يمكننا صنع الوقود والأسمدة عن طريق إعادة تدوير مياه الصرف الصحي

تقنية صديقة للبيئة تحول مياه الصرف الصحي إلى أمونيا ومنتجات ثانوية غير ضارة باستخدام مفاعل كيميائي متعدد الغرف. ويتطلب البديل المستدام طاقة أقل بكثير من الطريقة التقليدية لإنتاج هذه المادة الكيميائية المهمة.

تستخدم الزراعة وأنظمة التبريد والورق ولوازم التنظيف وغيرها من الصناعات مئات الملايين من الأطنان من الأمونيا كل عام. إن تصنيع هذا القدر الكبير من المادة الكيميائية يستخدم حوالي 2 في المائة من إجمالي استهلاك الطاقة ويساهم بنسبة 1.4 في المائة من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون العالمية.

ويعود بعض هذا الثمن البيئي إلى الطريقة التقليدية لإنتاج الأمونيا، والتي تتطلب درجات حرارة وضغوطًا عالية. ولجعل إنتاج الأمونيا أكثر استدامة، أراد فينج يانج تشين – من جامعة رايس في تكساس – وزملاؤه استبدال هذه التقنية بمفاعل يعمل بدرجة حرارة الغرفة.

ويستقبل مفاعلهم الماء الممزوج بالنترات – وهي مركبات النيتروجين التي توجد غالبًا في مياه الصرف الصحي، مثل مياه الصرف الصحي الصناعية أو الجريان السطحي الزراعي الملوث بالأسمدة النيتروجينية. بعد دخول ماء النترات إلى الحجرة الأولى من الغرف الثلاث، تقوم الأقطاب الكهربائية، المشابهة لتلك الموجودة في البطاريات، بإنشاء تفاعل كهروكيميائي يحول السائل إلى ثلاثة مكونات: تبقى الأمونيا فقط في الغرفة الأولى من المفاعل، بينما يتدفق الماء النقي عبر الغرفة الأولى من المفاعل. الثانية والأكسجين يذهب إلى الثالثة.

ونظرًا لأن الأمونيا تحتوي فقط على النيتروجين والهيدروجين، فإن هذا التفاعل الكهروكيميائي لا يتطلب أي مكونات أخرى غير مياه الصرف الصحي. والمياه النقية التي تنتجها نظيفة بما يكفي لتلبية لوائح منظمة الصحة العالمية الخاصة بمياه الشرب.

يقول تشن إنه تم اختبار مفاعلات مماثلة من قبل، لكن الأقطاب الكهربائية لم تتمكن من خلط الشحنات عند جهد كهربي كافٍ حتى يعمل التفاعل، ما لم تتم إضافة الكثير من الأملاح إلى مياه الصرف الصحي. وقد جعل هو وزملاؤه جهازهم أكثر عملية من خلال ملء حجرته الوسطى بمادة مسامية تلعب دور تلك الأملاح، بحيث يمكن تغذية مياه الصرف الصحي مباشرة إلى المفاعل دون إضافات.

وفي التجارب على عينات المياه التي تحتوي على تركيزات واقعية من النترات، قام المفاعل بمعالجة 100 ملليلتر في حوالي ساعة، واستمر في العمل بشكل جيد عندما تم تشغيله لمدة 10 أيام متتالية. ويشبه أدائه أداء تصميمات المفاعلات السابقة الأكثر تعقيدًا.

يقول تشين إن الفريق اختبر المفاعل في المختبر فقط باستخدام المياه الغنية بالنترات، وليس عينات مياه الصرف الصحي الحقيقية، التي تحتوي على أكثر من مجرد النترات. لكن الباحثين يتصورون في نهاية المطاف أن الشركات والمزارع المحلية تستخدم هذه المفاعلات لإعادة تدوير مياه الصرف الصحي، بدلا من إرسالها إلى محطات معالجة بعيدة تهدر إمكاناتها في صنع الأمونيا.

وفي أفضل السيناريوهات، قد يكون لدى المزرعة مفاعلها الخاص، الذي يعمل بالطاقة الشمسية أو طاقة الرياح. ويمكن للمزارعين تمرير مياه الصرف الصحي المحلية من خلال الجهاز وإعادة استخدام الأمونيا التي استخرجها على الفور كوقود أو سماد.

يقول تشين: «ما زلنا على مستوى البحث الأكاديمي، ولكن هذا هو حلمي الأسمى».