Or liquide : un prototype extrait une ressource précieuse de l'urine
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Un nouveau système transforme les déchets humains en un outil puissant pour une énergie et une agriculture rentables et durables dans les régions aux ressources limitées. Le prototype, décrit dans une étude menée à Stanford, récupère un Engrais précieux à partir de l'urine, en utilisant l'énergie solaire qui peut également fournir de l'énergie pour d'autres usages. Ce faisant, le système fournit un assainissement essentiel, rendant les eaux usées plus sûres à rejeter ou à réutiliser pour l'irrigation.
"Ce projet vise à transformer un problème de déchets en une opportunité de ressources", a déclaré l'auteur principal de l'étude, William Tarpeh, professeur adjoint d'ingénierie chimique à l'école d'ingénierie de Stanford. "Avec ce système, nous capturons des nutriments qui, autrement, seraient rejetés ou causeraient des dommages à l'environnement, et nous les transformons en quelque chose de précieux - de l'engrais pour les cultures - et ce, sans avoir besoin d'un accès à un réseau électrique.
L'azote est un élément clé des engrais commerciaux. Traditionnellement, il est produit à l'aide d'un processus à forte intensité de carbone et distribué dans le monde entier à partir de grandes installations industrielles, dont beaucoup sont situées dans des pays riches, ce qui entraîne des prix plus élevés dans les pays à revenu faible ou intermédiaire. Au niveau mondial, l'azote contenu dans l'urine humaine équivaut à environ 14 % de la demande annuelle d'engrais.
Le prototype sépare l'ammoniac - un composé chimique composé d'azote et d'hydrogène - de l'urine à travers une série de chambres séparées par des membranes, en utilisant l'électricité solaire pour faire passer les ions et finalement piéger l'ammoniac sous forme de sulfate d'ammonium, un engrais courant. Le réchauffement du système - en utilisant la chaleur résiduelle collectée à l'arrière des panneaux solaires photovoltaïques par l'intermédiaire d'une plaque froide en tube de cuivre - permet d'accélérer le processus en encourageant la production de gaz ammoniac, l'étape finale du processus de séparation. Les panneaux solaires produisent également plus d'électricité à des températures plus basses, de sorte que la collecte de la chaleur résiduelle permet de les maintenir au frais et de les rendre plus efficaces.
"Chaque personne produit suffisamment d'azote dans son urine pour fertiliser un jardin, mais une grande partie du monde dépend d'engrais importés coûteux", explique Orisa Coombs, auteur principal de l'étude et étudiante en doctorat d'ingénierie mécanique. "Vous n'avez pas besoin d'une usine chimique géante ni même d'une prise murale. Avec suffisamment d'ensoleillement, on peut produire de l'engrais là où on en a besoin, et éventuellement stocker ou vendre l'électricité excédentaire".
L'étude montre que l'intégration de la chaleur générée par le panneau solaire pour réchauffer le liquide utilisé dans le processus électrochimique et la gestion du courant fourni au système électrochimique ont permis d'augmenter la production d'énergie de près de 60 % et d'améliorer l'efficacité de la récupération de l'ammoniac de plus de 20 %, par rapport aux prototypes antérieurs, qui n'intégraient pas ces fonctions. L'utilisation de cette chaleur perdue est d'autant plus prometteuse qu'elle est abondante : environ 80 % de l'énergie solaire qui frappe les panneaux solaires est perdue, ce qui pourrait entraîner une surchauffe du système et un ralentissement de l'efficacité.
Les chercheurs ont également mis au point un modèle détaillé permettant de prédire comment les variations de l'ensoleillement, de la température et de la configuration électrique affectent les performances et l'économie du système. Le modèle a montré que dans des régions telles que l'Ouganda, où les engrais sont chers et l'infrastructure énergétique limitée, le système pourrait générer jusqu'à 4,13 dollars par kilogramme d'azote récupéré, soit plus du double des gains potentiels aux États-Unis.
Les chercheurs pensent que cette approche pourrait être étendue pour aider les agriculteurs et les communautés du monde entier. Les enseignements tirés de l'intégration de la chaleur résiduelle des panneaux solaires pourraient également être appliqués aux installations industrielles, telles que les stations d'épuration, capables de capter la chaleur produite lors de la production d'électricité pour alimenter toute une série d'applications.
M. Coombs travaille sur un prototype dont la capacité du réacteur sera triplée, qui sera capable de traiter beaucoup plus d'urine et qui fonctionnera plus rapidement lorsque l'ensoleillement sera plus important.
Au-delà du potentiel de récolte d'un produit précieux et de production d'énergie, cette approche est prometteuse d'un assainissement efficace. Selon les Nations unies, plus de 80 % des eaux usées ne sont pas traitées, en grande partie dans les pays à revenu faible ou intermédiaire. L'azote présent dans les eaux usées peut contaminer les nappes phréatiques et les sources d'eau potable, et provoquer la prolifération d'algues qui épuisent l'oxygène et tuent les plantes et les animaux aquatiques. En éliminant l'azote de l'urine, le système prototype rend le liquide restant plus sûr à rejeter ou à réutiliser pour l'irrigation. La possibilité d'utiliser un système autoalimenté pourrait changer la donne dans de nombreux pays où seul un petit pourcentage de la population est raccordé à des systèmes d'égouts centralisés.
"Nous considérons souvent l'eau, l'alimentation et l'énergie comme des systèmes complètement distincts, mais il s'agit de l'un des rares cas où l'innovation technique peut contribuer à résoudre plusieurs problèmes à la fois", a déclaré M. Coombs. "C'est un système propre, évolutif et littéralement alimenté par le soleil.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
Publication originale
"Prototyping and Modeling a Photovoltaic/Thermal Electrochemical Stripping System for Distributed Urine Nitrogen Recovery"; Nature Water 2025.
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