p Urina, que contém a maior parte do nitrogênio excretado pelos humanos, pode ser isolado na fonte por meio de mictórios secos e vasos sanitários com separação de urina. Por meio de MD isotérmico, a amônia volátil na urina hidrolisada é conduzida através de uma membrana microporosa hidrofóbica, onde é recuperada como um produto fertilizante de amônia no fluxo coletor ácido. A urina restante pode então ser descartada no esgoto. Crédito:Ngai Yin Yip e Chanhee Boo / Columbia Engineering
p A amônia é um componente-chave do fertilizante e vital para apoiar o crescimento das plantas e, em última análise, fornecer alimentos para as populações em todo o mundo. É também um grande poluente que, depois de usado na cadeia alimentar, entra em estações de tratamento de águas residuais municipais, onde muitas vezes não são removidas de forma adequada. Em seguida, é liberado no meio ambiente, onde polui as configurações aquáticas e danifica os ecossistemas, desencadeando a proliferação de algas destrutivas, zonas mortas, e peixes matam. p A captura de amônia é agora um desafio crítico para o século 21, especialmente porque se espera que a população da cidade aumente dramaticamente, com um crescimento urbano projetado de 2,5 bilhões de pessoas até 2050. Ao mesmo tempo, fornecer saneamento básico para 2,3 bilhões de pessoas que atualmente não são atendidas globalmente implicará na instalação de novos banheiros, instalações de águas residuais, e infraestrutura de saneamento, colocando ainda mais pressão sobre o meio ambiente.
p A data, a maior parte da captura de amônia é feita por meio de uma técnica extremamente intensiva em energia, o processo Haber-Bosch, que é usado pela indústria em todo o mundo para produzir fertilizantes e é responsável por 1-2% do consumo anual de energia do mundo. Uma equipe de engenharia da Columbia, liderado por Ngai Yin Yip, professor assistente de engenharia terrestre e ambiental, relata hoje que recuperaram amônia por meio de um novo método que usa um nível de energia muito baixo, aproximadamente um quinto da energia usada pelo processo Haber-Bosch. Além disso, porque a técnica recicla amônia em um circuito fechado, a amônia pode ser recapturada para reutilização em fertilizantes, produtos de limpeza domésticos, e outros produtos industriais. Os resultados são publicados hoje por
Química e Engenharia Sustentáveis da ACS .
p O manejo do nitrogênio, um nutriente essencial para a vida, foi reconhecido pela Academia Nacional de Engenharia como um dos Grandes Desafios do século XXI. O grupo de Yip, que se concentra no avanço da produção sustentável de energia e água, queria inventar um melhor, maneira mais ecológica de produzir nitrogênio, dos quais a amônia é uma forma biodisponível.
p Economias de nitrogênio linear (setas vermelhas) e circulares (setas azuis). Na economia linear de nitrogênio, N é fixado da atmosfera por meio do processo Haber-Bosch de uso intensivo de energia, utilizado como fertilizante para produção de alimentos, em seguida, lançado como resíduo. Muitas vezes, N não é removido adequadamente durante o tratamento de águas residuais, resultando em carregamento de nitrogênio para águas superficiais e costeiras, desencadeando a proliferação de algas nocivas e zonas mortas. Uma abordagem mais voltada para o futuro é capturar o nitrogênio dos fluxos de resíduos e reintroduzir o N na cadeia alimentar para contornar a necessidade de fixação intensiva de N, ao mesmo tempo que evita a poluição dos ambientes aquáticos a jusante. Crédito:Ngai Yin Yip e Xi Chen / Columbia Engineering
p "Estava claro que precisávamos de uma mudança de paradigma para fazer a transição para um modelo de economia circular, onde o nitrogênio é recuperado e reciclado, em vez da abordagem linear insustentável atual de produção cara, utilização, e, em seguida, descartando poluentes no meio ambiente, "Yip diz.
p A equipe de Yip tem experiência em destilação por membrana, uma técnica que conduz a permeação de espécies voláteis, nesse caso, amônia, de um fluxo de feed para um fluxo de coletor, enquanto as espécies não voláteis permanecem no fluxo de alimentação. As espécies voláteis são conduzidas através da membrana por uma diferença na pressão de vapor, que depende da temperatura e da concentração. Os pesquisadores desenvolveram uma técnica, que eles chamam de "destilação por membrana isotérmica com coletor ácido, "ou IMD-AC, que usa calor de baixa temperatura, e aplicou-o para separar e capturar seletivamente a amônia do fluxo residual rico em amônia da urina (simulado para este projeto).
p "Como nosso processo é conduzido por temperaturas moderadas de 20 a 60 graus Celsius, a energia pode ser fornecida por calor residual barato ou mesmo gratuito de, por exemplo, água da torre de resfriamento, água do banho, ou coletores solares térmicos, "Yip diz.
p As próximas etapas para a equipe incluem explorar maneiras de recuperar o fósforo, outro ingrediente chave do fertilizante, de forma sustentável e barata a partir da urina.
p "Agora que demonstramos a recuperação sustentável do nitrogênio da urina, "Yip acrescenta, "pensamos que o crescimento populacional e as tendências de saneamento apresentam oportunidades ideais para a introdução de instalações descentralizadas de separação de urina para recuperação de nutrientes, sem retrofits ou revisões onerosas do sistema existente, mudando a gestão de águas residuais para um paradigma mais sustentável e eficiente. "
