Le problème du ruissellement des nitrates, une source de substances cancérigènes et une cause de prolifération d’algues suffocantes dans les voies navigables américaines, n’est peut-être pas tout à fait sombre et catastrophique. Une nouvelle étude menée par l’Université de l’Illinois à Urbana-Champaign démontre une approche pour la capture et la conversion intégrées des eaux contaminées par les nitrates en ammoniac précieux dans une seule cellule électrochimique.
L’étude, dirigée par le professeur d’ingénierie chimique et biomoléculaire Xiao Su, démontre un dispositif capable d’une concentration huit fois de nitrate, d’une augmentation de 24 fois du taux de production d’ammonium et d’une amélioration plus que décuplé de l’efficacité énergétique par rapport à la précédente conversion nitrate-ammoniac. méthodes d’électrocatalyse.
« En combinant séparation et réaction, nous avons surmonté les limitations existantes de la production d’ammoniac directement à partir des eaux souterraines, où les concentrations de nitrate sont très faibles, et rendons ainsi l’étape de conversion inefficace », a déclaré Su.
Les résultats sont publiés dans la revue Communication Nature.
« Le but de cette étude était d’utiliser le moins d’énergie possible pour éliminer le nitrate des eaux de ruissellement agricoles avant qu’il n’atteigne nos cours d’eau, et de le transformer en engrais ou de le vendre comme matière première chimique », a déclaré Su. « Notre technologie peut ainsi avoir un impact sur le traitement des déchets, la production chimique durable et la décarbonation avancée. Nous espérons apporter une plus grande circularité dans le cycle de l’azote. »
L’équipe a développé une électrode bifonctionnelle unique capable de séparer et de concentrer le nitrate d’un flux d’eau, tout en le convertissant en ammoniac dans une seule unité à l’aide d’un contrôle purement électrochimique. « L’électrode bifonctionnelle combine un adsorbant redox-polymère, qui capture le nitrate, avec des catalyseurs à base de cobalt qui conduisent la conversion électrocatalytique en ammonium », a déclaré Su.
Le système a été testé en laboratoire en utilisant les eaux de ruissellement agricoles collectées à partir des drains autour des terres agricoles de recherche de l’U. of I. pour évaluer le potentiel de la technologie dans des conditions réelles, ont déclaré les chercheurs.
« Il s’agit d’une plate-forme de capture et de conversion très efficace avec une faible empreinte », a déclaré Su. « Nous n’avons pas besoin de cellules électrochimiques séparées pour le traitement de l’eau et la production d’ammonium ou l’ajout de produits chimiques ou de solvants supplémentaires. Au lieu de cela, nous envisageons un module installé directement sur les terres agricoles et fonctionnant à l’aide de l’énergie générée par le processus électrocatalytique et d’un petit panneau solaire. »
L’équipe a déclaré que son prochain objectif est de développer des matériaux encore plus sélectifs utilisés dans l’appareil pour obtenir une meilleure élimination des nitrates et accélérer la conversion en ammoniac, tout en concevant des systèmes à plus grande échelle pour un déploiement pratique sur le terrain.
Kwiyong Kim est le premier auteur de l’étude, avec des contributions de Jaeyoung Hong et Jing Lian Ng, du groupe Su. Le travail a été réalisé en collaboration avec Tuan Anh Pham, du Lawrence Livermore National Laboratory, et Alexandra Zagalskaya et Vitaly Alexandrov, de l’Université du Nebraska.
Su est également affilié au Beckman Institute for Advanced Science and Technology et est également professeur de génie civil et environnemental à l’Illinois.
Plus d’information:
Kwiyong Kim et al, Couplage de la capture de nitrate avec la production d’ammoniac par des électrodes redox bifonctionnelles, Communication Nature (2023). DOI : 10.1038/s41467-023-36318-1