Urine, qui contient l'essentiel de l'azote excrété par l'homme, peuvent être isolés à la source via des urinoirs secs et des toilettes à dérivation d'urine. Par MD isotherme, l'ammoniac volatil contenu dans l'urine hydrolysée traverse une membrane microporeuse hydrophobe où il est récupéré sous forme d'engrais ammoniacal dans le flux collecteur acide. L'urine restante peut ensuite être rejetée à l'égout. Crédit :Ngai Yin Yip et Chanhee Boo/Columbia Engineering
L'ammoniac est un élément clé des engrais et vital pour soutenir la croissance des plantes et, en fin de compte, fournir de la nourriture aux populations du monde entier. C'est aussi un polluant majeur qui, après son utilisation dans la chaîne alimentaire, pénètre dans les usines de traitement des eaux usées municipales où il est souvent insuffisamment éliminé. Il est ensuite rejeté dans l'environnement où il pollue les milieux aquatiques et endommage les écosystèmes, déclencher des proliférations d'algues destructrices, zones mortes, et les poissons tuent.
La capture de l'ammoniac est désormais un enjeu crucial pour le 21e siècle, d'autant plus que les populations urbaines devraient augmenter considérablement, avec une croissance urbaine projetée de 2,5 milliards de personnes d'ici 2050. Dans le même temps, fournir un assainissement amélioré aux 2,3 milliards de personnes actuellement non desservies dans le monde nécessitera l'installation de nouvelles toilettes, installations d'assainissement, et infrastructures d'assainissement, mettant encore plus de pression sur l'environnement.
À ce jour, l'essentiel du captage de l'ammoniac se fait par 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 annuelle d'énergie dans le monde. Une équipe Columbia Engineering, dirigé par Ngai Yin Yip, professeur assistant en génie de la terre et de l'environnement, rapporte aujourd'hui qu'ils ont 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 le procédé Haber-Bosch. En outre, car la technique recycle l'ammoniac en boucle fermée, l'ammoniac peut être récupéré pour être réutilisé dans l'engrais, nettoyants ménagers, et d'autres produits industriels. Les résultats sont publiés aujourd'hui par ACS Chimie et Ingénierie Durables .
La gestion de l'azote, un nutriment essentiel à la vie, a été reconnu 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, voulait inventer un meilleur, façon plus écologique de produire de l'azote, dont l'ammoniac est une forme biodisponible.
Économies d'azote linéaires (flèches rouges) et circulaires (flèches bleues). Dans l'économie linéaire de l'azote, N est fixé à partir de l'atmosphère par le procédé énergivore Haber-Bosch, utilisé comme engrais pour la production alimentaire, puis rejeté comme déchet. Souvent, N n'est pas suffisamment éliminé lors du traitement des eaux usées, entraînant une charge d'azote dans les eaux de surface et côtières, déclenchant des proliférations d'algues nuisibles et des zones mortes. Une approche plus prospective consiste à capturer l'azote des flux de déchets et à réintroduire l'azote dans la chaîne alimentaire afin de contourner le besoin de fixation de l'azote à forte intensité énergétique tout en empêchant la pollution des environnements aquatiques en aval. Crédit :Ngai Yin Yip et Xi Chen/Columbia Engineering
"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 actuelle non durable de production coûteuse, utilisation, puis rejeter les polluants dans l'environnement, " Ouaip dit.
L'équipe de Yip possède une expertise en distillation membranaire, une technique qui entraîne la perméation des espèces volatiles, dans ce cas, 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 membranaire isotherme avec collecteur d'acide, " ou IMD-AC, qui utilise de la chaleur à basse température, et l'a appliqué pour séparer et capturer sélectivement l'ammoniac du flux de déchets d'urine riche en ammoniac (simulé pour ce projet).
"Parce que notre processus est entraîné par des températures modérées aussi basses que 20-60 degrés Celsius, l'énergie peut être fournie par de la chaleur résiduelle bon marché ou même gratuite, par exemple, eau de tour de refroidissement, eau du bain, ou capteurs solaires thermiques, " Ouaip dit.
Les prochaines étapes pour l'équipe comprennent l'exploration de moyens de récupérer le phosphore, un autre ingrédient clé de l'engrais, durablement et à moindre coût à partir de l'urine.
"Maintenant que nous avons démontré la récupération durable de l'azote de l'urine, " Yip ajoute, « nous pensons que la population croissante et les tendances en matière d'assainissement présentent des opportunités idéales pour l'introduction d'installations de dérivation d'urine décentralisées pour la récupération des nutriments, sans rénovations ou révisions coûteuses du système existant, faire évoluer la gestion des eaux usées vers un paradigme plus durable et plus efficace. »
