إنتاج الهيدروجين من مياه الصرف عبر استرداد غاز الأمونيا

تحويل المياه القذرة إلى طاقة نظيفة

يُصرف يومياً من المدن والمزارع والمصانع مياه صرف غنيّة بالنيتروجين. اليوم يُعامل ذلك النيتروجين في الغالب كملوث ويُفقد في الهواء، رغم أنه يمثل مورداً هائلاً مهملًا. تستكشف هذه الدراسة فكرة جريئة: بدلاً من التخلص من ذلك النيتروجين، يمكننا التقاطه على شكل أمونيا وتحويله إلى هيدروجين، وقود نظيف لا ينتج عند استعماله سوى الماء. من خلال ربط تقنيات معالجة متقدمة، يوضح المؤلفون أن مياه الصرف قد توفر جزءًا كبيرًا من احتياج العالم للهيدروجين دون إضافة تلوث كربوني.

من نفايات مشكلة إلى أمونيا مفيدة

صممت محطات معالجة مياه الصرف الحديثة لحماية الأنهار والبحيرات من فرط المغذيات عبر تحويل النيتروجين التفاعلي إلى غاز نيتروجين غير ضار. هذا النهج يعمل للحد من التلوث، لكنه يهدر الطاقة والقيمة السمادية المختزنة في النيتروجين. تفحص الورقة ثلاث تقنيات موجودة يمكن أن تفعل شيئًا أذكى: استرداد النيتروجين من مجاري النفايات الحقيقية في شكل قابل لإعادة الاستخدام. يستخدم فصل الغاز (gas stripping) الحرارة والـ pH العالي لدفع الأمونيوم المذاب إلى غاز الأمونيا، الذي يُلتقط في سائل حمضي. يمرر الغشاء النفاذ للغاز الأمونيا عبر حواجز خاصة نافذة للغاز بينما تبقى معظم الشوائب الأخرى وراءه. يعتمد الكهروتفريق الأيوني على حقل كهربائي وأغشية منتقاة للأيونات لسحب الأمونيوم إلى تيار مركز. عبر إعادة تحليل العديد من التجارب المنشورة على مياه صرف حقيقية بمقياس مشترك، يقارن المؤلفون كمية الأمونيا التي يمكن لكل مسار استردادها فعليًا لكل لتر من مياه الصرف.

أي مسارات الاسترداد هي الأفضل

عند تطبيع كل البيانات، يظهر فصل الغاز كالأكثر كفاءة في سحب الأمونيوم من مياه الصرف النموذجية، مستردًا غالبًا أكثر من 90 بالمئة من النيتروجين. ومع ذلك، تنخفض كفاءته بشدة مع ازدياد مستويات النيتروجين جدًا، لأن المواد الكيميائية الإضافية تكون مطلوبة وتتعطل العملية بسبب أملاح مذابة أخرى. يقدم الكهروتفريق أداءً جيدًا لكنه قد يعاني من تنافس أيونات مشحونة أخرى ومن ترسبات معدنية على الأغشية. يظهر الغشاء تقوية مختلفة: يبقى فعالًا للغاية حتى عند تركيزات نيتروجين قصوى، بفضل النقل الانتقائي لغاز الأمونيا عبر أغشية كارهة للماء. في الحالات الأكثر تطلبًا، حققت أنظمة الأغشية أكبر كميات إجمالية من الأمونيا المستردة لكل لتر من مياه الصرف، مما يجعلها جذابة بشكل خاص لروث المواشي، ومحاليل تسرب مدافن النفايات، والمصرفات الصناعية المركزة.

تفكيك الأمونيا إلى هيدروجين

التقاط الأمونيا هو نصف القصة فقط. لتحويلها إلى وقود قابل للاستخدام، يجب تفكيك الأمونيا إلى هيدروجين ونيتروجين فوق محفز صلب عند درجات حرارة مرتفعة. يجوب المؤلفون أبحاث المحفزات الحديثة ويحددون ثلاث عائلات رئيسية: المبنية على المعدن النفيس الروثينيوم، وتلك المبنية على معادن أرخص مثل النيكل، وسبائك ثنائية المعدن التي تجمع معادن مختلفة. تبرز محفزات الروثينيوم لقدرتها على الوصول إلى تحويل أمونيا شبه كامل عند درجات حرارة أدنى حوالي 500 °م، ما يقلل من استهلاك الطاقة ويطيل عمر المحفز. يمكن أن تعمل محفزات النيكل والسبائك جيدًا أيضًا لكنها عادة تتطلب تشغيلًا في درجات حرارة أعلى، مما يزيد من استهلاك الوقود. والأهم من ذلك، أن الأمونيا المستردة عبر المسارات الكهروكيميائية خالية أساسًا من الكبريت والكلور والمعادن الثقيلة، ما يعني أنها تتصرف كأمونيا تجارية عالية النقاء ومن غير المرجح أن تسمم هذه المحفزات.

