L'ammoniac est un élément clé des engrais et vital pour soutenir la croissance des plantes et, à terme, fournir de la nourriture aux populations du monde entier. Il s'agit également d'un polluant majeur qui, une fois utilisé dans la chaîne alimentaire, pénètre dans les stations d'épuration municipales où il n'est souvent pas suffisamment éliminé.
Il est ensuite rejeté dans l'environnement où il pollue les milieux aquatiques et endommage les écosystèmes, déclenchant des proliférations d'algues destructrices, des zones mortes et la mort de poissons.
La capture de l'ammoniac est désormais un défi majeur pour le 21e siècle, d'autant plus que les populations urbaines devraient augmenter de façon spectaculaire, avec une croissance urbaine prévue de 2,5 milliards de personnes d'ici 2050.
Dans le même temps, l'amélioration de l'assainissement des 2,3 milliards de personnes actuellement non desservies dans le monde entraînera l'installation de nouvelles toilettes, d'installations de traitement des eaux usées et d'infrastructures d'assainissement, ce qui mettra encore plus l'accent sur l'environnement.
À ce jour, la plus grande partie de la capture d'ammoniac se fait grâce à une technique extrêmement énergivore, le procédé Haber-Bosch, qui est utilisé par l'industrie à travers le monde pour produire des engrais et représente 1 à 2% de la consommation énergétique annuelle mondiale.
Une équipe de Columbia Engineering, dirigée par Ngai Yin Yip, professeur adjoint de génie de la terre et de l'environnement, rapporte aujourd'hui qu'elle a récupéré de l'ammoniac grâce à une nouvelle méthode qui utilise un très faible niveau d'énergie, environ un cinquième de l'énergie utilisée par les Haber- Processus Bosch.
De plus, comme la technique recycle l'ammoniac en boucle fermée, l'ammoniac peut être récupéré pour être réutilisé dans les engrais, les nettoyants ménagers et d'autres produits industriels. Les résultats sont publiés aujourd'hui par ACS Chimie et ingénierie durables.
La gestion de l'azote, élément nutritif essentiel à la vie, a été reconnue par la National Academy of Engineering comme l'un des grands défis du 21e siècle. Le groupe de Yip, qui se concentre sur la promotion de la production durable d'énergie et d'eau, a voulu inventer une manière meilleure et plus écologique de produire de l'azote, dont l'ammoniac est une forme biodisponible.
Il était clair que nous avions besoin d'un changement de paradigme pour passer à un modèle d'économie circulaire, où l'azote est récupéré et recyclé, au lieu de l'approche linéaire non durable actuelle de production coûteuse, d'utilisation, puis d'élimination des polluants dans l'environnement. «
Ngai Yin Yip, professeur adjoint de génie de la terre et de l'environnement
L'équipe de Yip possède une expertise en distillation membranaire, une technique qui conduit à la perméation des espèces volatiles, dans ce cas, l'ammoniac, d'un flux d'alimentation à un flux collecteur, tandis que les espèces non volatiles restent dans le flux d'alimentation. Les espèces volatiles sont entraînées à travers la membrane par une différence de pression de vapeur, qui dépend de la température et de la concentration.
Les chercheurs ont développé une technique, qu'ils appellent «distillation isotherme à membrane avec collecteur acide», ou IMD-AC, qui utilise la chaleur à basse température, et l'a appliquée pour séparer et capturer sélectivement l'ammoniac du flux d'urine riche en ammoniac (simulé) pour ce projet).
« Parce que notre processus est entraîné par des températures modérées aussi basses que 20 à 60 degrés Celsius, l'énergie peut être fournie par la chaleur résiduelle bon marché ou même gratuite, par exemple, l'eau de la tour de refroidissement, l'eau du bain ou les capteurs solaires thermiques », explique Yip. .
Les prochaines étapes pour l'équipe consistent à explorer les moyens de récupérer le phosphore, un autre ingrédient clé des engrais, de manière durable et à moindre coût à partir de l'urine.
« Maintenant que nous avons démontré la récupération durable de l'azote de l'urine », ajoute Yip, « nous pensons que la croissance démographique et les tendances en matière d'assainissement offrent des opportunités idéales pour l'introduction d'installations décentralisées de détournement d'urine pour la récupération des nutriments, sans rénovations coûteuses ni révisions le système existant, faisant passer la gestion des eaux usées à un paradigme plus durable et plus efficace. «
La source:
École d'ingénierie et de sciences appliquées de l'Université Columbia
Référence de la revue:
McCartney, S. N., et al. (2020) Nouvelle distillation isotherme à membrane avec collecteur d'acide pour une récupération sélective et éconergétique de l'ammoniac à partir de l'urine. ACS Sustainable Chemistry & Engineering. est ce que je.
