Нанотехнология превращает сточные воды в удобрение

Избыток питательных веществ в сточных водах приводит к вредным сбросам в природные водоемы, вызывая цветение токсичных водорослей с серьезными экологическими и экономическими последствиями. Для решения этой проблемы инженеры из Школы инженерии Маккелви при Вашингтонском университете в Сент-Луисе разработали инновационное решение. Их новая композитная нанотехнология удаляет и извлекает питательные вещества из сточных вод, преобразуя их в сельскохозяйственные удобрения или сырье для биоперерабатывающих заводов, одновременно предотвращая цветение вредоносных водорослей.

Профессор Ян-Шин Джун и докторант Минкён Чжун создали новые минерально-гидрогелевые композиты, способные удалять и извлекать аммоний и фосфат из сточных вод. Композиты содержат наноразмерные затравки минералов струвита и фосфата кальция, что позволяет снизить концентрацию аммиака и фосфата в сточных водах до 60% и 91% соответственно. Это подавляет рост водорослей и выработку связанных с ними токсинов.

Отчет NOAA за 2000 год оценил ежегодные экономические потери от цветения водорослей в прибрежных водах США в $33.9–81.6 млн, что подчеркивает потенциальный эффект технологии.

Результаты исследования опубликованы в специальном выпуске журнала Environmental Science & Technology.

Подобно влагопоглощающему гелю в подгузниках, этот гидрогель впитывает избыток питательных веществ для их повторного использования. Команда использовала природу как модель и конечного бенефициара метода.

«Мы разработали эти гидрогелевые композиты для извлечения аммиака и фосфата — ключевых питательных веществ, избыток которых вызывает цветение водорослей. Синтез аммиака энергоемок, а ресурсы фосфора истощаются. Наши композиты позволяют собирать эти питательные вещества из сточных вод и использовать их как удобрения и сырье для биопереработки», — заявил Ян-Шин Джун.

В основе процесса лежит нуклеация наночастиц — начальная стадия образования твердой фазы в водной системе, аналогичная росту кристаллов сахара на нитке. Для её ускорения команда внедрила в гидрогель ультрамалые минеральные затравки из фосфата кальция и струвита — минерала, связывающего аммиак и фосфат с кальцием и другими катионами. Аммиак и фосфат связываются с затравками, увеличивая объём гидрогеля. В процессе средний размер частиц гидрогеля вырос с 6.12 нанометров до 14.8 нанометров.

Этот подход решает три ключевые проблемы традиционных методов удаления питательных веществ: неэффективный сбор, сложность одновременного удаления аммиака и фосфата и поддержание стабильной эффективности в сложных водных средах. Метод позволяет достичь исключительно низкого уровня питательных веществ, эффективно предотвращая цветение вредоносных водорослей.

Джун отметил масштабируемость процесса: успешные испытания проведены на объемах до 20 литров, а лаборатория переходит к масштабу в 200 литров.

«Это демонстрирует потенциал практического применения нашего фундаментального научного исследования, показывая жизнеспособный путь от лаборатории к повседневным технологиям. Эта новаторская работа представляет собой значительный прогресс в экологической инженерии, превращая проблему отходов в ценный ресурс и являясь примером устойчивого развития в действии», — заключил Джун.