Многофункциональное применение цеолита для удаления аммония и снижения выбросов аммиака в сточных водах, фильтратах трупов и на рисовых полях

Почему важно очищать невидимый азот

Большая часть мирового продовольственного обеспечения зависит от азотных удобрений, но тот же азот может превратиться в скрытый загрязнитель, если попадёт в воду или воздух. Чрезмерное количество аммония в реках и озёрах способствует цветению водорослей и гибели рыбы, а аммиак из почв ферм ухудшает качество воздуха и приводит к потере ценного удобрения. В этом исследовании рассматривают, может ли обычный природный минерал — цеолит — выступать в роли многоразовой губки для лишнего азота: очищать сточные воды, задерживать загрязнения от разлагающихся трупов животных и сокращать потери аммиака с рисовых полей.

Камень, который ведёт себя как губка

Цеолиты — вулканические минералы с клеточной структурой, полной мелких каналов, которые могут удерживать и обменивать заряженные частицы, такие как ионы аммония. Исследователи сначала подробно изучили природный цеолит клиноптилолит. С помощью микроскопов и химических тестов они подтвердили, что у него шероховатая пористая поверхность, большая внутренняя площадь и множество отрицательно заряженных участков — свойства, которые делают его пригодным для захвата положительно заряженных ионов аммония. Они также измерили, как термическая обработка изменяет минерал, поскольку нагрев часто используется для «активации» материалов и повышения их эффективности.

Поиск оптимума для очистки воды

Команда проверяла, насколько хорошо цеолит удаляет аммоний из синтетических сточных вод. Они обнаружили, что минерал работает быстро: большая часть аммония захватывалась в течение 30 минут, а максимальное количество, которое он мог удержать, составляло около 10 миллиграммов на грамм цеолита. Тщательный анализ показал, что аммоний не просто прилипает единым ровным слоем; напротив, он связывается в нескольких слоях на неровных участках поверхности, а процесс ведёт себя как химическая реакция, а не простое физическое захватывание. При нагреве цеолита до 300 °C его работоспособность оставалась примерно такой же, но при более высоких температурах кристаллическая решётка начала разрушаться. К 900 °C минерал почти полностью утратил способность захватывать аммоний, что означает: нетронутый, «первозданный» цеолит на самом деле лучше всего подходит для очистки воды.

Работа с фильтратом от трупов сельскохозяйственных животных

Утилизация погибших животных после эпидемий может приводить к образованию могильников, из которых в окружающую почву и грунтовые воды вытекает жидкость, богатая азотом. Исследователи смоделировали фильтрат от термохимически обработанных трупов свиней и смешали его с цеолитом. При начальном содержании аммония около 50 миллиграммов на литр доза цеолита, равная 20% массы трупа, удаляла более 84% аммония, а увеличение дозы до 40% доводило удаление почти до 90%. Умеренный нагрев цеолита (примерно 300–500 °C) слегка улучшал его работу в этой сложной жидкости, но сильный нагрев снова повреждал минерал. Эти результаты указывают на то, что барьеры, заполненные цеолитом, можно разместить вокруг могильников, чтобы перехватывать и очищать заражённые грунтовые воды до того, как они распространятся.

Сокращение потерь удобрений и запаха аммиака с рисовых полей

В исследовании также оценивали выбросы аммиака с залитой водой почвы, удобренной мочевиной, обычным азотным удобрением. В небольших контролируемых рисовых коробках команда рассыпала разные количества цеолита по поверхности почвы до затопления и внесения удобрения. В течение 12 дней собирали аммиак, который улетучивался в виде газа. По мере потепления погоды выбросы увеличивались, но участки с цеолитом постоянно теряли в воздух меньше азота. Наибольшая протестированная доза (30 граммов в камеру) снизила суммарные потери аммиака примерно на 46% по сравнению с почвой без цеолита. Поскольку количество аммония, фактически удержанное цеолитом в этой модели, было значительно ниже его лабораторной ёмкости, авторы предполагают, что реальные поля, вероятно, получат выгоду, не насыщая минерал.

Что это значит для ферм и чистой воды

Проще говоря, эта работа показывает, что недорогой природный материал может помочь удерживать ценный азот, не давая ему вытекать или испаряться. Нетронутый клиноптилолитовый цеолит быстро очищает аммоний из сточных вод и фильтратов трупов и может заметно сократить выделение аммиака с рисовых полей. Это означает чище реки, меньше запахов и примесей в воздухе и более рациональное использование удобрений, за которые фермеры уже заплатили. Эксперименты проводились в лабораторных условиях и в моделированных полевых условиях, поэтому необходимы долгосрочные полевые испытания, но исследование указывает на цеолит как на практичный инструмент для более устойчивого управления азотом в сельском хозяйстве и очистке отходов.

Цитирование: Lee, JI., Lee, CG., Hong, SC. et al. Multifunctional application of zeolite for ammonium removal and ammonia emission mitigation in wastewater, carcass leachate, and paddy. Sci Rep 16, 6327 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-37062-4

Ключевые слова: цеолит, загрязнение аммиаком, очистка сточных вод, фильтрат трупов сельскохозяйственных животных, выбросы с рисовых полей