Performance of a Two-Stage Ammonia Removal Technology Based on Advanced Oxidation Processes: Effects of Operating Conditions

Lucht die naar ammoniak ruikt, is meer dan alleen een onaangename overlast; het is een belangrijke bijdrager aan milieuschade. Wanneer dit gas, voornamelijk afkomstig van landbouwactiviteiten, in de atmosfeer wordt vrijgegeven, helpt het bij de vorming van fijnstof dat de luchtkwaliteit verslechtert, bodems en water verzuurt en zorgt voor een nutriëntenoverbelasting in ecosystemen. Nu de milieuvoorschriften strenger worden, is de uitdaging niet alleen om dit gas uit afvalstromen te verwijderen, maar om dit te doen zonder nieuwe problemen te creëren, zoals dure afvalwaterzuivering of hoge energiekosten. Wetenschappers kijken al lang naar geavanceerde oxidatieprocessen als een oplossing. Dit zijn methoden die krachtige chemische reacties gebruiken, vaak getriggerd door licht, om verontreinigende stoffen af te breken. Het doel is om schadelijke ammoniak om te zetten in stabiele, geoxideerde vormen van stikstof die potentieel kunnen worden opgevangen en hergebruikt, waardoor een afvalproduct wordt omgezet in een grondstof.

Een team van onderzoekers aan de Technische Universiteit van Ostrava en het bedrijf Dekonta heeft een specifiek tweestapsysteem getest dat ontworpen is om dit probleem aan te pakken. Hun werk richt zich op een technologie die eerst ultraviolet licht gebruikt om ammoniakhoudende lucht te behandelen, en vervolgens de opgevangen verbindingen naar een vloeibare fase verplaatst waar ze worden behandeld met waterstofperoxide en meer licht. De onderzoekers wilden precies begrijpen hoe de operationele omstandigheden van dit systeem de effectiviteit van de verwijdering van ammoniak beïnvloeden en welke specifieke stikstofverbindingen er achterblijven. Ze waren vooral geïnteresseerd in de vraag of ze het proces konden beheersen om nuttige, terugwinbare stikstofsoorten te produceren in plaats van een mengsel van ongewenste bijproducten.

Het experiment begon met lucht die ammoniak bevatte, die werd gegenereerd door lucht door een oplossing van ammoniumhydroxide te blazen. Deze lucht ging eerst de eerste fase van het systeem binnen, een roestvrijstalen reactor uitgerust met laagdruk kwiklampen die ultraviolet licht op specifieke golflengten uitzenden. De onderzoekers ontdekten dat de aanwezigheid van waterdamp in deze fase cruciaal was. Wanneer de lucht werd bevochtigd, verbeterde de verwijdering van ammoniak aanzienlijk. Dit suggereert dat waterdamp helpt bij het creëren van de reactieve soorten die nodig zijn om de ammoniak af te breken. Zelfs zonder het ultraviolette licht werd een deel van de ammoniak simpelweg verwijderd door absorptie in het water, maar het licht maakte het proces veel effectiever. Deze eerste fase bewees dat gecontroleerde vochtigheid een sleutelfactor is bij de voorbereiding van de ammoniak voor de volgende stap.

De tweede fase van de technologie is waar de werkelijke transformatie plaatsvindt. De lucht, die nu de producten van de eerste fase met zich meedraagt, beweegt naar een natte scrubber en gaat vervolgens door een reeks buisreactoren. Hier gebruikt het systeem een oplossing van waterstofperoxide, wat een sterk oxiderend middel is, gecombineerd met ultraviolet licht. Deze combinatie genereert hydroxylradicalen, wat zeer reactieve moleculen zijn die de ammoniak-afgeleide verbindingen in het water aanvallen. De onderzoekers ontdekten dat de manier waarop zij waterstofperoxide toevoegden, er groot toe deed. Het vaker toevoegen ervan hield een constante aanvoer van het oxidatiemiddel beschikbaar, wat het proces efficiënter maakte. Ze observeerden ook dat de hoeveelheid ammoniak die het systeem binnenkwam, de uitkomst veranderde. Wanneer de initiële ammoniaklast hoger was, produceerde het systeem meer geoxideerde stikstof, maar de balans verschoof. In plaats van alles om te zetten in nitraat, een stabiele vorm van stikstof, liet het proces meer nitriet achter. Dit geeft aan dat het systeem bij hogere ammoniakniveaus moeite heeft met het voltooien van de laatste stap om nitriet in nitraat om te zetten.

Het team moest ook een praktische hindernis overwinnen bij hun metingen. Aanvankelijk probeerden ze de resterende ammoniak direct in het water te meten met een standaard chemische test, maar ze merkten dat de waterstofperoxide in de oplossing de resultaten verstoorde, waardoor de gegevens onbetrouwbaar werden. Om dit te omzeilen, maten ze de totale hoeveelheid stikstof in het water en volgden ze de specifieke hoeveelheden nitriet en nitraat. Door naar de balans van deze verbindingen te kijken, konden ze nauwkeurig bepalen hoeveel ammoniak er was omgezet. Ze ontdekten dat het simpelweg langer laten staan van het water in de reactoren niet automatisch de resultaten verbeterde. Deze bevinding onderstreept dat de fysieke beweging van de vloeistof en de beschikbaarheid van het oxiderende middel even belangrijk zijn als de tijd dat het licht op het mengsel schijnt.

De studie concludeert dat hoewel de tweestaps-technologie effectief is, deze zorgvuldige afstemming vereist om optimaal te functionelen. De onderzoekers vonden dat het bevochtigen van de lucht in de eerste fase de prestaties een boost geeft, en dat de strategie voor het toevoegen van waterstofperoxide in de tweede fase de efficiëntie van de reactie bepaalt. Echter, het systeem heeft een limiet: wanneer er te veel ammoniak wordt geïntroduceerd, neigt het proces naar de vorming van nitriet boven nitraat. De auteurs suggereren dat toekomstige verbeteringen zich moeten richten op het optimaliseren van de doorstroming en de chemische condities om de conversie volledig naar nitraat te duwen, om zo de maximale hoeveelheid stikstof in een stabiele, nuttige vorm terug te winnen. Dit werk biedt een duidelijk stappenplan voor het verfijnen van een technologie die kan helpen de lucht te zuiveren terwijl waardevolle hulpbronnen uit afval worden teruggewonnen.