用特殊电极处理粪便有望成为生产肥料和其他化学物质的有效方法

由威斯康星大学麦迪逊分校科学家领导的跨学科团队开发了一种新技术，可以帮助农民从牲畜粪便中提取氨和钾等有用的营养物质，以有效地制造肥料和其他有用的化学产品。尽管这一战略仍需在概念验证阶段之后扩大规模，但该组织的初步分析显示，它可以减少水和空气污染，同时创造农民可以使用或销售的产品，从而带来可观的好处。

粪便发臭的部分原因是它含有氨，氨是300多种化合物中的一种。这种刺激性气体不仅是有害的空气污染物，还会转化为温室气体一氧化二氮和水污染硝酸盐。

氨也是现代农作物生产所需的许多氮肥的基础。哈伯-博世法是制造氮肥氨的工业方法，每年消耗大量能源并排放数亿吨温室气体。

尽管粪肥本身可以用作肥料，但这样做可能成本高昂，在物流上具有挑战性，并且对环境不利。因此，世界各地的研究人员正在寻找从粪便中有效回收氨的策略，创造更浓缩、更有价值的肥料，更环保、运输成本更低。

这些战略包括电力驱动的化学过程，由于太阳能和风力发电的增长，电力在许多农村社区变得越来越便宜。然而，大多数开发中的电化学技术还不实用，主要是因为它们消耗大量能源，并且在从粪便中提取溶解的氨(以铵离子的形式)方面不够有效。

这项新技术在12月8日发表在该杂志上的一篇论文中进行了描述自然可持续性依赖于一种特殊设计的电极，像用于电池的电极一样，以铵离子为目标。

该技术包括一个镍基电极，直接放入粪肥废水中。随着粪肥中的有机物被电极自然氧化，废水中的铵离子和钾离子被选择性地驱入电极并被电极捕获。

这一战略并不仅仅是去除废水中的营养物质。

在一个可能有助于使该过程更具吸引力的创新步骤中，载有营养物的电极被放入一个使用电力释放回收的铵和钾离子的设备中，这些离子可用于制造氮和钾基肥料，同时生产其他有用的化学产品。这些可能包括氢燃料或过氧化氢，通常用于消毒。

“我们很幸运，因为大自然为我们做了很多工作，”UW大学化学教授晋松说。他与博士生和土木与环境工程教授秦墨涵一起领导了这项研究。

“粪便中含有所有这些物质，我们不必做太多额外的工作，”金说。“电池材料进入，当有机材料氧化时，氨被吸出。“

使用少量粪肥的试验在第一次通过时回收了一半以上的氨，两次循环后的回收率约为85%。

同时生产化肥和其他化学产品的能力是该团队认为其战略可能成功的关键因素。尼尔森环境研究所教授丽贝卡·拉森领导的一项环境分析表明，一个拥有1000头奶牛的牧场通过部署该系统可以减少50%以上的氨排放，同时还可以显著减少进入附近水域的硝酸盐含量。

与此同时，麻省理工学院(Massachusetts Institute of Technology)的合作者菲基尔·布鲁塞特(Fikile Brushett)教授领导的一项初步技术经济分析显示，只要电价不过高，使用该系统的示范奶牛场预计收入将高于运营成本。

接下来的步骤包括进一步改进材料和工艺，扩大系统规模，并研究其如何在更接近现实世界的牲畜运营水平上发挥作用。根据初步分析，Jin乐观地认为，在这些较大规模上，该系统的收益将继续超过潜在成本。

“看起来确实很有希望，”秦说。“有一条途径可以看到这在现实世界中可能真的有所帮助。”

这项研究得到了美国国家科学基金会(NSF，CBET- 2219089)的资助。威斯康辛校友研究基金会(WARF)也申请了这项技术的临时专利。

来源: Materials provided by University of Wisconsin-Madison. Original written by Will Cushman.
注明: Content may be edited for style and length. Journal Reference: Rui Wang, Kai Yang, Cindy Wong, Horacio Aguirre-Villegas, Rebecca Larson, Fikile Brushett, Mohan Qin, Song Jin. Electrochemical ammonia recovery and co-production of chemicals from manure wastewater. Nature Sustainability, 2023; DOI: 10.1038/s41893-023-01252-z