V 17. století se německý alchymista jménem Hennig Brandt snažil najít „kámen filozofa“, záhadným objektem, který by mohl proměnit jakýkoli obyčejný kov na zlato. Když si uvědomil zlatou barvu moči, věřil, že obsahoval malé částice vzácného kovu.
Značka poté shromáždila moč od sebe, své rodiny a pijáků piva ve své místní hospodě a začala ji destilovat v naději, že na konci najde zlato. Nebylo tam žádné zlato, bohužel, ale stříbrná podšívka byla, že Brandt objevil prvek fosfor.
Ve skutečnosti někteří volají moč „kapalné zlato“, protože to je nabitý prvky že rostliny touží. Odpadní produkt je plný fosforu, draslíku a dusíku ve formě močoviny, živin „velkých tří“, které podporují růst rostlin a tvoří páteř komerčních hnojiv.
Dva ptáci, jeden kámen
Nová elektrochemická technika zveřejněná v časopise Katalýza přírody Nyní navrhuje oddělit moč od moči ve své pevné formě prostřednictvím zelenějšího, méně energetického procesu. Tato metoda přeměňuje močovinu, sloučeninu bohatou na dusík v moči, na krystalický derivát peroxidu zvaný perkarbamid.
Zasáhne tak dva cíle najednou: umožňování zpracování moči v městských odpadních vodách a její transformace v užitečný zdroj.
Lidé získávají dusík z potravy, přeměňují jej na močovinu a vylučují jej močí. Protože močovina je bohatá na dusík, má potenciál být přirozeným hnojivem. Teoreticky by návratnost živin do půdy mohla dokončit cyklus dusíku, ale vědci v současné době postrádají účinné metody, jak extrahovat močovinu přímo z moči, a v tomto cyklu ponechat zásadní mezeru, uvedl Xinjian Shi, výzkumný pracovník na Henan University v Číně a první autor nové studie.
„Výzkum našeho týmu vyplňuje tuto mezeru.“
Pee-Cycling k uzavření smyčky
Dospělý produkuje kolem 450-680 litrů moči, výzkumný pracovník Björn Vinnerås odhadovaný v a Studie 2002. Látka je 95% voda, ale roční produkce také obsahuje přibližně 4 kg dusíku a 0,3 kg fosforu, což je dost pro pěstování pšenice pro jeden bochník chleba každý den po celý rok.
Pokud je to tak cenné, proč to spláchnout po toaletě? Odpověď je, že moč je složitý systém a mnoho z jejích složek, zejména soli, narušuje procesy, které mohou extrahovat močovinu samostatně z odpadních vod, řekl Shi. Studie týmu tvrdí, že tuto bariéru skočilo.
Močovina se skládá z dusíku, kyslíku a vodíku a je náchylná k vytváření vodíkových vazeb s jinými molekulami, včetně samotné močoviny. Když se tyto vazby tvoří, fyzikální a chemické vlastnosti sloučeniny mají tendenci se měnit. Tato tendence se ukázala jako měnič her v separačním procesu.
Například, když močovina tvoří vodíkové vazby s peroxidem vodíku, tvoří perkarbamid, bílou krystalickou pevnou pevnou látku, kterou lze vysrážet z moči s vysokou čistotou.
Percabadmide je známý svou schopností neustále uvolňovat aktivní kyslík, což z něj činí cenný kandidát na procesy, které potřebují dodávat kyslík pro jiné chemické reakce. Další klíčovou vlastností této látky je její schopnost urychlit zotavení moči z moči.
Pro využití této vlastnosti vědci vyvinuli elektrochemickou techniku in situ, která používá grafitické katalyzátory na bázi uhlíku k přeměně močoviny v moči na perkarbamid. Tým dosáhl téměř 100% čistoty a použil tento proces k účinnému extrakci perkarbamidu z lidské i zvířecí moči.
Zatímco výsledek byl slibný, skutečným zaměřením vědců bylo něco jiného.
Moment Eureka
Nejprve se vědci zaměřili na jeden problém: udržování stabilní peroxidu vodíku v kapalné formě při vyšší koncentraci. Začali zkoumat, zda by to mohlo být ztuhnuto přímo v roztoku kompatibilním materiálem. Urea vypadala jako slibná možnost – ale komerčně vyrobená močovina je poměrně drahá.
„Pak jsme si najednou pomysleli, kdybychom jej mohli použít v moči, dosáhne by to nejen původního cíle, ale také řešilo problémy léčby moči a cyklování dusíku.“ Nebylo by to oboustranně výhodné? “ Zeptal se Shi.
S tímto vhledem navrhli vědci aktivovaný grafitický uhlíkový katalyzátor. Grafit je měkký krystal vyrobený z atomů uhlíku. Aktivovaný grafitický uhlík je porézní forma grafitu následně modifikovaná tak, aby dále zvyšovala její povrchovou plochu, což je reaktivnější.
V tomto případě byl navržen tak, aby zlepšil dvě chemické reakce nebo cesty, které produkují pevný perkarbamid.
V cestě I reaguje močovina přímo s peroxidem vodíku v přítomnosti katalyzátoru, který usnadňuje interakce mezi oběma molekulami. V cestě II se močovina váže na meziprodukt hydroperoxylu (-*ooH), vysoce reaktivní a krátkodobé molekuly. Poté získá vodíkové ionty (H⁺) a vyvolává reakci na vytvoření perkarbamidu v přítomnosti katalyzátoru, který zvyšuje vodíkovou vazbu.
Aktivovaný grafitický uhlíkový katalyzátor byl vhodný pro obě cesty.
Odpad je zlatý?
Po několika kolech pokusu a omylů vědci zjistili, že mohou maximalizovat produkci perkarbamidu tím, že drží koncentraci močoviny mezi 15% a 38%. Zjistili také, že udržování teplot těsně nad zmrazením při mírně kyselém pH kolem 4 funguje nejlépe pro tento proces.
Podle vědců čistý perkarbamid extrahovaný z tohoto nového procesu kombinuje to nejlepší z obou světů: výhody močoviny bohaté na dusík a oxidační sílu peroxidu vodíku a odemknutí nových možností pro udržitelné aplikace.
„Když se pevný produkt shromažďuje a používá jako hnojivo, dusík se pomalu uvolňuje a zároveň podporuje dýchání kořenů a usnadňuje růst plodin,“ řekl Shi. „Tento proces plně řeší chybějící spojení v dusíkovém cyklu, který existuje v lidské společnosti.“
Tým také vyjádřil vzrušení z toho, že v budoucnu spojil rekordér a recyklaci zdrojů a recyklace s čištění odpadních vod. Věří, že tento inovativní přístup může změnit, jak přemýšlíme a používáme odpad.
Sanjukta Mondal je chemik-otočený-vědecký spisovatel se zkušenostmi při psaní populárních vědeckých článků a skriptů pro kanály STEM YouTube.
Publikováno – 12. března 2025 05:30
