Pozyskiwanie nawozów fosforowych ze ścieków rolniczych
Nawozy chemiczne są bez wątpienia jednym z filarów współczesnego rolnictwa, jednak daleko im do doskonałości. „Konwencjonalne nawozy nie tylko są mało wydajne, ale wiele z nich uwalnia również do gleby fosfor, który ma szkodliwy wpływ na środowisko i zdrowie ludzi”, mówi Jorge Rodríguez Navarro, profesor Uniwersytetu w Grenadzie. Korzystając ze wsparcia finansowanego przez Unię Europejską projektu PSust-MOF (Metal-Organic Frameworks as multifunctional materials toward P-sustainability), Rodríguez Navarro oraz współpracujący z nim uczony Francisco Carmona pokierowali pracami nad stworzeniem modelu wykorzystania fosforu zgodnie z zasadami gospodarki o obiegu zamkniętym. „Najważniejszym celem projektu było opracowanie innowacyjnego adsorbentu mającego zdolność oczyszczania ścieków rolniczych z substancji toksycznych poprzez odzyskiwanie z nich nawozów fosforowych, które można ponownie wykorzystać”, wyjaśnia Carmona.
Zrównoważone struktury metaloorganiczne
Na realizację swojego projektu naukowcy otrzymali dofinansowanie w ramach działań „Maria Skłodowska-Curie”. Aby osiągnąć założone cele, skupili się na badaniu nowej klasy porowatych materiałów znanych pod nazwą cyrkonowych struktur metaloorganicznych (Zr-MOF) cechujących się wysokim powinowactwem do grup fosforanowych. Jednak uczeni nie chcieli poprzestać jedynie na opracowaniu materiału Zr-MOF – założyli, że dokonają tego w sposób zrównoważony. „Dzięki swoim niezwykłym właściwościom struktury metaloorganiczne stanowią wyjątkowo obiecujące materiały dla nieskończonej liczby różnych zastosowań”, podkreśla Rodríguez Navarro. „Niestety, proces ich otrzymywania wymaga użycia toksycznych rozpuszczalników i przebiega w bardzo trudnych warunkach”. Dlatego też naukowcy skupili się na opracowaniu metody syntezy Zr-MOF wspomaganej mikrofalami, a w kolejnych krokach wykazali jej wykonalność i skuteczność. Innowacyjność tego procesu polega na wykorzystaniu wody w roli rozpuszczalnika, a także na możliwości łatwej i precyzyjnej modyfikacji wielkości cząsteczek w materiałach uzyskiwanych tą metodą. „Sprawiając, że ich przemysłowa produkcja będzie łatwiejsza, tańsza i bardziej zrównoważona, nowy proces ułatwi praktyczne wykorzystanie tych materiałów w rzeczywistych zastosowaniach”, dodaje Carmona.
Zdolność do pochłaniania jonów fosforanowych
Oprócz opracowania zrównoważonego procesu otrzymywania Zr-MOF projekt pozwolił na dowiedzenie, że materiały te są zdolne do wydajnego pochłaniania jonów fosforanowych w odpowiednich stężeniach. Po wychwyceniu jonów fosforanowych można je ponownie wykorzystać do wytworzenia nowych nawozów pochłaniających fosforany. „Wykazaliśmy, że materiały Zr-MOF nie tylko mają zdolność do odwracalnej adsorpcji jonów fosforanowych, ale jednocześnie mogą też rozkładać toksyczne pestycydy fosforoorganiczne na nieszkodliwe związki”, twierdzi Rodríguez Navarro. „Zdolność do detoksykacji otwiera możliwości zastosowania tych materiałów do oczyszczania ścieków produkowanych w gospodarstwach rolnych”.
Próba rozwiązania problemów niedoboru i braku wydajności
Niedobór fosforu i zbyt mała wydajność nawozów to dwie najtrudniejsze przeszkody na drodze do zrównoważonej produkcji rolnej. Prace w projekcie PSust-MOF pozwoliły na rozwiązanie obu tych problemów. „Opracowując metodę odzyskiwania fosforu ze ścieków rolniczych, a następnie ponownego wykorzystania go do wytworzenia nowych, wydajnych nawozów, dowiedliśmy, że potencjał tkwiący w strukturach metaloorganicznych pozwala na jednoczesne rozwiązanie problemów związanych z niedoborem fosforu i brakiem wydajności poprzez wykorzystanie tego pierwiastka zgodnie z zasadami gospodarki o obiegu zamkniętym”, zaznacza Carmona. „Projekt ten skutecznie podniósł świadomość na temat zrównoważonego gospodarowania fosforem i pokazał, że badania naukowe są kluczem do znalezienia strategii i rozwiązań pozwalających na pokonanie tych istotnych wyzwań”, dodaje Rodríguez Navarro. Naukowcy pracują obecnie nad zwiększeniem możliwości przetwarzania materiałów metaloorganicznych przy użyciu kompozytów lub membran heterogenicznych – stanowiących innowację, która pozwoliłaby na ich produkcję na większą skalę.
Słowa kluczowe
PSust-MOF, nawozy, fosfor, gleba, ścieki rolnicze, cyrkonowe struktury metaloorganiczne, nawozy fosforowe, rolnictwo, gospodarka o obiegu zamkniętym, Zr-MOF
