Лаборатория Янг-Шин Джуна разработала новую композитную нанотехнологию, которая удаляет и восстанавливает питательные вещества из сточных вод, а затем перерабатывает их в качестве сельскохозяйственных удобрений или сырья для биоперерабатывающих предприятий, одновременно снижая вероятность цветения водорослей. Фото: Янг-Шин Джун
Избыток питательных веществ в сточных водах может привести к их вредному воздействию на природные водоёмы, вызывая цветение водорослей, которое имеет серьёзные экологические и экономические последствия. Чтобы решить эту насущную проблему, группа инженеров из Инженерной школы Маккелви при Вашингтонском университете в Сент-Луисе разработала инновационное решение. Их новая композитная нанотехнология удаляет и восстанавливает питательные вещества из сточных вод, а затем использует их в качестве сельскохозяйственных удобрений или сырья для биопереработки, одновременно снижая вероятность цветения водорослей.
Ён Шин Джун, профессор в области энергетики, экологии и химической инженерии, и Мингён Чон, докторант в её лаборатории, создали новые минерально-гидрогелевые композиты, которые могут удалять и восстанавливать аммоний и фосфаты из сточных вод. Эти композиты содержат наноразмерные струвитные и кальциево-фосфатные минеральные зёрна, которые значительно снижают концентрацию аммиака и фосфатов в сточных водах на 60% и 91% соответственно. Такое снижение препятствует росту водорослей и образованию связанных с ними токсинов.
Согласно отчёту Национального управления океанических и атмосферных исследований США за 2000 год, ежегодные экономические потери от цветения вредных водорослей в прибрежных водах США оцениваются в сумму от 33,9 до 81,6 миллиона долларов, что подчёркивает потенциальное влияние этой технологии.
Результаты исследования были опубликованы в специальном выпуске журнала «Наука об окружающей среде и технологии».
Подобно влагопоглощающему гелю в основе одноразовых подгузников, этот гидрогель может впитывать и повторно использовать избыток питательных веществ. Для создания экологичного решения команда Джуна использовала природу как в качестве модели, так и в качестве источника вдохновения.
«Мы разработали эти гидрогелевые композиты для извлечения аммиака и фосфатов — необходимых питательных веществ, избыток которых приводит к цветению водорослей, — сказал Джун. — Синтез аммиака энергозатратен, а запасы фосфора истощаются. Наши минерально-гидрогелевые композиты позволяют извлекать эти питательные вещества из сточных вод и использовать их в качестве удобрений и сырья для биоперерабатывающих предприятий».
В процессе используется нуклеация наночастиц — начальный этап формирования твёрдой фазы в водной системе, аналогичный образованию кристаллов сахара на нитке для приготовления леденцов. Чтобы облегчить этот процесс, команда Джуна поместила в гидрогель ультрамалые минеральные зёрна, созданные из фосфата кальция и струвита — минерала, состоящего из магния, аммония и фосфата, которые связываются с кальцием и другими катионами и ионами. Аммиак и фосфат связываются с зёрнами и увеличивают объём гидрогеля. В ходе процесса средний размер частиц гидрогеля увеличился с 6,12 нанометра до 14,8 нанометра.
Их подход решает три основные проблемы, связанные с традиционным удалением питательных веществ: неэффективный сбор при использовании традиционных методов; сбалансированное удаление аммиака и фосфатов; поддержание стабильной эффективности удаления в сложных условиях. Этот метод позволяет добиться исключительно низкого уровня питательных веществ, эффективно предотвращая вредоносное цветение водорослей.
Джун подчеркнул масштабируемость процесса: были успешно проведены испытания с использованием до 20 литров жидкости. Сейчас лаборатория работает с 200 литрами.
«Это демонстрирует потенциал практического применения наших фундаментальных научных исследований, показывая реальный путь от лаборатории к повседневным технологиям», — сказал Джун. «Эта новаторская работа представляет собой значительный прогресс в экологической инженерии, превращая проблему отходов в ценный ресурс и демонстрируя устойчивое развитие в действии.»