Urin, som innehåller mest det kväve som utsöndras av människor, kan isoleras vid källan via torra urinaler och urinavledningstoaletter. Genom isotermisk MD, flyktig ammoniak i hydrolyserad urin drivs över ett hydrofobt mikroporöst membran där det återvinns som en ammoniakgödselprodukt i den sura uppsamlaren. Den kvarvarande urinen kan sedan släppas ut i avloppet. Upphovsman:Ngai Yin Yip och Chanhee Boo/Columbia Engineering
Ammoniak är en nyckelkomponent i gödselmedel och avgörande för att stödja växttillväxt och i slutändan tillhandahålla mat till befolkningar runt om i världen. Det är också en stor förorening som, efter att det har använts i näringskedjan, kommer in i kommunala avloppsreningsverk där det ofta inte tas bort tillräckligt. Det släpps sedan ut i miljön där det förorenar akvatiska miljöer och skadar ekosystem, utlöser destruktiv algblomning, döda zoner, och fisk dödar.
Ammoniakfångst är nu en kritisk utmaning för 2000-talet, särskilt som stadens befolkning förväntas öka dramatiskt, med en beräknad stadstillväxt på 2,5 miljarder människor till 2050. Samtidigt att tillhandahålla förbättrad sanitet till de 2,3 miljarder människor som för närvarande är utan tjänst globalt kommer att innebära installation av nya toaletter, avloppsvattenanläggningar, och sanitetsinfrastruktur, sätta ännu mer stress på miljön.
Hittills, det mesta av ammoniakfångst sker genom en extremt energikrävande teknik, Haber-Bosch-processen, som används av industrin över hela världen för att producera gödselmedel och står för 1-2% av världens årliga energiförbrukning. Ett Columbia Engineering-team, leds av Ngai Yin Yip, biträdande professor i jord- och miljöteknik, rapporterar idag att de har återvunnit ammoniak genom en ny metod som använder en mycket låg energinivå, ungefär en femtedel av den energi som används av Haber-Bosch-processen. Dessutom, eftersom tekniken återvinner ammoniak i en sluten slinga, ammoniaken kan återvinnas för återanvändning i gödningsmedel, hushållsstädare, och andra industriprodukter. Resultaten publiceras idag av ACS Sustainable Chemistry &Engineering .
Hantering av kväve, ett viktigt näringsämne för livet, har erkänts av National Academy of Engineering som en av 2000-talets stora utmaningar. Yips grupp, som fokuserar på att främja hållbar produktion av både energi och vatten, ville uppfinna en bättre, mer ekologiskt sätt att producera kväve, varav ammoniak är en biotillgänglig form.
Linjära (röda pilar) och cirkulära (blå pilar) kväveekonomier. I den linjära kväveekonomin, N fixeras från atmosfären genom den energikrävande Haber-Bosch-processen, används som gödningsmedel för livsmedelsproduktion, släpps sedan ut som avfall. Ofta, N avlägsnas inte tillräckligt under avloppsrening, vilket resulterar i kvävebelastning till yt- och kustvatten, utlöser skadliga algblomningar och döda zoner. Ett mer framåtblickande tillvägagångssätt är att fånga upp kväve från avfallsflöden och återinföra N i livsmedelskedjan för att kringgå behovet av energikrävande N-fixering samtidigt som föroreningar av vattenmiljöer nedströms. Kredit:Ngai Yin Yip och Xi Chen/Columbia Engineering
"Det var tydligt att vi behövde ett paradigmskifte för att övergå till en cirkulär ekonomimodell, där kväve återvinns och återvinns, i stället för den nuvarande ohållbara linjära metoden för kostsam produktion, utnyttjande, och sedan kasta föroreningar till miljön, "Jipp säger.
Yips team har expertis inom membrandestillation, en teknik som driver genomträngningen av flyktiga arter, I detta fall, ammoniak, från en matningsström till en samlarström, medan de icke-flyktiga ämnena förblir i matarströmmen. De flyktiga arterna drivs över membranet av en skillnad i ångtryck, som är beroende av temperatur och koncentration. Forskarna utvecklade en teknik, som de kallar "isotermisk membrandestillation med sur kollektor, " eller IMD-AC, som använder lågtemperaturvärme, och använde den för att selektivt separera och fånga upp ammoniak från den ammoniakrika avfallsströmmen av urin (simulerad för detta projekt).
"Eftersom vår process drivs av måttliga temperaturer så låga som 20-60 grader Celsius, energin kan tillföras av billig eller till och med gratis spillvärme från, till exempel, kyltorn vatten, badvatten, eller solvärmesamlare, "Jipp säger.
Nästa steg för teamet inkluderar att utforska sätt att återvinna fosfor, en annan nyckelingrediens i gödselmedel, hållbart och billigt från urin.
"Nu när vi har visat hållbar återvinning av kväve från urin, "Japp tillägger, "vi tror att den växande befolkningen och sanitetstrenderna ger idealiska möjligheter för införandet av decentraliserade urinavledningsanläggningar för återvinning av näringsämnen, utan kostsamma ombyggnader eller översyn av det befintliga systemet, flytta avloppshanteringen till ett mer hållbart och effektivt paradigm. "
