Mike Williams, Rice University – Příměs atomů ruthenia na síti měděných nanodrátků by mohla být jedním z kroků k revoluci v celosvětovém čpavkovém průmyslu, která by zároveň pomohla životnímu prostředí. Spolupracovníci z George R. Brown School of Engineering na Riceově univerzitě, Arizonské státní univerzity a Pacific Northwest National Laboratory vyvinuli vysoce účinný katalyzátor, který dokáže s téměř 100% účinností vytáhnout amoniak – tedy hnojivo – z odpadních a znečištěných podzemních vod i s nízkou hladinou dusičnanů.
Studie vedená chemickým a biomolekulárním inženýrem Haotianem Wangem ukazuje proces přeměňy rozpuštěných dusičnanů o koncentraci 2000 ppm (částic na milion) na amoniak, po kterém následuje účinný proces stripování plynu pro sběr amoniakálních produktů. Zbývající obsah dusíku po těchto úpravách lze snížit na úroveň „pitné vody“ podle definice Světové zdravotnické organizace.
„Splnili jsme kompletní proces denitrifikace vody,“ uvedl postgraduální student Feng-Yang Chen. „S dalšími úpravami vody na další kontaminanty můžeme potenciálně přeměnit průmyslové odpadní vody zpět na pitnou vodu.“ Chen je jedním ze tří hlavních autorů článku, který vyšel v časopise Nature Nanotechnology.
Studie ukazuje slibnou alternativu k účinným procesům pro průmysl, který je závislý na energeticky náročném procesu výroby více než 170 milionů tun čpavku ročně. Většina čpavku se vyrábí zahříváním zemního plynu nebo uhlí k získání vodíku, který potom reaguje s atmosférickým dusíkem. Jde o velmi energeticky náročný proces, který spotřebuje 2-3 % celkové světové spotřeby energie a ročně emituje více než jednu miliardu tun uhlíku. Hlavním přínosem procesu je snížení emisí oxidu uhličitého z tradiční průmyslové výroby čpavku. Ty nejsou zanedbatelné a činí 1,4 % světových ročních emisí, poznamenali vědci.
Vědci věděli z předchozích studií, že atomy ruthenia jsou mistry v katalýze odpadních vod bohatých na dusičnany. Jejich zvrat spočíval v kombinaci s mědí, která potlačuje vyvíjení vodíku, což je běžný způsob výroby vodíku z vody, který je v tomto případě nežádoucím vedlejším účinkem.
„Věděli jsme, že ruthenium je dobrým kandidátem na kov pro redukci dusičnanů, ale také jsme věděli, že je tu velký problém, že může snadno dojít ke konkurenční reakci, při které se uvolňuje vodík,“ řekl Chen. „Když bychom použili proud, spousta elektronů by prostě přešla na vodík, a ne na produkt, který chceme.“
„Vypůjčili jsme si koncept z jiných oborů, například z redukce oxidu uhličitého, kde se k potlačení vývoje vodíku používá měď,“ dodal Wang. „Pak jsme museli najít způsob, jak organicky spojit ruthenium a měď. Ukázalo se, že nejlépe funguje rozptýlení jednotlivých atomů ruthenia do měděné matrice.“
Podle spoluautora Christophera Muhiche, odborného asistenta chemického inženýrství na Arizonské státní univerzitě, tým použil výpočty teorie funkční hustoty, aby vysvětlil, proč atomy ruthenia usnadňují překonání chemické cesty, která spojuje dusičnany a amoniak.
„Když je v cestě pouze ruthenium, voda se mu staví do cesty,“ řekl Muhich. „Když je tam jen měď, není tam dost vody, která by poskytla atomy vodíku. Ale na místech s jediným rutheniem voda tolik nekonkuruje a poskytuje právě tolik vodíku, aniž by zabírala místa pro reakci dusičnanů.“
Proces funguje při pokojové teplotě a okolním tlaku a při proudu, který výzkumníci označili za „průmyslově relevantní“, tedy 1 ampér na centimetr čtvereční, což je množství elektřiny potřebné k dosažení maximální rychlosti katalýzy. To by mělo umožnit snadné rozšíření, řekl Chen.
„Myslím, že to má velký potenciál, ale byl ignorován, protože v předchozích studiích bylo těžké dosáhnout tak dobré proudové hustoty a zároveň zachovat dobrou selektivitu produktu, zejména při nízkých koncentracích dusičnanů,“ řekl. „Nyní jsme však právě toto prokázali. Jsem přesvědčen, že budeme mít příležitosti prosadit tento proces pro průmyslové aplikace, zejména proto, že nevyžaduje velkou infrastrukturu.“
„I když jsme pochopili, že přeměna dusičnanových odpadů na čpavek nemusí být schopna v krátkodobém horizontu plně nahradit stávající čpavkový průmysl, věříme, že tento proces by mohl významně přispět k decentralizované výrobě čpavku, zejména v místech s vysokým obsahem zdrojů dusičnanů,“ uvedl Wang.
Současně s novou studií Wangova laboratoř a laboratoř environmentálního inženýra Rice Pedra Alvareze, ředitele Centra pro úpravu vody pomocí nanotechnologií (Nanotechnology Enabled Water Treatment, NEWT), nedávno publikovaly v časopise Journal of Physical Chemistry C článek s podrobnými informacemi o použití nanočástic kobaltu a mědi na 3D papírovém substrátu z uhlíkových vláken jako účinného katalyzátoru pro syntézu amoniaku z redukce dusičnanů. Tento levný katalyzátor se rovněž ukázal jako velmi slibný pro denitrifikaci v odpadních vodách.
