Come rimuovere l’ammoniaca dalla acque reflue in maniera efficiente
Recuperare ammoniaca dalle acque reflue trasformandola in fertilizzante grazie alla sola luce del sole: è il risultato di una nuova tecnologia sperimentata da un gruppo di ricercatori e pubblicata sulla rivista Nature Sustainability.
L’innovazione ruota attorno a una spugna galleggiante realizzata con un materiale chiamato MXene Ti₃C₂, arricchito con gruppi amminici (‒NH₂), che riesce a estrarre ammoniaca (NH₃) da soluzioni contenenti ioni ammonio (NH₄⁺). Il processo non richiede l’aggiunta di sostanze chimiche né energia elettrica, e permette di trattare i reflui e produrre fertilizzante azotato in un unico passaggio.
La tecnologia si basa sull’effetto fototermico: la spugna, esposta alla luce solare, genera calore localizzato che favorisce l’evaporazione dell’ammoniaca. Allo stesso tempo, i gruppi amminici incorporati nel materiale assorbono ioni H⁺, spostando l’equilibrio chimico verso la formazione di NH₃.
Il vapore d’ammoniaca viene poi condensato e raccolto in forma pura (99,8%), mentre il materiale è completamente rigenerabile. In fase di rigenerazione, si produce anche acido cloridrico come sottoprodotto utile per l’industria.
Un’alternativa a basse emissioni al metodo Haber-Bosch
La produzione industriale di ammoniaca è dominata dal processo Haber-Bosch, che consente di ottenere NH₃ a partire da azoto atmosferico e idrogeno. Si tratta però di un processo ad alta intensità energetica, responsabile di circa 3,27 tonnellate di CO₂ equivalente per ogni tonnellata di ammoniaca prodotta. Con un fabbisogno globale che supera i 200 milioni di tonnellate annue, l’impatto ambientale è enorme.
Il nuovo sistema per il recupero dell’ammoniaca nelle acque reflue potrebbe offrire una valida alternativa, almeno per una parte della produzione mondiale. Secondo i dati presentati nello studio, la strategia solare emette solo 0,102 tonnellate di CO₂ equivalente per tonnellata di ammoniaca ottenuta: circa 30 volte in meno rispetto al metodo tradizionale. Il tutto, sfruttando rifiuti liquidi già esistenti e una fonte energetica rinnovabile e gratuita come il sole.
Ammoniaca nelle acque reflue: da inquinante a risorsa
L’ammoniaca è un elemento essenziale per l’agricoltura, ma nelle acque reflue è un inquinante pericoloso. Può alterare gli equilibri degli ecosistemi acquatici e contribuire all’eutrofizzazione. In Cina, si stima che ogni anno vengano scaricate oltre 10 milioni di tonnellate di reflui contenenti ioni NH₄⁺ nei sistemi idrici. Trovare un metodo efficiente per estrarre e riutilizzare questa sostanza rappresenta una doppia opportunità: ridurre l’inquinamento e riciclare nutrienti utili.
Il principio chimico su cui si basa il recupero è la reazione reversibile di idrolisi dell’ammonio (NH₄⁺ ⇌ NH₃ + H⁺). Tradizionalmente, per favorire la formazione di ammoniaca si usano composti alcalini e riscaldamento elettrico, con elevati consumi energetici e costi operativi. La nuova spugna risolve entrambi i problemi: crea un microambiente basico localizzato grazie ai gruppi ‒NH₂ e sfrutta il riscaldamento interfaciale generato dalla luce solare per favorire la reazione.
Impatti economici e ambientali del recupero solare di ammoniaca
I vantaggi del nuovo sistema non si limitano alla parte tecnica. L’analisi del ciclo di vita e lo studio tecnico-economico mostrano benefici concreti in termini di costi, sostenibilità ambientale e potenziale applicazione su scala industriale. Il materiale è stato testato con acque contenenti cloruro di ammonio (NH₄Cl) e ha raggiunto una velocità di recupero di 0,6 mol/m²/h, senza alcun consumo aggiuntivo di energia.
Secondo i ricercatori, si tratta di un approccio facilmente scalabile che potrebbe trovare applicazione in agricoltura, trattamento delle acque reflue industriali, e produzione sostenibile di fertilizzanti. Sono però necessari ulteriori studi per adattare il materiale alle specifiche caratteristiche dei reflui e ai diversi climi e settori industriali.