Da die Solarenergie weltweit auf dem Vormarsch ist, entwickeln Forscher immer mehr Möglichkeiten zur Nutzung der Sonnenenergie für die Herstellung von Kraftstoffen, Kunststoffen und Stahl. So wurde beispielsweise vor kurzem eine kostengünstige und effiziente Methode zur Gewinnung von Ammoniak aus Abwasser mit Hilfe von Sonnenlicht erfunden. Dieses neue Gerät, das in der Zeitschrift Nature Sustainability vorgestellt wurde, könnte Landwirten eine billigere Quelle für Pflanzennährstoffe bieten und gleichzeitig helfen, landwirtschaftliche und industrielle Abwässer zu reinigen.
Ammoniak ist ein wertvoller Stoff: Jährlich werden rund 240 Millionen Tonnen produziert, hauptsächlich für die Herstellung von Düngemitteln, die die Grundlage für die weltweite Nahrungsmittelproduktion bilden. Doch die Herstellung und Verwendung von Ammoniak ist umweltschädlich. Fast das gesamte Ammoniak wird in Hochtemperaturreaktoren hergestellt, die fossile Brennstoffe verwenden, um den Stickstoff aus der Luft in eine Form umzuwandeln, die von den Pflanzen aufgenommen werden kann. Nachdem die Landwirte ihre Felder gedüngt haben , landet überschüssiges Ammoniak oft im Abwasser und kann giftige Algenblüten verursachen. "Wenn wir dieses Ammoniak zurückgewinnen können, können wir viel Energie sparen und gleichzeitig das Abwasser reinigen", sagt Ning Xu, Materialwissenschaftler an der Universität Nanjing, Mitautor der Studie.
Einige bestehende Kläranlagen tun genau das bereits. Die meisten bestehenden Verfahren zur Rückgewinnung von Ammoniak sind jedoch kostspielig und energieintensiv, so dass die Anlagen das Problem oft umgehen und es einfach in weniger schädliche Verbindungen zerlegen. Um sauberes Ammoniak kostengünstiger zurückzugewinnen, kombinierten Xu und Kollegen ein Low-Tech-Solargewächshaus mit einem High-Tech-Material. Die Methode beginnt mit einem herkömmlichen Solardestillator, bei dem ein transparentes Glas- oder Kunststoffzelt einen Abwassertank abdeckt. Durch die Sonnenwärme verdampft das Wasser, das sich in Dampf verwandelt und an der Überdachung kondensiert, wo es als frisches, sauberes Wasser gesammelt wird.
Das gleiche Verfahren kann zur Verdampfung von Ammoniak in Abwässern verwendet werden. Ein großer Teil der Abwässer aus Düngemitteln und industriellen Prozessen enthält jedoch eine eng verwandte Verbindung, nämlich Ammonium, das ein zusätzliches Wasserstoffion enthält, so dass es nicht verdampft, sondern Salze bildet. Die Nanjing-Forscher haben daher eine Methode entwickelt, um Ammonium in Ammonium umzuwandeln.
Um die Verdampfung im Solardestillator zu beschleunigen, entwickelte Xus Team zunächst einen Kunststoffschwamm, der mit einer dünnen Schicht eines schwarzen, wärmeabsorbierenden Materials namens Titancarbid beschichtet war. Anschließend pfropften die Forscher alkalische Verbindungen, so genannte Aminogruppen, auf die äußere Oberfläche des Schwamms. Als der schwarze Schwamm im Destillationsabwasser schwebte, zog die Beschichtung aus Aminogruppen Wasserstoffionen aus den nahegelegenen Ammoniakmolekülen und wandelte sie in Ammoniak um. Durch die Hitze in der Destillationsanlage verdampften dann Ammoniak und Wasser, die kondensierten und gesammelt werden konnten.
Sobald der Schwamm mit Wasserstoffionen gesättigt ist, kann er nicht nur wiederverwendet, sondern auch zur Herstellung einer anderen wertvollen Chemikalie verwendet werden. In einem weiteren Schritt fokussierten die Forscher Sonnenlicht auf den Schwamm und erhitzten ihn soweit, dass er mit den Wasserstoff- und Chloridionen im Abwasser reagierte. Bei dieser Reaktion entstand Salzsäure, eine weitere Substanz, die ebenfalls gesammelt und verkauft werden kann, während der Schwamm wieder für einen neuen Zyklus der Ammoniakproduktion bereit ist.
Eine Analyse der Anlage zeigt, dass durch den Verkauf des gesammelten Ammoniaks und der Salzsäure die Kosten des Systems in nur 3,5 Jahren wieder hereingeholt werden können. Bislang wurde das Konzept jedoch nur im Labormaßstab getestet. Da für den Betrieb jedoch keine besonderen Materialien erforderlich sind, dürfte es keine größeren Hindernisse für eine Anwendung in größerem Maßstab geben.
