mata.
La captura de amoníaco es ahora un desafío crítico para el siglo XXI, especialmente porque se espera que las poblaciones de las ciudades aumenten drásticamente, con un crecimiento urbano proyectado de 2500 millones de personas para 2050. Al mismo tiempo, Proporcionar un mejor saneamiento a los 2.300 millones de personas que actualmente carecen de servicio en todo el mundo implicará la instalación de nuevos inodoros. instalaciones de aguas residuales, e infraestructura de saneamiento, poniendo aún más estrés en el medio ambiente.
Hasta la fecha, la mayor parte de la captura de amoníaco se realiza mediante una técnica que consume mucha energía, el proceso Haber-Bosch, que es utilizado por la industria en todo el mundo para producir fertilizantes y representa el 1-2% del consumo anual de energía del mundo. Un equipo de ingeniería de Columbia, dirigido por Ngai Yin Yip, profesor asistente de ingeniería ambiental y de la tierra, informa hoy que han recuperado amoniaco a través de un nuevo método que utiliza un nivel de energía muy bajo, aproximadamente una quinta parte de la energía utilizada por el proceso Haber-Bosch. Además, porque la técnica recicla el amoníaco en un circuito cerrado, el amoníaco se puede recuperar para su reutilización en fertilizantes, limpiadores domésticos, y otros productos industriales. Los hallazgos son publicados hoy por Química e ingeniería sostenibles de ACS .
El manejo del nitrógeno, un nutriente esencial para la vida, ha sido reconocido por la Academia Nacional de Ingeniería como uno de los Grandes Desafíos del siglo XXI. El grupo de Yip, que se centra en promover la producción sostenible de energía y agua, quería inventar una mejor, forma más ecológica de producir nitrógeno, del cual el amoníaco es una forma biodisponible.
Economías de nitrógeno lineales (flechas rojas) y circulares (flechas azules). En la economía lineal del nitrógeno, N se fija de la atmósfera a través del proceso de Haber-Bosch, que consume mucha energía, utilizado como fertilizante para la producción de alimentos, luego se libera como desperdicio. A menudo, El N no se elimina adecuadamente durante el tratamiento de aguas residuales, resultando en una carga de nitrógeno a las aguas superficiales y costeras, desencadenando floraciones de algas nocivas y zonas muertas. Un enfoque más orientado al futuro es capturar nitrógeno de las corrientes de desechos y reintroducir N en la cadena alimentaria para evitar la necesidad de una fijación de N que consume mucha energía y al mismo tiempo prevenir la contaminación de los ambientes acuáticos aguas abajo. Crédito:Ngai Yin Yip y Xi Chen / Columbia Engineering
"Estaba claro que necesitábamos un cambio de paradigma para la transición a un modelo de economía circular, donde el nitrógeno se recupera y recicla, en lugar del actual enfoque lineal insostenible de producción costosa, utilización, y luego descartar contaminantes al medio ambiente, "Dice Yip.
El equipo de Yip tiene experiencia en destilación por membranas, una técnica que impulsa la permeación de especies volátiles, en este caso, amoníaco, de una corriente de alimentación a una corriente colectora, mientras que las especies no volátiles permanecen en la corriente de alimentación. Las especies volátiles atraviesan la membrana por una diferencia en la presión de vapor, que depende de la temperatura y la concentración. Los investigadores desarrollaron una técnica, que ellos llaman "destilación de membrana isotérmica con colector ácido, "o IMD-AC, que usa calor a baja temperatura, y lo aplicó para separar y capturar selectivamente el amoníaco de la corriente de desechos de orina rica en amoníaco (simulado para este proyecto).
"Debido a que nuestro proceso está impulsado por temperaturas moderadas de hasta 20-60 grados Celsius, la energía puede ser suministrada por calor residual barato o incluso gratuito de, por ejemplo, agua de la torre de enfriamiento, agua de baño, o colectores solares térmicos, "Dice Yip.
Los siguientes pasos del equipo incluyen explorar formas de recuperar fósforo, otro ingrediente clave del fertilizante, de forma sostenible y económica a partir de la orina.
"Ahora que hemos demostrado la recuperación sostenible de nitrógeno de la orina, "Yip agrega, "Creemos que la creciente población y las tendencias de saneamiento presentan oportunidades ideales para la introducción de instalaciones descentralizadas de desviación de orina para la recuperación de nutrientes, sin costosas modificaciones o revisiones del sistema existente, cambiando la gestión de las aguas residuales a un paradigma más sostenible y eficiente ".
