Ein interdisziplinäres Team unter der Leitung von Wissenschaftlern der University of Wisconsin-Madison hat eine neue Technik entwickelt, die Landwirten dabei helfen könnte, nützliche Nährstoffe wie Ammoniak und Kalium aus Viehmist zu extrahieren, um effizient Düngemittel und andere nützliche chemische Produkte herzustellen.
Die Strategie muss zwar noch über das Proof-of-Concept-Stadium hinaus ausgeweitet werden, doch die vorläufigen Analysen der Gruppe zeigen, dass sie erhebliche Vorteile bieten könnte, indem sie die Wasser- und Luftverschmutzung verringert und gleichzeitig Produkte schafft, die Landwirte verwenden oder verkaufen können.
Mist stinkt zum Teil, weil er Ammoniak enthält, eine der mehr als 300 Verbindungen, die zu seinem Geruch beitragen. Das stechende Gas ist nicht nur ein schädlicher Luftschadstoff, sondern kann sich auch in das Treibhausgas Lachgas und wassergefährdendes Nitrat verwandeln.
Ammoniak ist auch die Grundlage vieler Stickstoffdünger, die den modernen Pflanzenbau vorantreiben. Das industrielle Verfahren zur Herstellung von Ammoniak für stickstoffbasierte Düngemittel, das Haber-Bosch-Verfahren, verbraucht viel Energie und stößt jedes Jahr Hunderte Millionen Tonnen Treibhausgase aus.
Obwohl Gülle selbst als Dünger verwendet werden kann, kann dies kostspielig und logistisch anspruchsvoll sein und hat Nachteile für die Umwelt. Daher suchen Forscher auf der ganzen Welt nach Strategien zur effizienten Rückgewinnung von Ammoniak aus Gülle, um konzentriertere und wertvollere Düngemittel herzustellen, die umweltfreundlicher und kostengünstiger zu transportieren sind.
Zu diesen Strategien gehören chemische Prozesse, die durch Strom angetrieben werden, der in vielen ländlichen Gemeinden dank der zunehmenden Solar- und Windenergieerzeugung immer kostengünstiger wird. Allerdings sind die meisten in der Entwicklung befindlichen elektrochemischen Techniken noch nicht praxistauglich, vor allem weil sie viel Energie verbrauchen und nicht effizient genug sind, um gelöstes Ammoniak (in Form von Ammoniumionen) aus der Gülle zu ziehen.
Diese neue Technik wurde in einem Artikel vom 8. Dezember beschrieben Papier veröffentlicht im Tagebuch Nachhaltigkeit in der Naturbasiert auf einer speziell entwickelten Elektrode, wie sie für Batterien verwendet wird und auf Ammoniumionen abzielt.
Bei dieser Technik wird eine Elektrode auf Nickelbasis direkt in das Gülleabwasser eingebracht. Da organisches Material im Mist auf natürliche Weise durch die Elektrode oxidiert wird, werden die Ammonium- und Kaliumionen im Abwasser selektiv in die Elektrode getrieben und von dieser eingefangen.
Die Strategie endet nicht damit, einfach nur die Nährstoffe aus dem Abwasser zu entfernen.
In einem innovativen Schritt, der dazu beitragen könnte, den Prozess noch attraktiver zu machen, wird die mit Nährstoffen beladene Elektrode dann in ein Gerät eingesetzt, das mithilfe von Elektrizität die zurückgewonnenen Ammonium- und Kaliumionen freisetzt, die dann zur Herstellung von Düngemitteln auf Stickstoff- und Kaliumbasis verwendet werden können und gleichzeitig andere nützliche chemische Produkte produzieren. Dazu können Wasserstoffbrennstoff oder Wasserstoffperoxid gehören, die üblicherweise zur Desinfektion verwendet werden.
„Wir hatten Glück, weil die Natur einen Großteil der Arbeit für uns erledigt“, sagt Song Jin, Chemieprofessor an der UW-Madison, der die Arbeit zusammen mit dem Doktoranden Rui Wang und dem Professor für Bau- und Umweltingenieurwesen Mohan Qin leitete.
„Der Mist enthält all das Zeug und wir müssen nicht allzu viel zusätzliche Arbeit leisten“, sagt Jin. „Das Batteriematerial dringt ein und Ammoniak wird abgesaugt, wenn das organische Material oxidiert.“
Bei Versuchsläufen mit kleinen Güllemengen wurde im ersten Durchgang mehr als die Hälfte des Ammoniaks zurückgewonnen, mit einer Rückgewinnung von etwa 85 % nach zwei Zyklen.
Die Fähigkeit, Düngemittel und andere chemische Produkte gemeinsam herzustellen, ist ein wesentlicher Grund dafür, warum das Team davon überzeugt ist, dass seine Strategie ein Erfolg sein könnte. Eine von Rebecca Larson, Professorin am Nelson Institute for Environmental Studies, durchgeführte Umweltanalyse zeigt, dass ein Milchviehbetrieb mit 1.000 Tieren seine Ammoniakemissionen durch den Einsatz des Systems um mehr als 50 % reduzieren und gleichzeitig die Nitratmenge deutlich reduzieren könnte Eindringen in nahegelegene Gewässer.
Unterdessen zeigt eine vorläufige technische Wirtschaftsanalyse unter der Leitung von Professor Fikile Brushett, einem Mitarbeiter am Massachusetts Institute of Technology, dass ein Modell-Milchviehbetrieb, der das System nutzt, damit rechnen kann, dass die daraus resultierenden Einnahmen höher sind als die Betriebskosten, solange die Strompreise nicht exorbitant sind .
Zu den nächsten Schritten gehören die weitere Verbesserung der Materialien und Prozesse, die Skalierung des Systems und die Untersuchung, wie es auf einer Ebene funktioniert, die einem realen Viehzuchtbetrieb ähnlicher ist. Nach ersten Analysen ist Jin optimistisch, dass die Vorteile des Systems auch in diesen größeren Maßstäben die potenziellen Kosten überwiegen werden.
„Es sieht tatsächlich vielversprechend aus“, sagt Qin. „Es gibt einen Weg, um herauszufinden, wie dies in der realen Welt wirklich helfen könnte.“
Mehr Informationen:
Rui Wang et al., Elektrochemische Ammoniakrückgewinnung und Koproduktion von Chemikalien aus Gülleabwasser, Nachhaltigkeit in der Natur (2023). DOI: 10.1038/s41893-023-01252-z