إنتاج الأمونيا من مياه الصرف الصحي

تفاعل كهروكيميائي يعمل بالطاقة الشمسية

ابتكر مهندسون في جامعة إلينوي في شيكاغو تفاعلاً كهروكيميائياً يعمل بالطاقة الشمسية، يستخدم مياه الصرف الصحي لتصنيع الأمونيا - ثاني أكثر المواد الكيميائية إنتاجاً في العالم - ويحقق كفاءة تحويل الطاقة الشمسية إلى وقود أفضل بعشر مرات من أي تقنية أخرى مماثلة، وتم نشر النتائج التي توصلوا إليها في العدد الأخير من مجلة «إنيرجي إينفيرومينتال ساينس»، وهي مجلة رائدة للأبحاث التي تركز على تقنيات توصيل الطاقة وحماية البيئة.
يقول مينش سينغ، أستاذ مساعد في الهندسة الكيميائية بكلية الهندسة في جامعة كاليفورنيا، والباحث الرئيسي بالدراسة في تقرير نشره الموقع الإلكتروني للجامعة في 8 سبتمبر (أيلول) الماضي «تتمتع هذه التكنولوجيا وطريقتنا بإمكانات كبيرة للسماح بإنتاج الأسمدة عند الطلب، ويمكن أن يكون لها تأثير هائل على قطاعي الزراعة والطاقة في البلدان المتقدمة والنامية، وعلى الجهود المبذولة للحد من غازات الاحتباس الحراري من الوقود الأحفوري».
والأمونيا، وهي مزيج من ذرّة نتروجين واحدة وثلاث ذرّات هيدروجين، هي مركب رئيسي للأسمدة والعديد من المنتجات المصنعة، مثل البلاستيك والمستحضرات الصيدلانية، وتتطلب الطرق الحالية لإنتاج الأمونيا من النيتروجين كميات هائلة من الحرارة، الناتجة من حرق الوقود الأحفوري، لكسر الروابط القوية بين ذرات النتروجين حتى تتمكن من الارتباط بالهيدروجين، وتنتج هذه العملية التي مضى عليها قرن من الزمان جزءاً كبيراً من انبعاثات غازات الدفيئة العالمية، والتي تعد قوة دافعة لتغير المناخ.
وفي السابق، طوّر سينغ وزملاؤه طريقة صديقة للبيئة لصنع الأمونيا عن طريق تصفية غاز النتروجين النقي من خلال شاشة شبكية مشحونة كهربائياً ومغطاة بالمحفز في محلول قائم على الماء.
واستخدم هذا التفاعل كمية ضئيلة فقط من طاقة الوقود الأحفوري لكهربة الشاشة، والتي تكسر ذرات النتروجين، لكنها أنتجت غاز الهيدروجين (80 في المائة) أكثر من الأمونيا (20 في المائة).
وخلال الدراسة الجديدة، قام الباحثون بتحسين هذا المفهوم وطوّروا طريقة جديدة تستخدم النترات، أحد أكثر ملوثات المياه الجوفية شيوعاً، كمصدر للنتروجين، وأشعة الشمس كمصدر لكهرباء التفاعل، وينتج النظام ما يقرب من 100 في المائة من الأمونيا مع ما يقرب من صفر تفاعلات جانبية لغاز الهيدروجين.
ولا يحتاج التفاعل إلى وقود أحفوري ولا ينتج منه ثاني أكسيد الكربون أو غازات الاحتباس الحراري الأخرى، كما ينتج من استخدامه للطاقة الشمسية كفاءة غير مسبوقة في تحويل الطاقة الشمسية إلى وقود، بنسبة 11 في المائة، وهو أفضل 10 مرات من أي حالة أخرى.
وتعتمد الطريقة الجديدة على محفز الكوبالت، ولتحديد المحفز، طبّق الباحثون أولاً النظرية الحسابية للتنبؤ بالمعدن الذي سيعمل بشكل أفضل، وبعد تحديد الكوبالت من خلال هذه النماذج، أجرى الفريق تجارب على المعدن، وجرّبوا طرقاً مختلفة لتحسين نشاطه في التفاعل. ووجد الباحثون، أن سطح الكوبالت الخشن المشتق من الأكسدة يعمل بشكل أفضل لخلق تفاعل انتقائي؛ مما يعني أنه حول جميع جزيئات النترات تقريباً إلى أمونيا.
يقول سينغ «إن العثور على محفز نشط وانتقائي ومستقر يعمل في نظام يعمل بالطاقة الشمسية هو دليل قوي على أن التوليف المستدام للأمونيا على نطاق صناعي ممكن».
ولا يقتصر الأمر على كون التفاعل نفسه محايداً للكربون، وهو أمر مفيد للبيئة، ولكن إذا تم تطوير النظام للاستخدام الصناعي، فقد يكون له أيضاً تأثير أكثر إيجابية على البيئة.
ويضيف «استخدام نترات المياه العادمة يعني أنه يتعين علينا أيضاً إزالة الملوثات من المياه السطحية والجوفية، وبمرور الوقت، فإن هذه العملية قد تساعد في تصحيح النفايات الصناعية ومياه الجريان السطحي وإعادة توازن دورة النتروجين، لا سيما في المناطق الريفية التي تواجه عيوباً اقتصادية أو تتحمل أكبر خطر من التعرض العالي للنترات الزائدة».
ويرتبط التعرض العالي للنترات من خلال مياه الشرب بحالات صحية، مثل السرطان وأمراض الغدة الدرقية والولادة المبكرة وانخفاض الوزن عند الولادة. يقول سينغ، الذي يتعاون بالفعل مع الشركات البلدية: «نحن جميعاً سعداء جداً بهذا الإنجاز، ونأمل أن يكون لدينا قريباً نموذج أولي أكبر يمكننا من خلاله اختبار نطاق أكبر بكثير».