به گزارش تجارت نیوز، بحران آلودگی فاضلابهای صنعتی و کشاورزی سالهاست که به یکی از بزرگترین تهدیدهای زیستمحیطی جهان تبدیل شده است. حجم عظیمی از روانابهای آلوده که حاوی نیترات هستند، هر روز وارد رودخانهها، دریاچهها و منابع آب زیرزمینی میشوند و اکوسیستمهای طبیعی را با خطر جدی روبهرو میکنند. در همین حال، صنایع شیمیایی جهان برای تولید آمونیاک و کودهای کشاورزی، انرژی بسیار زیادی مصرف میکنند؛ فرآیندی که سهم قابل توجهی در مصرف جهانی انرژی و تولید گازهای گلخانهای دارد.
اکنون گروهی از دانشمندان چینی راهکاری ارائه کردهاند که میتواند هر دو مشکل را همزمان حل کند. آنها موفق شدهاند با استفاده از هوش مصنوعی و فناوریهای نوین شیمی، نیترات موجود در فاضلاب را به آمونیاک تبدیل کنند؛ مادهای که یکی از پایههای اصلی تولید کود اوره و بسیاری از محصولات شیمیایی صنعتی محسوب میشود.
این دستاورد نهتنها میتواند هزینههای تصفیه فاضلاب را کاهش دهد، بلکه راه را برای تولید پایدار و چرخهای کودهای شیمیایی نیز هموار میکند.
چرا نیترات موجود در فاضلاب خطرناک است؟
فاضلابهای کشاورزی و صنعتی معمولاً حاوی مقادیر زیادی نیترات هستند. این ماده از منابع مختلفی مانند کودهای شیمیایی مصرفشده در مزارع، فضولات حیوانی، پساب کارخانههای شیمیایی و تأسیسات تصفیه فاضلاب وارد محیط زیست میشود.
تجمع بیش از حد نیترات در منابع آبی میتواند پیامدهای فاجعهباری ایجاد کند. یکی از مهمترین این مشکلات، پدیده «شکوفایی جلبکی» است؛ وضعیتی که در آن رشد انفجاری جلبکها باعث کاهش شدید اکسیژن آب میشود. نتیجه این اتفاق، شکلگیری «مناطق مرده» در رودخانهها و دریاچههاست؛ مناطقی که بسیاری از موجودات آبزی مانند ماهیها و دیگر جانداران قادر به زنده ماندن در آن نیستند.
افزون بر این، نفوذ نیترات به آبهای زیرزمینی میتواند سلامت انسان و حیوانات را نیز تهدید کند و مشکلات گستردهای برای منابع آب آشامیدنی به وجود آورد.
به همین دلیل، بسیاری از کشورها مجبورند فاضلابهای آلوده را با صرف هزینه و انرژی بالا تصفیه کنند تا نیترات آنها حذف شود. اما پژوهشگران چینی معتقدند در این فرآیند، یک فرصت ارزشمند نادیده گرفته شده است؛ زیرا نیترات در واقع منبعی غنی از نیتروژن به شمار میرود و نیتروژن نیز مادهای کلیدی در تولید کودهای شیمیایی است.
تبدیل آلودگی به منبعی ارزشمند برای تولید کود
دانشمندان چینی تصمیم گرفتند به جای حذف کامل نیترات از فاضلاب، از آن به عنوان ماده اولیه تولید آمونیاک استفاده کنند. آمونیاک یکی از مهمترین مواد شیمیایی صنعتی جهان است و در ساخت کودهای شیمیایی، مواد منفجره، مبردها، محصولات شیمیایی و حتی فناوریهای مرتبط با انرژی هیدروژنی کاربرد دارد.
اما تولید آمونیاک در جهان همچنان به فرآیندی بسیار پرهزینه و انرژیبر وابسته است؛ فرآیندی که با نام «هابر-بوش» شناخته میشود. در این روش، نیتروژن و هیدروژن خالص تحت دما و فشار بسیار بالا با یکدیگر ترکیب میشوند تا آمونیاک تولید شود.
مشکل اینجاست که تأمین چنین شرایطی به انرژی عظیمی نیاز دارد که معمولاً از گاز طبیعی تأمین میشود. طبق برخی گزارشها، فرآیند هابر-بوش به تنهایی حدود ۱ تا ۲ درصد کل مصرف انرژی جهان را به خود اختصاص میدهد؛ عددی بسیار بزرگ برای تنها یک فرآیند صنعتی.
در نتیجه، اگر بتوان آمونیاک را مستقیماً از نیترات موجود در فاضلاب تولید کرد، چند مزیت بزرگ همزمان حاصل میشود؛ آلودگی کاهش مییابد، مصرف انرژی پایین میآید و وابستگی به منابع وارداتی مواد اولیه کمتر میشود. این یعنی شکلگیری نوعی اقتصاد چرخهای در صنعت تولید کود.
نقش هوش مصنوعی در کشف سوپرکاتالیزور جدید
هسته اصلی این دستاورد علمی، توسعه یک «سوپرکاتالیزور» جدید است؛ مادهای که میتواند واکنش شیمیایی تبدیل نیترات به آمونیاک را بسیار سریعتر و کارآمدتر انجام دهد.
