新型纳米技术将废水转化为肥料

废水中过量的营养物质会导致有害排放到自然水体中，引发有害的藻华，对环境和经济造成严重影响。为了解决这一紧迫问题，圣路易斯华盛顿大学McKelvey工程学院的一个工程师团队开发了一种创新的解决方案。他们的新型复合纳米技术可以从废水中去除和回收营养物质，随后将其作为农业肥料或生物精炼原料进行升级回收，同时减少有害藻华的发生。

能源、环境和化学工程教授Young Shin Jun和她的实验室的博士生Minkyoung Jung创造了新型矿物水凝胶复合材料，可以从废水中去除和回收铵和磷酸盐。这些复合材料中嵌入了纳米级鸟粪石和磷酸钙矿物种子，它们分别将废水中的氨和磷酸盐浓度显著降低了60%和91%。这种减少抑制了藻类的生长和相关的毒素。

美国国家海洋和大气管理局2000年的一份报告估计，美国沿海水域有害藻华造成的年度经济损失在3390万至8160万美元之间，强调了该技术的潜在影响。

研究结果发表在《环境科学与技术》特刊上。

就像一次性尿布核心的吸湿凝胶一样，这种水凝胶可以吸收和重新利用多余的营养。对于他们的可持续解决方案，Jun的团队将自然作为其方法的模型和受益者。Jun说：“我们设计了这些水凝胶复合材料来回收氨和磷酸盐，这是一种必需的营养物质，过量会导致藻类水华。”。“氨合成是能源密集型的，磷资源正在减少。我们的矿物水凝胶复合材料使我们能够从废水中收集这些营养物质，并将其重新用作生物精炼厂的肥料和原料。”

该过程使用纳米粒子成核——在水性系统中形成固相的第一步，类似于在绳子上形成糖晶体以制造冰糖。为了促进这一过程，Jun的团队在水凝胶中种植了由磷酸钙和鸟粪石制成的超小矿物种子，鸟粪石是一种由镁、铵和磷酸盐组成的矿物，与钙和其他阳离子和离子结合。氨和磷酸盐与种子结合，使水凝胶膨胀。在此过程中，水凝胶的平均粒径从6.12纳米增加到14.8纳米。

他们的方法解决了传统营养物去除的三个重大挑战：传统方法的低效收集；平衡氨和磷酸盐的去除；并在复杂的水条件下保持一致的去除效率。这种方法实现了极低的营养水平，有效地防止了有害的藻华。

Jun强调了该过程的可扩展性，在多达20升的流体上进行了成功的试验。实验室现在正在扩大到200升。Jun说：“这展示了我们基础科学研究的实际应用潜力，展示了从实验室到日常技术的可行路径。”。“这项开创性的工作代表了环境工程的重大进步，将废物问题转化为宝贵的资源，并在行动中体现了可持续性。”