تحسين جودة الهواء ومعالجة النظام البيئي

هناك ميل إلى التركيز بشكل كبير على كيفية مساهمة ثاني أكسيد الكربون (CO₂) والميثان (CH4) في الغازات الدفيئة، ولكن من المقدر أن تكون أكاسيد النيتروجين أقوى بنحو 300 مرة من ثاني أكسيد الكربون من حيث تأثيرها على تغير المناخ.

مصادر التلوث بأكسيد النيتروجين

تعد أكاسيد النيتروجين (NOx = NO + NO2) مكونًا رئيسيًا لتلوث الهواء، وهو سبب رئيسي للوفاة المبكرة بين البشر وانخفاض التنوع البيولوجي في جميع أنحاء العالم. وتعد هذه الغازات من أهم مكونات تلوث الهواء، ووفقا لمنظمة الصحة العالمية، فإن أكاسيد النيتروجين مسؤولة عن وفاة واحدة من كل ثماني حالات وفاة مبكرة في جميع أنحاء العالم.

يتم تصنيف ثاني أكسيد النيتروجين (NO₂) على أنه مادة شديدة الخطورة، وتخضع لمتطلبات الإبلاغ الصارمة من قبل المنشآت التي تنتجه أو تخزنه أو تستخدمه بكميات كبيرة. أبرز مصادر التلوث بـ NO₂ تأتي من:

  محركات الاحتراق الداخلي

دخان السجائر وسخانات البيوتان والكيروسين

التربة الزراعية شديدة التسميد

العمال الزراعيون المعرضون لأكسيد النيتروجين المتصاعد من الحبوب المتحللة في الصوامع

التغيرات اليومية الصغيرة في ثاني أكسيد النيتروجين يمكن أن تسبب تغيرات في وظائف الرئة. يمكن أن يؤدي التعرض المزمن لثاني أكسيد النيتروجين إلى تأثيرات تنفسية بما في ذلك التهاب مجرى الهواء لدى الأشخاص الأصحاء وزيادة أعراض الجهاز التنفسي لدى الأشخاص المصابين بالربو.

يشكل التعرض المهني لثاني أكسيد النيتروجين أعلى مخاطر التسمم وغالبًا ما يكون مرتفعًا بالنسبة لـ ;

المزارعين، وخاصة أولئك الذين يتعاملون مع الحبوب الغذائية

رجال الإطفاء والعسكريون، وخاصة الضباط الذين يتعاملون بالمتفجرات.

عالية لحام القوس

ضباط المرور

موظفي الفضاء

عمال المناجم و

الأفراد الذين لديهم مهن مرتبطة بحمض النيتريك.

تربية الحيوانات

المجترات عبارة عن محولات ضعيفة للنيتروجين، لأن حوالي 5 - 30٪ فقط من النيتروجين المبتلع يمتصه الحيوان والنسبة المتبقية 70 - 95٪ تفرز عن طريق البراز والبول. ونتيجة لذلك، فإن أحمال النيتروجين في الفضلات الحيوانية، غالبًا ما تتجاوز احتياجات النباتات وتكون عرضة للخسائر عن طريق الانبعاثات الغازية والترشيح.

  يأتي تلوث الهواء في هذا القطاع من الزراعة من تطاير النيتروجين إلى الأمونيا (NH3) وأكسيد النيتروز (N2O) من السماد. لقد أحدثت إعادة تدوير النيتروجين من خلال السماد تأثيرًا كبيرًا على البيئة، نظرًا للزيادة الكبيرة في إنتاج السماد منذ عصر ما قبل الصناعة (~ 120 تيراغرام نيتروجين في السنة). تشكل انبعاثات النيتروجين التفاعلي الزراعي، وخاصة الأمونيا (NH3)، الجزء الأكبر من انبعاثات النيتروجين التفاعلي المنبعثة إلى الغلاف الجوي. تساهم انبعاثات النيتروجين التفاعلية من السماد والأسمدة الاصطناعية بشكل كبير في تدهور جودة الهواء: تؤدي انبعاثات أكاسيد النيتروجين إلى إنتاج كبير للأوزون وتؤثر انبعاثات الأمونيا على PM10 وPM2.5 في الغلاف الجوي. تعد الانبعاثات الزراعية للأمونيا أكبر فئة مصدر لـ PM2.5 في أجزاء كبيرة من العالم. يمارس ترسب النيتروجين الناتج عن تطبيقات السماد والأسمدة الاصطناعية تأثيرًا كبيرًا على دورة الكربون في الغلاف الجوي من خلال تأثيره على نمو النباتات.