كمية الهيدروجين التي يمكن أن توفرها مياه الصرف؟

بربط أفضل خطوات الاسترداد والتفكيك في سلسلة من ثلاث مراحل—التقاط النيتروجين كأمونيوم، التحويل الكهروكيميائي إلى غاز الأمونيا، والتفكيك الحفزي إلى هيدروجين—تقدّر الدراسة كمية الهيدروجين التي يمكن، نظريًا، توليدها من تدفقات مياه الصرف العالمية. اعتمادًا على نوع مياه الصرف ومركب التكنولوجيا، يمكن لكل لتر أن ينتج ما يتراوح من نحو عشر غرامة إلى أكثر من غرام واحد من الهيدروجين. عند التوسيع إلى المصارف البلدية والمنزلية وحيوانات المزارع وتصنيع الأغذية وبعض المصارف الصناعية العالمية، يُجمع ذلك ليصل إلى ما بين 2.5 و30.6 مليون طن من الهيدروجين سنويًا. هذا يعادل نحو 44 بالمئة من إنتاج الهيدروجين العالمي الحالي، محققًا ذلك دون حرق وقود أحفوري ومع تحسين معالجة مياه الصرف.

موازنة التكاليف والفوائد البيئية

يقارن الباحثون أيضًا هذا المسار الجديد مع عملية هابر-بوش الراسخة، التي تصنع الأمونيا الاصطناعية من الغاز الطبيعي والمسؤولة عن معظم أسمدة العالم. من حيث الطاقة الخالصة، لا يزال استرداد الأمونيا من مياه الصرف ثم تفكيكها إلى هيدروجين يكلف قليلًا أكثر من الأمونيا التقليدية «الرمادية»، لكنه بالفعل في نفس نطاق الأمونيا «الزرقاء» التي تلتقط جزءًا من ثاني أكسيد الكربون، وأرخص من الأمونيا «الخضراء» المنتجة من الكهرباء المتجددة وحدها. عند احتساب انبعاثات غازات الاحتباس الحراري، تبدو مسارات مياه الصرف أفضل. مع خليط الكهرباء الحالي يمكنها التفوق على الأمونيا الرمادية، وعند تشغيلها بطاقة منخفضة الكربون مثل الطاقة الشمسية، يمكن لمسارات الغشاء والكهروتفريق أن تتفوق حتى على الأمونيا الخضراء من حيث الأثر المناخي لكل كيلوجرام منتج.

ماذا يعني ذلك لمستقبل الهيدروجين

عند النظر إلى العمل ككل، يظهر أن النيتروجين في مياه الصرف ليس مجرد مشكلة تصريف بل مورد استراتيجي. باختيار عملية الاسترداد المناسبة لكل نوع من مجاري النفايات—غالبًا غشاء الترشيح للحالات السائلة القوية جدًا—وعليه إقرانها بمفاعلات فعالة قائمة على الروثينيوم، يصبح من الممكن إنتاج كميات كبيرة من الهيدروجين الخالي من الكربون مع استعادة الأسمدة أيضًا. تبقى بعض العقبات، بما في ذلك توسيع نطاق الكهروتفريق والخطوات الكهروكيميائية، وإدارة الشوائب في المحطات على نطاق كامل، وتقليل تكلفة ونُدرة الروثينيوم. ومع ذلك، تشير التحليلات إلى أنه مع هندسة مدروسة وطاقة متجددة، يمكن أن تعمل محطات المعالجة غدًا كمصافي طاقة نظيفة، تحول ما نتصرف به إلى شريحة مهمة من إمدادات الهيدروجين العالمية.

الاستشهاد: Yang, H., Lim, S.Y., Lee, G. et al. Hydrogen production from wastewater via ammonia gas recovery. npj Clean Water 9, 25 (2026). https://doi.org/10.1038/s41545-026-00558-7

الكلمات المفتاحية: هيدروجين من مياه الصرف, استرداد الأمونيا, غشاء فصل بالترشيح الغازي, الكهروتفريق الأيوني, محفزات الروثينيوم