Thu hồi chất có giá trị từ chất thải động vật 

Mỗi năm các trang trại chăn nuôi trên thế giới thải ra hơn 3 tỷ tấn chất thải động vật. Lượng phân khổng lồ ấy gây ô nhiễm nguồn nước và thải ra khí nhà kính. Giờ đây, một kỹ thuật tái chế mới có thể giảm thiểu những tác hại đó đồng thời mang lại lợi nhuận cho người nông dân.

Các nhà nghiên cứu đã chỉ ra, có thể sử dụng điện để phân hủy các chất hữu cơ trong chất thải động vật, đồng thời thu hồi các chất có giá trị. Nhóm đã công bố những kết quả ban đầu trên tạp chí Nature Sustainability – cho thấy, trong hầu hết các trường hợp, giá trị mà những chất thu được mang lại sẽ cao hơn chi phí phải bỏ ra để tái chế, giúp nông dân có thể áp dụng kỹ thuật này một cách bền vững.

Taeyoung Kim, nhà hóa học tại Đại học Clarkson, người không tham gia vào nghiên cứu, cho biết phương pháp này có thể áp dụng hiệu quả ở các vùng nông thôn, vùng nông nghiệp, nơi thải ra rất nhiều phân gia súc và có lượng điện tái tạo giá rẻ từ các trang trại gió và mặt trời.

Trước đây, nhiều cơ sở chăn nuôi đã thử tái chế chất thải động vật bằng cách ủ làm phân bón hữu cơ. Họ còn sử dụng vi khuẩn để phân hủy phần lớn số hợp chất hữu cơ còn lại thành khí sinh học để tạo ra điện. Nhưng những phương pháp đó vẫn thải một lượng lớn amoniac và các hợp chất khác ra môi trường, khiến tảo nở hoa và làm cá chết hàng loạt.

Trong những năm gần đây, một số nhóm nghiên cứu đã bắt đầu tìm hiểu các phương pháp điện hóa để thu hồi amoniac và các hóa chất có giá trị khác từ các hố phân. Chẳng hạn, trong một nghiên cứu vào năm 2021, nhà khoa học Kim và các đồng nghiệp đã tạo ra loại pin sử dụng dòng điện để truyền các ion amoni tích điện dương qua màng, giúp thu hồi tiền chất phân bón một cách đơn giản. Tuy nhiên, việc lắp đặt màng vẫn còn khó vận hành và tốn kém trong trường hợp mở rộng quy mô.

Nhóm nghiên cứu do kỹ sư môi trường Mohan Qin thuộc Đại học Wisconsin-Madison dẫn đầu và đồng nghiệp Song Jin của bà muốn xem liệu họ có thể loại bỏ lớp màng này hay không – thông qua áp dụng phương pháp tiếp cận hai giai đoạn. Cả hai giai đoạn đều dựa vào vật liệu điện cực pin gọi là kali niken hexacyanoferrate (KNiHCF), có cấu trúc phân lớp với các khoảng trống cho phép các ion di chuyển ra vào. 

Ở bước đầu tiên, các nhà khoa học nhúng điện cực KNiHCF vào dung dịch chất thải động vật tổng hợp. Bản thân KNiHCF là chất có độ âm điện lớn nên nó tự động hút electron khỏi các hợp chất hữu cơ trong chất thải, khiến chúng bị phân hủy. Ngược lại, khi các điện tích âm tích tụ trong KNiHCF, các ion dương bị hút vào từ dung dịch và chen vào giữa các lớp. Nhóm nghiên cứu nhận thấy khoảng cách giữa các lớp trong KNiHCF đã đạt đến độ lý tưởng để thu hút các ion amoni và kali, thay vì các ion phổ biến khác nhưng ít giá trị hơn trong phân, chẳng hạn như natri hoặc canxi. 

Ở bước thứ hai, các nhà nghiên cứu đã loại bỏ điện cực KNiHCF, giờ đã chứa đầy các ion, khỏi dung dịch chất thải. Họ đặt nó cùng với một điện cực thứ hai vào thùng chứa nước sạch có pha chất điện phân dẫn ion. Khi họ đặt một điện áp vào, các electron sẽ chảy vào điện cực thứ hai, tạo ra điện tích âm kéo các ion amoni và kali tích điện dương ra khỏi điện cực KNiHCF và đi vào dung dịch, nơi chúng sẽ được thu hồi.

Phương án này vẫn có lỗ hổng. Các điện cực KNiHCF sẽ xuống cấp sau khi sử dụng nhiều lần, tuy nhiên nhóm nghiên cứu cho biết họ đã giải quyết được bài toán này. 

Các nhà nghiên cứu cũng đã tiến hành phân tích để đánh giá tiềm năng của kỹ thuật trong việc mở rộng quy mô và quản lý chất thải từ một trang trại bò sữa có 1000 con bò. Họ phát hiện ra rằng phương pháp này có thể thu lại đủ số lượng hóa chất giá trị để tạo ra lợi nhuận lên tới 200.000 USD/năm, nếu giá điện ở mức khoảng 0,08 USD/kWh, mức trung bình của Hoa Kỳ.□

Anh Lưu lược dịch

Nguồn: https://www.science.org/content/article/cheap-electricity-could-recycle-animal-waste-recover-valuable-chemicals