كشفت الدراسات أن كفاءة استخدام النيتروجين من قبل الأبقار المرضعات تتراوح بين 8.96 و27.82% في كولومبيا، والتي وفقًا لعدد الحيوانات لكل وحدة مساحة يمكن أن تولد انبعاثات كبيرة تصل إلى 374 كجم من النيتروجين هكتار-1 سنة. −1 من السماد.

التربة الزراعية وتخزين الحبوب

في حين أن الزراعة مصدر مهم لأكاسيد النيتروجين، فإن استراتيجيات الحد من الانبعاثات غير المحددة سوف تحتاج إلى دمج علاجات إدارة التربة التي تختلف جوهريا عن مصادر الوقود الأحفوري.

ففي ولاية كاليفورنيا على سبيل المثال، وجد أن الأراضي الزراعية المخصبة تمثل 20 إلى 32% من إجمالي انبعاثات أكاسيد النيتروجين من جميع قطاعات الولاية، في حين تمثل التربة الطبيعية 5 إلى 9%. تم تحديد النقاط الساخنة المكانية لانبعاثات أكاسيد النيتروجين المرتفعة في المناطق الجنوبية من الولاية، حيث تم تحديد النقاط الساخنة للانبعاثات في المناطق التي يكون فيها المناخ حارًا وجافًا نسبيًا. ومع الاتجاه المتزايد لارتفاع درجات الحرارة في جميع أنحاء العالم، من المتوقع أن يؤثر هذا الارتفاع المتأثر بالمناخ في انبعاثات أكاسيد النيتروجين على مناطق بعيدة شمالًا مثل دول الشمال، حيث تصل درجات الحرارة إلى مستويات عالية غير مسبوقة في الصيف.

تشير التقديرات إلى أن التربة الزراعية المعتمدة على الأسمدة مسؤولة عن حوالي 30% من مصادر أكاسيد النيتروجين العالمية. على النقيض من التدفق العالي من التربة الزراعية المخصبة (~ 19.8 كجم من N ha−1 سنة−1)، فإن انبعاثات أكاسيد النيتروجين من النظم البيئية الطبيعية أقل بكثير (حوالي 1.0 كجم من N ha−1 سنة−1). عندما يتم تنفيذ الأسمدة المعدنية حصريًا، على سبيل المثال، استخدام أشكال مختلفة من الأسمدة (على سبيل المثال، الأسمدة بطيئة الإطلاق) أو خفض تطبيقات النيتروجين واستخدام الزراعة الدقيقة لاستهداف المراحل التنموية، تشير هذه الأساليب إلى انخفاض خسائر الأسمدة النيتروجينية من تربة الأراضي الزراعية. وفي السيناريوهات التي تم فيها تطبيق التعديلات العضوية، مع الفصل بين توقيت تطبيق النيتروجين المعدني والأسمدة العضوية، لوحظ انخفاض انبعاثات أكاسيد النيتروجين.

