“น้ำเสีย” จากการเกษตรและอุตสาหกรรม มักมีการปนเปื้อนของ “ไนเตรต” (Nitrate) ในปริมาณมหาศาล ซึ่งเกิดจากเศษปุ๋ยที่เหลือทิ้ง ของเสียจากสัตว์ ของเสียจากโรงงานเคมี และระบบบำบัดน้ำเสีย หากมลพิษเหล่านี้ถูกปล่อยลงสู่ธรรมชาติ ก็จะสร้างความหายนะต่อระบบนิเวศท้องถิ่น เพื่อแก้ปัญหานี้ นักวิจัยจากจีนจึงได้เปลี่ยนน้ำเสียที่มีไนเตรตให้กลายเป็นปุ๋ย ซึ่งถือว่าเป็นการเปลี่ยนของเสียให้กลายเป็นของมีค่าและลดผลกระทบทางสิ่งแวดล้อม
“ไนเตรต” ที่เกินสมดุลในแหล่งน้ำ เป็นสาเหตุหลักที่ทำให้เกิด “ปรากฏการณ์สาหร่ายสะพรั่ง” ทำให้แพลงก์ตอนพืชเจริญเติบโตและรวมตัวกันอย่างรวดเร็ว ทำให้ระดับออกซิเจนลดต่ำลงจนสิ่งมีชีวิตในน้ำไม่สามารถอาศัยอยู่ได้ นอกจากนี้ ไนเตรตยังอาจปนเปื้อนในน้ำบาดาล ซึ่งส่งผลกระทบต่อสุขภาพของมนุษย์และสัตว์ โดยที่ผ่านมาการบำบัดน้ำเพื่อขจัดไนเตรตเป็นกระบวนการที่สิ้นเปลืองงบประมาณและใช้พลังงานสูงมาก
ทีมนักวิจัยจากประเทศจีนเล็งเห็นว่า ไนเตรตเหล่านี้มีไนโตรเจนเป็นองค์ประกอบหลัก ซึ่งเป็นส่วนประกอบสำคัญของปุ๋ย และสามารถทำไปผลิตเป็น “แอมโมเนีย” สารเคมีทางอุตสาหกรรมที่สำคัญที่สุดชนิดหนึ่งของโลก ใช้ในการผลิตปุ๋ยยูเรีย วัตถุระเบิด สารเคมี สารทำความเย็น และอาจเป็นระบบพลังงานไฮโดรเจนในอนาคต จึงเกิดแนวคิดที่จะเปลี่ยนทรัพยากรที่ถูกทิ้งขว้างนี้ให้กลายเป็นสิ่งที่มีค่า
กระบวนการผลิตแอมโมเนียจากน้ำเสีย เริ่มต้นจากการนำน้ำเสียที่มีการปนเปื้อนของไนเตรตสูงจากภาคการเกษตรและอุตสาหกรรมมาเข้าสู่ระบบการเปลี่ยนทรัพยากร โดยใช้เทคโนโลยีการรีดักชันด้วยเคมีไฟฟ้า (Electrochemical reduction) ที่สามารถทำงานได้ในอุณหภูมิห้อง ซึ่งแตกต่างจากการผลิตแอมโมเนียทั่วไปที่ใช้กระบวนการฮาเบอร์-บ็อช ซึ่งต้องใช้ความร้อนและแรงดันสูงมาก โดยอาศัยก๊าซธรรมชาติเป็นเชื้อเพลิง ซึ่งบริโภคพลังงานสูงถึง 1-2% ของการใช้พลังงานทั่วโลก
วิธีนี้ใช้ “ตัวเร่งปฏิกิริยาอะตอมคู่” (Dual-atom catalyst หรือ DAC) ในการเปลี่ยนโครงสร้างทางเคมี โดยใช้นนวัตกรรมที่พัฒนาด้วยเอไอค้นหาคู่โลหะที่เหมาะสมที่สุดมาทำหน้าที่ร่วมกัน เหมือนเป็นทีมทำงานในระดับอะตอม เพื่อช่วยในการถ่ายโอนอิเล็กตรอนและสลายพันธะเคมีของไนเตรตให้กลายเป็นแอมโมเนีย
ผลการทดสอบพบว่า ตัวเร่งปฏิกิริยาใหม่นี้มีความสามารถในการรับโหลดโลหะ (Metal Loadings) ได้สูงถึง 12.8-30.7% โดยน้ำหนัก ซึ่งสูงกว่ามาตรฐานเดิมมากกว่า 4 เท่า
กระบวนการนี้มีประสิทธิภาพสูงกว่าตัวเร่งปฏิกิริยาแบบเดิมเกือบ 3 เท่า ทำให้สามารถสกัดแอมโมเนียออกมาได้ในปริมาณมากขึ้น และมีของเสียเหลือทิ้งน้อยกว่าการใช้พลังงานที่ต่ำกว่ากระบวนการฮาเบอร์-บ็อช ซึ่งแอมโมเนียที่ได้นี้จะทำหน้าที่เป็นสารตั้งต้นสำคัญที่นำไปผสมกับคาร์บอนไดออกไซด์เพื่อผลิตเป็นปุ๋ยยูเรียสำหรับเกษตรกรรมต่อไป นับเป็นการเปลี่ยนมลพิษทางน้ำให้กลายเป็นสารบำรุงพืชที่สร้างความมั่นคงทางอาหารได้อย่างยั่งยืน
ฮาน ลิลี่ และคณะจากสถาบันวิจัยโครงสร้างสสารฝูเจี้ยน ภายใต้สถาบันบัณฑิตวิทยาศาสตร์จีน ได้ใช้ปัญญาประดิษฐ์และการเรียนรู้เชิงลึก ในการค้นหาคู่โมเลกุลโลหะที่เหมาะสมที่สุดสำหรับภารกิจนี้ โดยการใช้เอไอช่วยลดระยะเวลาในการลองผิดลองถูกไปได้อย่างมหาศาล โดยทีมวิจัยสามารถสร้างตัวเร่งปฏิกิริยาที่ออกแบบมาอย่างแม่นยำได้ถึง 14 ชนิด จากธาตุหายากต่าง ๆ เช่น อิตเทรียม สแกนเดียม และแลนทาโนด์
การค้นพบนี้ มีความสำคัญอย่างยิ่งต่อความมั่นคงทางอาหาร เนื่องจากในปัจจุบันราคาปุ๋ยยูเรียทั่วโลกผันผวนตามราคาก๊าซธรรมชาติ ตัวอย่างเช่น อินเดียที่ต้องแบกรับราคาปุ๋ยที่พุ่งสูงขึ้นเกือบเท่าตัวในเวลาเพียง 2 เดือน จากสงครามสหรัฐ-อิหร่าน
เทคโนโลยีนี้ถือเป็น “ตัวเปลี่ยนเกม” ที่จะช่วยสร้างการผลิตปุ๋ยแบบหมุนเวียน ลดการพึ่งพาพลังงานฟอสซิลและวัตถุดิบนำเข้า สร้างความแข็งแกร่งให้กับซัพพลายเชนปุ๋ยโลก แม้ว่าความสำเร็จนี้จะยังจำกัดอยู่ในระดับห้องปฏิบัติการและจำเป็นต้องพิสูจน์ผลลัพธ์ในระดับการผลิตจริง พร้อมสามารถแก้ปัญหามลพิษทางน้ำและวิกฤติพลังงานไปพร้อม ๆ กัน
ที่มา: Interesting Engineering, South China Morning Post, Wiley Advanced