کلانشهر: بحران آلودگی فاضلاب های صنعتی و کشاورزی سال هاست که به یکی از بزرگ ترین تهدیدهای زیست محیطی جهان تبدیل شده است. حجم عظیمی از رواناب های آلوده که حاوی نیترات هستند، هر روز وارد رودخانه ها، دریاچه ها و منابع آب زیرزمینی می شوند و اکوسیستم های طبیعی را با خطر جدی روبه رو می کنند. در همین حال، صنایع شیمیایی جهان برای تولید آمونیاک و کودهای کشاورزی، انرژی بسیار زیادی مصرف می کنند؛ فرآیندی که سهم قابل توجهی در مصرف جهانی انرژی و تولید گازهای گلخانه ای دارد.

اکنون گروهی از دانشمندان چینی راهکاری ارائه کرده اند که می تواند هر دو مشکل را هم زمان حل کند. آن ها موفق شده اند با استفاده از هوش مصنوعی و فناوری های نوین شیمی، نیترات موجود در فاضلاب را به آمونیاک تبدیل کنند؛ ماده ای که یکی از پایه های اصلی تولید کود اوره و بسیاری از محصولات شیمیایی صنعتی محسوب می شود.

این دستاورد نه تنها می تواند هزینه های تصفیه فاضلاب را کاهش دهد، بلکه راه را برای تولید پایدار و چرخه ای کودهای شیمیایی نیز هموار می کند.

چرا نیترات موجود در فاضلاب خطرناک است؟

فاضلاب های کشاورزی و صنعتی معمولاً حاوی مقادیر زیادی نیترات هستند. این ماده از منابع مختلفی مانند کودهای شیمیایی مصرف شده در مزارع، فضولات حیوانی، پساب کارخانه های شیمیایی و تأسیسات تصفیه فاضلاب وارد محیط زیست می شود.

تجمع بیش از حد نیترات در منابع آبی می تواند پیامدهای فاجعه باری ایجاد کند. یکی از مهم ترین این مشکلات، پدیده «شکوفایی جلبکی» است؛ وضعیتی که در آن رشد انفجاری جلبک ها باعث کاهش شدید اکسیژن آب می شود. نتیجه این اتفاق، شکل گیری «مناطق مرده» در رودخانه ها و دریاچه هاست؛ مناطقی که بسیاری از موجودات آبزی مانند ماهی ها و دیگر جانداران قادر به زنده ماندن در آن نیستند.

افزون بر این، نفوذ نیترات به آب های زیرزمینی می تواند سلامت انسان و حیوانات را نیز تهدید کند و مشکلات گسترده ای برای منابع آب آشامیدنی به وجود آورد.

به همین دلیل، بسیاری از کشورها مجبورند فاضلاب های آلوده را با صرف هزینه و انرژی بالا تصفیه کنند تا نیترات آن ها 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 می رود و نیتروژن نیز ماده ای 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 مهم ترین مواد شیمیایی صنعتی جهان است و در ساخت کودهای شیمیایی، مواد منفجره، مبردها، محصولات شیمیایی و حتی فناوری های مرتبط با انرژی هیدروژنی کاربرد دارد.

اما تولید آمونیاک در جهان همچنان به فرآیندی بسیار پرهزینه و انرژی بر وابسته است؛ فرآیندی که با نام «هابر-بوش» شناخته می شود. در این روش، نیتروژن و هیدروژن خالص تحت دما و فشار بسیار بالا با یکدیگر ترکیب می شوند تا آمونیاک تولید شود.

مشکل اینجاست که تأمین چنین شرایطی به انرژی عظیمی نیاز دارد که معمولاً از گاز طبیعی تأمین می شود. طبق برخی گزارش ها، فرآیند هابر-بوش به تنهایی حدود ۱ تا ۲ درصد کل مصرف انرژی جهان را به خود اختصاص می دهد؛ 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 هم زمان حاصل می شود؛ آلودگی کاهش می یابد، مصرف انرژی پایین می آید و وابستگی به منابع وارداتی مواد اولیه کمتر می شود. این یعنی شکل گیری نوعی اقتصاد چرخه ای در صنعت تولید کود.

