Nieuwe nanotechnologie verandert waterafval in meststoffen

Overmatige voedingsstoffen in afvalwater kunnen leiden tot schadelijke lozingen in natuurlijke waterlichamen, waardoor schadelijke algenbloei wordt aangevoerd met ernstige milieu- en economische gevolgen. Om dit dringende probleem aan te pakken, heeft een team van ingenieurs van de McKelvey School of Engineering aan de Washington University in St. Louis een innovatieve oplossing ontwikkeld. Hun nieuwe samengestelde nanotechnologie verwijdert en herstelt voedingsstoffen uit afvalwater, waardoor ze vervolgens worden opgevoerd als landbouwmeststoffen of als bioraffinage -grondstoffen, terwijl tegelijkertijd het optreden van schadelijke algenbloei wordt verzacht.

Young-Shin Jun, een professor in energie, milieu- en chemische engineering, en Minkyoung Jung, een doctoraatsstudent in haar lab, creëerden nieuwe mineraal-hydrogelcomposieten die ammonium en fosfaat uit afvalwater kunnen verwijderen en herstellen. Deze composieten zijn ingebed met nanoschaal struvite en calciumfosfaat minerale zaden, die de ammoniak- en fosfaatconcentraties in afvalwater aanzienlijk verminderen met respectievelijk maximaal 60% en 91%. Deze reductie beperkt algengroei en de bijbehorende toxines.

Een rapport van 2000 van de Amerikaanse National Oceanic and Atmospheric Administration schatte de jaarlijkse economische verliezen uit schadelijke algenbloei in Amerikaanse kustwateren tussen $ 33,9 miljoen en $ 81,6 miljoen, wat de potentiële impact van de technologie onderstreept.

Resultaten van het onderzoek werden gepubliceerd in een speciale uitgave van Milieuwetenschap en technologie.

Net als de vochtabsorberende gel in de kern van wegwerp luiers, kan deze hydrogel overslachten en overtollige voedingsstoffen hergebruiken. Voor hun duurzame oplossing gebruikte het team van Jun de natuur zowel als een model als als begunstigde van de methode.

“We hebben deze hydrogelcomposieten ontworpen om ammoniak en fosfaat te herstellen, essentiële voedingsstoffen waarvan de overstroom algenbloei veroorzaakt,” zei Jun. “Ammoniak-synthese is energie-intensief en fosforbronnen nemen af. Met onze minerale-hydrogelcomposieten kunnen we deze voedingsstoffen uit afvalwater oogsten en deze hergebruiken als meststoffen en grondstof voor biorefinies.”

Het proces maakt gebruik van nucleatie van nanodeeltjes – de eerste stap bij het vormen van een vaste fase in een waterig systeem, vergelijkbaar met suikerkristallen die zich vormen op een snaar om rots snoep te maken. Om dat proces te vergemakkelijken, plantte het team van Jun ultra-kleine minerale zaden in de hydrogel die zijn gemaakt uit calciumfosfaat en struviet, een mineraal bestaande uit magnesium, ammonium en fosfaat dat bindt met calcium en andere kationen en ionen. De ammoniak en fosfaat binden zich aan de zaden en bulk de hydrogel op. Tijdens het proces namen de gemiddelde deeltjesgroottes van de hydrogel toe van 6,12 nanometer tot 14,8 nanometer.

Hun aanpak gaat voor drie belangrijke uitdagingen van conventionele verwijdering van voedingsstoffen: inefficiënte verzameling in traditionele methoden; het afnemen van de verwijdering van zowel ammoniak als fosfaat; en het handhaven van de consistente verwijderingsefficiëntie in complexe wateromstandigheden. Deze methode bereikt uitzonderlijk lage voedingsniveaus, waardoor schadelijke algenbloei effectief wordt voorkomen.

Jun benadrukte de schaalbaarheid van het proces, met succesvolle proeven uitgevoerd op maximaal 20 liter vloeistof. Het lab schaalt nu tot 200 liter.

“Dit toont het praktische toepassingspotentieel van ons fundamentele wetenschappelijk onderzoek, met een levensvatbaar pad van het laboratorium naar de dagelijkse technologie,” zei Jun. “Dit baanbrekende werk is een belangrijke vooruitgang in milieutechniek, waardoor een afvalprobleem een ​​waardevolle bron wordt en duurzaamheid in actie een voorbeeld is.”