Více informací: (2022): Feng-Yang Chen et al, Efficient conversion of low-concentration nitrate sources into ammonia on a Ru-dispersed Cu nanowire electrocatalyst, Nature Nanotechnology. DOI: 10.1038/s41565-022-01121-4
Informace o časopise: Journal of Physical Chemistry C , Nature Nanotechnology
Lidská moč se stále více stává problémem životního prostředí
Doplňky stravy bohaté na bílkoviny jsou považovány za zdravé a produkty, které byly odpovídajícím způsobem obohaceny, jsou v módě. Strava s příliš vysokým obsahem bílkovin však vede k vylučování, které ohrožuje kvalitu vody a biodiverzitu. Možné jsou i vodní mrtvé zóny.
Příliš mnoho bílkovin způsobuje, že moč obsahuje hodně dusíku. Pokud je jí příliš mnoho, vylučovaná moč ohrožuje kvalitu vody a biodiverzitu. V nejhorším případě hrozí vodní mrtvé zóny. V USA a Evropě jsou hladiny dusíku tak vysoké, že konkurují hodnotám ze zemědělských hnojiv.
Bez bílkovin se neobejdete: Spolu s tuky a sacharidy tvoří hlavní živiny, které potřebujeme k životu. Jsou nezbytné, jak říkají odborníci. Ale příliš mnoho jí také není dobré – ani pro zdraví , ani pro životní prostředí, jak píší vědci z Kalifornské univerzity v Davisu v časopise „Frontiers in Ecology and the Environment“ .
„Ukazuje se, že mnozí z nás jí mnohem více bílkovin, než potřebujeme, a to má dopad na ekosystémy,“ uzavírá tým vedený environmentální vědkyní Mayou Almarazovou. Nezáleží na tom, zda protein pochází z živočišných nebo rostlinných zdrojů.
„Dusíková kaskáda“ s důsledky
Pokud člověk konzumuje příliš mnoho bílkovin, jeho tělo přebytek odbourává ve formě močoviny, která se vylučuje močí, obsahuje hodně dusíku a nakonec končí v odpadní vodě. Tam může dusík podle vědců spustit takzvanou „dusíkovou kaskádu“.
Scientificamerican.com vysvětluje, co to znamená : „Za určitých chemických podmínek a za přítomnosti určitých mikrobů může být močovina rozložena na oxidované dusíkové plyny.“ Tyto plyny se uvolňují do atmosféry, kde oxid dusný (N2O) přispívá ke globálnímu oteplování a oxidy dusíku (NOx) způsobují kyselé deště. V ostatních případech se modrozelené řasy živily přímo močovinou. „Dusík jim pomáhá růst mnohem rychleji než normálně a důležité zásoby vody mohou být znehodnoceny produkovanými toxiny, které jsou škodlivé pro vodní živočichyn, rostliny i lidi.“
Vodní mrtvé zóny
Podle autora, i kdyby řasy odumřely, problém by se nevyřešil. Protože mikroorganismy, které se živí mrtvými řasami, spotřebovávají kyslík ve vodě, „což vede k „mrtvým zónám“ v řekách, jezerech a oceánech, ve kterých kromě mikrobů nemůže přežít téměř nic.“ Jinými slovy, přebytek dusíku spouští vývoj, který ohrožuje kvalitu vody a biologickou rozmanitost.
Množství dusíku pocházejícího z lidské moči je již v USA tak velké, že konkuruje znečištění ze zemědělských hnojiv, která stékají z polí, uvedl Almarazův tým. Na celém světě se ročně použije více než 100 milionů tun dusíku prostřednictvím hnojiv pro rostlinnou výrobu.
Přestože již dlouho existují technická řešení pro čištění odpadních vod, která dokážou snížit problém o 90 procent, kvůli vysokým nákladům se nepoužívají ani na jedno procento odpadních vod, píše Derstandard.at . Jiné metody eliminace řas, jako je postřik jílových částic nebo chemikálií na povrch květiny, nejsou vždy účinné při eliminaci veškerého škodlivého růstu. Některé z těchto metod mohou dokonce vést k dalšímu znečištění.
Podle Almaraze je nejlepší možností změnit jídelníček, to by ukázaly vaše výpočty. Pokud by se lidé ve Spojených státech řídili vědeckými doporučeními pro příjem bílkovin, krátkodobě by skončilo v povrchových vodách asi o 12 procent méně dusíku a do poloviny století o téměř 30 procent méně. Podle Patricie Glibert z University of Maryland, která se na studii nepodílela, není úplná změna nutná: stačilo by pouze omezit spotřebu masa a mléčných výrobků.
Pozn.
– Evropané denně vyprodukují v moči takové množství dusíkatého hnojiva, že průmyslová produkce čpavkových hnojiv může být vytěžena z odpadních, povrchových a podzemních vod, kam jsou odpadní vody vypouštěny a nebo jsou synteticky vyrobená hnojiva vyplavována z polí. V podstatě „stačí“ čpavek vytěžit z vody.