Forskare från Cornell Universitys College of Agriculture and Life Sciences och den kanadensiska ljuskällan (CLS) vid University of Saskatchewan har bevisat att det är möjligt att skapa kväverikt gödselmedel genom att kombinera de fasta och flytande komponenterna i mänskligt avfall.

Upptäckten, publicerades nyligen i tidskriften Hållbar kemi och teknik , har potential att öka jordbrukets avkastning i utvecklingsländer och minska förorening av grundvatten orsakad av kväveavrinning.

Särskilda separerande toaletter som utvecklades genom Reinvent the Toilet Challenge har hjälpt till att lösa långvariga sanitetsproblem i Nairobis slumkvarter, Kenya. Dock, metoderna som användes för att göra sig av med de två utflödena lyckades inte fånga upp ett nyckelnäringsämne som lokala fält svälter efter:kväve.

Cornell-forskarna Leilah Krounbi, en före detta Ph.D. studerande, nu vid Weizmann-institutet i Israel, och Johannes Lehmann, senior författare och professor i mark- och växtvetenskap, undrade om det kunde vara möjligt att stänga avloppsslingan genom att återvinna kväve från urinen, som annars höll på att förloras till avrinning. Medan andra forskare har konstruerat adsorberare med hjälp av högteknologiska ingredienser som kolnanorör eller aktivt kol, Lehmann och hans team ville veta om de kunde göra det med avgjort lågteknologiska material som mänsklig avföring. Adsorbatorer är material vars ytor kan fånga upp och hålla gas eller vätskor.

"Vi var intresserade av att ta reda på hur man kan få ut kväve ur de flytande avfallsströmmarna, föra den på ett fast material så att den har en gödselkvalitet och kan användas i denna idé om en cirkulär ekonomi, sa Lehmann.

Forskarna började med att värma upp den fasta komponenten i mänskligt avfall till 500 grader Celsius i frånvaro av syre för att producera ett patogenfritt kol som kallas biokol. Nästa, de manipulerade ytan på biokolet genom att grunda det med CO2, vilket gjorde det möjligt för den att suga upp ammoniak, den kväverika gasen som avges av urin. Den kemiska processen fick ammoniaken att binda till biokolet. Genom att upprepa processen, de kunde ladda upp biokolen med extra lager av kväve. Resultatet är ett fast material rikt på kväve.

Genom att använda SGM-strållinjen vid CLS kunde Lehmann och hans team se hur kemin i kvävet förändrades när det adsorberade ammoniak. Strållinjen gav också en indikation på hur tillgängligt kvävet skulle vara för växter om det resulterande materialet användes som gödningsmedel.

"För att förstå vad interaktionerna är mellan kväve, ammoniakgasen och kolet, det finns verkligen inget annat bra sätt än att använda NEXAFS (near-edge, röntgenabsorptionsfinstruktur) spektroskopi som CLS-strållinjen erbjuder, ", sa Lehmann. "Det var verkligen vår arbetshäst att förstå vilken typ av kemiska bindningar som uppstår mellan kvävgasen och vår adsorberare."

Forskargruppen har visat att det verkligen är möjligt att göra ett gödningsmedel med de mest grundläggande ingredienserna, mänskligt avfall. Dock, de har fortfarande ett antal frågor att besvara:Kan du optimera processen för att maximera mängden ammoniak som sugs upp av biokol? Hur kommer detta "återvunna" gödselmedel att jämföras med befintliga kommersiella kvävegödselmedel för olika grödor och jordar? Kan du bygga en kostnadseffektiv maskin som utför denna process automatiskt i en verklig miljö?

Det som började som sökandet efter en lösning på ett mycket lokaliserat problem har vidsträckt tillämplighet, sa Lehmann. "Jag tror att det är lika viktigt för ett avloppsreningsverk i Saskatchewan, eller en mjölkgård i delstaten New York, som det är för en bosatt i Nairobi. Det är en grundläggande princip som är användbar var som helst."