نقش هوش مصنوعی در کشف سوپرکاتالیزور جدید

هسته اصلی این دستاورد علمی، توسعه یک «سوپرکاتالیزور» جدید است؛ ماده ای که می تواند واکنش شیمیایی تبدیل نیترات به آمونیاک را بسیار سریع تر 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 تک اتمی یا نانوذرات معمولی، از جفت اتم هایی استفاده می کند که عملکرد مکمل دارند.

به گفته محققان، استفاده از دو اتم مکمل باعث می شود فرآیندهای پیچیده ای مانند انتقال الکترون، شکستن پیوندها، تشکیل پیوندهای جدید و ایجاد مولکول های واسطه با بازده بسیار بالاتری انجام شود. همین موضوع نقش مهمی در تبدیل مؤثر نیترات به آمونیاک ایفا می کند.

نکته جالب تر 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، الگوریتم های هوش مصنوعی ترکیب هایی 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 فناوری های مشابه

نتایج اولیه این پروژه بسیار امیدوارکننده بوده است. به گفته تیم تحقیقاتی، کاتالیزور جدید تقریباً سه برابر کارآمدتر از نمونه های مشابه عمل می کند.

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 می تواند در آینده سود اقتصادی قابل توجهی برای صنایع شیمیایی و کشاورزی به همراه داشته باشد؛ به ویژه در شرایطی که جهان با بحران انرژی و افزایش هزینه تولید کودهای شیمیایی روبه رو است.

در عین حال، این فناوری می تواند بخشی از مشکل آلودگی شدید فاضلاب های صنعتی و کشاورزی را نیز برطرف کند و فشار وارد بر اکوسیستم های آبی را کاهش دهد.

هنوز راه زیادی تا استفاده صنعتی باقی مانده است

با وجود نتایج امیدوارکننده، پژوهشگران تأکید می کنند که این فناوری هنوز در مراحل اولیه توسعه قرار دارد. تاکنون آزمایش ها تنها در محیط آزمایشگاهی و در مقیاس کوچک انجام شده اند و هنوز مشخص نیست که آیا این روش در مقیاس صنعتی نیز عملکرد موفقی خواهد داشت یا خیر.

یکی دیگر از چالش های پیش رو، امکان تولید انبوه این کاتالیزور و توانایی آن در مقابله با انواع مختلف آلاینده های موجود در فاضلاب واقعی است. فاضلاب های 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 فناوری های پایدار و اقتصاد چرخه ای می دانند؛ فناوری هایی که در آن ها پسماندها نه به عنوان زباله، بلکه به عنوان منابع ارزشمند مورد استفاده قرار می گیرند.

آینده ای که در آن فاضلاب به منبع انرژی و کود تبدیل می شود

پیشرفت جدید دانشمندان چینی نشان می دهد که ترکیب هوش مصنوعی و شیمی پیشرفته می تواند راه حل هایی کاملاً متفاوت برای بحران های زیست محیطی ارائه دهد. اگر این فناوری بتواند از مرحله آزمایشگاهی عبور کند و وارد مقیاس صنعتی شود، احتمالاً در آینده شاهد تصفیه خانه هایی خواهیم بود که نه تنها آلودگی را حذف می کنند، بلکه مواد ارزشمندی مانند آمونیاک و کودهای شیمیایی نیز تولید خواهند کرد.

چنین تحولی می تواند هم هزینه های 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، نمونه ای مهم از کاربرد هوش مصنوعی در حل بحران های زیست محیطی و صنعتی است. این فناوری نه تنها می تواند به کاهش آلودگی آب ها کمک کند، بلکه راهی تازه برای تولید کم هزینه تر و کم مصرف تر کودهای شیمیایی ارائه می دهد.

هرچند این پروژه هنوز در مراحل آزمایشگاهی قرار دارد، اما نتایج اولیه نشان می دهد که آینده صنایع شیمیایی و تصفیه فاضلاب ممکن است به سمت مدل هایی حرکت کند که در آن ها «زباله» دیگر یک مشکل نیست، بلکه به منبعی ارزشمند برای تولید انرژی و مواد صنعتی تبدیل می شود.