Un team interdisciplinare guidato da scienziati dell’Università del Wisconsin-Madison ha sviluppato una nuova tecnica che potrebbe aiutare gli agricoltori a estrarre nutrienti utili come ammoniaca e potassio dal letame del bestiame per produrre in modo efficiente fertilizzanti e altri prodotti chimici utili. Sebbene la strategia debba ancora essere ampliata oltre la fase di prova di concetto, le analisi preliminari del gruppo mostrano che potrebbe offrire notevoli vantaggi riducendo l’inquinamento idrico e atmosferico e contemporaneamente creando prodotti che gli agricoltori potrebbero utilizzare o vendere.
Il letame puzza in parte perché contiene ammoniaca, uno degli oltre 300 composti che contribuiscono al suo odore. Il gas pungente non è solo un inquinante atmosferico dannoso, ma può trasformarsi nel protossido di azoto e nel nitrato, gas serra.
L’ammoniaca è anche la base di molti fertilizzanti azotati che hanno alimentato la moderna produzione agricola. Il metodo industriale per produrre ammoniaca per fertilizzanti a base di azoto, il processo Haber-Bosch, consuma molta energia ed emette centinaia di milioni di tonnellate di gas serra ogni anno.
Sebbene il letame stesso possa essere utilizzato come fertilizzante, farlo può essere costoso, logisticamente impegnativo e presenta inconvenienti ambientali. Pertanto, i ricercatori di tutto il mondo sono alla ricerca di strategie per recuperare in modo efficiente l’ammoniaca dal letame, creando fertilizzanti più concentrati e preziosi che siano più ecologici e più convenienti da trasportare.
Tra queste strategie ci sono i processi chimici guidati dall’elettricità, che sta diventando sempre più economica in molte comunità rurali grazie alla crescente produzione di energia solare ed eolica. Tuttavia, la maggior parte delle tecniche elettrochimiche in fase di sviluppo non sono ancora pratiche, principalmente perché consumano molta energia e non sono abbastanza efficienti nell’estrarre l’ammoniaca disciolta (sotto forma di ioni ammonio) dal letame.
Questa nuova tecnica, descritta in un articolo dell’8 dicembre pubblicato sulla rivista Sostenibilità della naturasi basa su un elettrodo appositamente progettato, come quelli utilizzati per le batterie, che prende di mira gli ioni di ammonio.
La tecnica prevede un elettrodo a base di nichel che viene posizionato direttamente nelle acque reflue del letame. Poiché la materia organica nel letame viene naturalmente ossidata dall’elettrodo, gli ioni di ammonio e potassio presenti nelle acque reflue vengono selettivamente guidati e catturati dall’elettrodo.
La strategia non si esaurisce semplicemente nella rimozione dei nutrienti dalle acque reflue.
In una fase innovativa che potrebbe contribuire a rendere il processo ancora più attraente, l’elettrodo caricato con i nutrienti viene quindi inserito in un dispositivo che utilizza l’elettricità per rilasciare gli ioni di ammonio e potassio recuperati, che possono poi essere utilizzati per produrre fertilizzanti a base di azoto e potassio. e contemporaneamente produrre altri prodotti chimici utili. Questi potrebbero includere combustibile a idrogeno o perossido di idrogeno, comunemente utilizzato per la disinfezione.
“Siamo stati fortunati perché la natura fa gran parte del lavoro per noi”, afferma Song Jin, un professore di chimica dell’UW-Madison che ha guidato il lavoro insieme al dottorando Rui Wang e al professore di ingegneria civile e ambientale Mohan Qin.
“Il letame contiene tutta questa roba e non dobbiamo fare troppo lavoro extra”, dice Jin. “Il materiale della batteria entra e l’ammoniaca viene risucchiata fuori quando le sostanze organiche si ossidano.”
Le prove con piccole quantità di letame hanno recuperato più della metà dell’ammoniaca nel primo passaggio, con un recupero di circa l’85% dopo due cicli.
La capacità di produrre insieme fertilizzanti e altri prodotti chimici è una parte fondamentale del motivo per cui il team ritiene che la propria strategia possa essere vincente. Un’analisi ambientale condotta da Rebecca Larson, professoressa del Nelson Institute for Environmental Studies, indica che un’azienda lattiero-casearia con 1.000 capi potrebbe ridurre le emissioni di ammoniaca di oltre il 50% implementando il sistema, riducendo allo stesso tempo significativamente la quantità di nitrati. entrare nelle acque vicine.
Nel frattempo, un’analisi tecnico-economica preliminare condotta dal professor Fikile Brushett, collaboratore del Massachusetts Institute of Technology, mostra che un modello di azienda lattiero-casearia che utilizza il sistema potrebbe aspettarsi ricavi risultanti superiori ai costi operativi, a condizione che i prezzi dell’elettricità non siano esorbitanti. .
I prossimi passi includono l’ulteriore miglioramento dei materiali e dei processi, l’ampliamento del sistema e lo studio di come funziona a un livello più simile a un’operazione di allevamento del mondo reale. Secondo le analisi iniziali, Jin è ottimista sul fatto che i benefici del sistema continueranno a superare i potenziali costi su scala così ampia.
“Sembra davvero promettente”, dice Qin. “C’è un percorso per vedere come questo potrebbe davvero aiutare nel mondo reale.”
Questa ricerca è stata supportata dalla National Science Foundation (NSF, CBET-2219089). Un brevetto provvisorio su questa tecnologia è stato depositato anche dalla Wisconsin Alumni Research Foundation (WARF).
Da un’altra testata giornalistica. news de www.sciencedaily.com
