Проблема избытка питательных веществ в сточных водах
Избыточное содержание питательных веществ в сточных водах может привести к вредным выбросам в естественные водоёмы, вызывая цветение вредных водорослей с серьёзными экологическими и экономическими последствиями. Для решения этой актуальной проблемы команда инженеров из Инженерной школы Маккелви Вашингтонского университета в Сент-Луисе разработала инновационное решение. Их новая композитная нанотехнология удаляет и восстанавливает питательные вещества из сточных вод, перерабатывая их в качестве удобрений для сельского хозяйства или сырья для биоперерабатывающих заводов, одновременно снижая вероятность цветения вредных водорослей.
Инновационное решение
Профессор энергетики, экологии и химической инженерии Ён-Шин Джун и докторант Минкёнг Чонг создали новые минерально-гидрогелевые композиты, которые могут удалять и восстанавливать аммоний и фосфаты из сточных вод. Эти композиты содержат наноразмерные минеральные семена струвита и фосфата кальция, которые значительно снижают концентрацию аммиака и фосфатов в сточных водах до 60% и 91% соответственно. Это снижение сдерживает рост водорослей и связанных с ними токсинов.
Экономические последствия вредного цветения водорослей
Согласно отчёту Национального управления океанических и атмосферных исследований США за 2000 год, ежегодные экономические потери от вредного цветения водорослей в прибрежных водах США составляют от 33,9 до 81,6 миллиона долларов. Это подчёркивает потенциальное влияние технологии.
Результаты исследования опубликованы
Результаты исследования были опубликованы в специальном выпуске журнала Environmental Science & Technology.
Принципы работы технологии
Подобно влагопоглощающему гелю в сердцевине одноразовых подгузников, этот гидрогель может впитывать и перепрофилировать излишки питательных веществ. Для своего устойчивого решения команда Джун использовала природу как модель и бенефициара своего метода.
«Мы разработали эти гидрогелевые композиты для восстановления аммиака и фосфата, основных питательных веществ, избыток которых вызывает цветение водорослей», — сказала Джун. «Синтез аммиака требует много энергии, а ресурсы фосфора истощаются. Наши минерально-гидрогелевые композиты позволяют нам извлекать эти питательные вещества из сточных вод и перепрофилировать их в качестве удобрений и сырья для биоперерабатывающих заводов».
Процесс использования наночастиц
Процесс использует зарождение наночастиц — начальный этап формирования твёрдой фазы в водной системе, подобно тому как кристаллы сахара образуются на нити для приготовления леденцов. Чтобы облегчить этот процесс, команда Джун внесла в гидрогель ультрамалые минеральные семена, созданные из фосфата кальция и струвита — минерала, состоящего из магния, аммония и фосфата, который связывается с кальцием и другими катионами и ионами. Аммиак и фосфаты связываются с семенами и увеличивают объём гидрогеля. В процессе средние размеры частиц гидрогеля увеличились с 6,12 нанометра до 14,8 нанометра.
Преимущества метода
Их подход решает три важные задачи традиционного удаления питательных веществ: неэффективный сбор при использовании традиционных методов; балансировка удаления аммиака и фосфата; поддержание постоянной эффективности удаления в сложных условиях воды. Этот метод достигает исключительно низкого уровня питательных веществ, эффективно предотвращая вредное цветение водорослей.
Джун подчеркнула масштабируемость процесса, успешные испытания которого были проведены на объёме до 20 литров жидкости. Лаборатория сейчас переходит на объём в 200 литров.
«Это демонстрирует потенциал практического применения наших фундаментальных научных исследований, показывая жизнеспособный путь от лаборатории до повседневных технологий», — сказала Джун. «Эта новаторская работа представляет собой значительный шаг вперёд в области экологической инженерии, превращая проблему отходов в ценный ресурс и демонстрируя устойчивость в действии».
Источник:
Washington University in St. Louis