پژوهشگران در این پروژه از نوعی کاتالیزور ویژه به نام «کاتالیزور دو اتمی» یا DAC استفاده کردند. این فناوری با کاتالیزورهای سنتی تفاوت دارد، زیرا به جای استفاده از ساختارهای تکاتمی یا نانوذرات معمولی، از جفت اتمهایی استفاده میکند که عملکرد مکمل دارند.
به گفته محققان، استفاده از دو اتم مکمل باعث میشود فرآیندهای پیچیدهای مانند انتقال الکترون، شکستن پیوندها، تشکیل پیوندهای جدید و ایجاد مولکولهای واسطه با بازده بسیار بالاتری انجام شود. همین موضوع نقش مهمی در تبدیل مؤثر نیترات به آمونیاک ایفا میکند.
نکته جالبتر این است که دانشمندان برای یافتن بهترین ترکیب اتمی، از هوش مصنوعی کمک گرفتند. به جای آنکه هزاران آزمایش مختلف به روش سنتی آزمون و خطا انجام شود، الگوریتمهای هوش مصنوعی ترکیبهایی را که بیشترین پتانسیل را داشتند شناسایی کردند.
این موضوع باعث شد پژوهشگران زمان بسیار زیادی را ذخیره کنند و فرآیند توسعه کاتالیزور به شکل چشمگیری سرعت بگیرد.
بازدهی سه برابر بیشتر نسبت به فناوریهای مشابه
نتایج اولیه این پروژه بسیار امیدوارکننده بوده است. به گفته تیم تحقیقاتی، کاتالیزور جدید تقریباً سه برابر کارآمدتر از نمونههای مشابه عمل میکند.
این یعنی نرخ تبدیل نیترات به آمونیاک افزایش یافته، میزان هدررفت مواد کاهش پیدا کرده و بازده تولید به شکل محسوسی بالاتر رفته است. چنین دستاوردی میتواند در آینده سود اقتصادی قابل توجهی برای صنایع شیمیایی و کشاورزی به همراه داشته باشد؛ بهویژه در شرایطی که جهان با بحران انرژی و افزایش هزینه تولید کودهای شیمیایی روبهرو است.
در عین حال، این فناوری میتواند بخشی از مشکل آلودگی شدید فاضلابهای صنعتی و کشاورزی را نیز برطرف کند و فشار وارد بر اکوسیستمهای آبی را کاهش دهد.
هنوز راه زیادی تا استفاده صنعتی باقی مانده است
با وجود نتایج امیدوارکننده، پژوهشگران تأکید میکنند که این فناوری هنوز در مراحل اولیه توسعه قرار دارد. تاکنون آزمایشها تنها در محیط آزمایشگاهی و در مقیاس کوچک انجام شدهاند و هنوز مشخص نیست که آیا این روش در مقیاس صنعتی نیز عملکرد موفقی خواهد داشت یا خیر.
یکی دیگر از چالشهای پیش رو، امکان تولید انبوه این کاتالیزور و توانایی آن در مقابله با انواع مختلف آلایندههای موجود در فاضلاب واقعی است. فاضلابهای صنعتی معمولاً ترکیبی پیچیده از مواد شیمیایی مختلف دارند و مشخص نیست که این سیستم در شرایط واقعی تا چه اندازه پایدار و مؤثر عمل خواهد کرد.
با این حال، بسیاری از کارشناسان این دستاورد را گامی مهم در مسیر توسعه فناوریهای پایدار و اقتصاد چرخهای میدانند؛ فناوریهایی که در آنها پسماندها نه به عنوان زباله، بلکه به عنوان منابع ارزشمند مورد استفاده قرار میگیرند.
آیندهای که در آن فاضلاب به منبع انرژی و کود تبدیل میشود
پیشرفت جدید دانشمندان چینی نشان میدهد که ترکیب هوش مصنوعی و شیمی پیشرفته میتواند راهحلهایی کاملاً متفاوت برای بحرانهای زیستمحیطی ارائه دهد. اگر این فناوری بتواند از مرحله آزمایشگاهی عبور کند و وارد مقیاس صنعتی شود، احتمالاً در آینده شاهد تصفیهخانههایی خواهیم بود که نهتنها آلودگی را حذف میکنند، بلکه مواد ارزشمندی مانند آمونیاک و کودهای شیمیایی نیز تولید خواهند کرد.
چنین تحولی میتواند هم هزینههای تصفیه فاضلاب را کاهش دهد و هم وابستگی صنایع کشاورزی به فرآیندهای پرمصرف و آلاینده سنتی را کمتر کند.
دستاورد جدید پژوهشگران چینی در تبدیل نیترات فاضلاب به آمونیاک، نمونهای مهم از کاربرد هوش مصنوعی در حل بحرانهای زیستمحیطی و صنعتی است. این فناوری نهتنها میتواند به کاهش آلودگی آبها کمک کند، بلکه راهی تازه برای تولید کمهزینهتر و کممصرفتر کودهای شیمیایی ارائه میدهد.
هرچند این پروژه هنوز در مراحل آزمایشگاهی قرار دارد، اما نتایج اولیه نشان میدهد که آینده صنایع شیمیایی و تصفیه فاضلاب ممکن است به سمت مدلهایی حرکت کند که در آنها «زباله» دیگر یک مشکل نیست، بلکه به منبعی ارزشمند برای تولید انرژی و مواد صنعتی تبدیل میشود.