تشير هذه الملاحظة إلى الدور الحاسم لمدخلات النيتروجين في الأسمدة، في تعزيز معدل انبعاث أكاسيد النيتروجين من ميكروبات التربة وتشير إلى الحاجة الملحة لاستراتيجيات معالجة أكثر ذكاءً وفعالية. إن نفس الأسمدة المستخدمة لتسريع نمو المحاصيل ستكون بدورها المصدر نفسه لتدهور المحاصيل وانخفاض التنوع البيولوجي، حيث تؤدي زيادة أكاسيد النيتروجين إلى زيادة الأمطار الحمضية، في وقت حيث تؤدي التغيرات في أنماط المناخ إلى ندرة هطول الأمطار. إذا أصبحت المياه المتاحة للمحاصيل أقل، فيجب على الأقل ألا تكون ملوثة أو ضارة للإنسان والأنظمة البيئية بشكل عام. على وجه الخصوص، نظرًا لأن انبعاثات أكاسيد النيتروجين هي الأكثر شيوعًا، عندما يكون محتوى مياه التربة أقل من السعة الميدانية وأكسيد النيتروز في السيناريوهات التي يكون فيها محتوى مياه التربة أعلى من السعة الميدانية، على سبيل المثال. أثناء الفيضانات الناجمة عن هطول الأمطار الغزيرة المفاجئة.

من ندرة الأمطار إلى زيادتها المفاجئة، تعمل جميع الجوانب على تسريع انبعاثات أكاسيد النيتروجين في مناخ غير منتظم متزايد باستمرار، وهذا له عواقب على كل من البشر والأنظمة البيئية.

العواقب الصحية والبيئية والاقتصادية

يمكن أن يؤدي تفاعل ثاني أكسيد النيتروجين وأكاسيد النيتروجين الأخرى مع الماء والأكسجين والمواد الكيميائية الأخرى في الغلاف الجوي إلى تكوين أمطار حمضية تضر بالنظم البيئية الحساسة مثل البحيرات والغابات. يمكن أن تؤدي المستويات المرتفعة من ثاني أكسيد النيتروجين أيضًا إلى الإضرار بالنباتات، وتقليل النمو، وتقليل إنتاجية المحاصيل.

يعتمد معدل انبعاث الغازات الضارة (أكاسيد النيتروجين وأكسيد النيتروز) والنيتروجين الخامل من التربة بشكل كبير على توافر النيتروجين ورطوبة التربة ودرجة الحرارة. تعتبر خسائر الأسمدة النيتروجينية مكلفة للمزارعين وتحمل تكاليف اقتصادية تقدر في دول مثل الولايات المتحدة بحوالي 210 مليار دولار سنويًا من الأضرار الصحية والبيئية. وبالتالي فإن الحد من انبعاثات أكاسيد النيتروجين يوفر وضعًا مربحًا للمزارعين والصحة البيئية والاقتصاد.

تم ربط غازات أكاسيد النيتروجين بأمراض الجهاز التنفسي العلوي والربو والسرطان والعيوب الخلقية وأمراض القلب والأوعية الدموية ومتلازمة موت الرضع المفاجئ. NO2 قابل للذوبان بشكل طفيف في الماء، وعند استنشاقه، ينتشر إلى الرئة ويتحلل ببطء إلى حمض النيتروز والنيتريك، مما يسبب بعد ذلك أمراض الرئة وتلف الرئة، وعند التعرض المزمن، يمكن أن يكون قاتلاً. كما أن لثاني أكسيد النيتروجين تأثيرات سلبية على القدرة الإنجابية وفي حالات خطيرة يؤدي إلى الإصابة بالسرطان.

أما بالنسبة للحياة المائية، فإن النيتروجين التفاعلي قابل للذوبان ويمكن أن يشق طريقه بسهولة إلى المجاري المائية عبر الجريان السطحي حيث يشجع نمو النباتات، مما يؤدي في بعض الأحيان إلى "تكاثر الطحالب" التي تقلل مستويات الضوء والأكسجين في الماء. وهذا يغير المجتمعات النباتية ويقتل الأسماك، مما يخلق "مناطق ميتة" بحرية. وهذا له عواقب وخيمة على التنوع البيولوجي وسبل العيش المحلية.

ومن الواضح أن تلوث الهواء، والصحة، والمناخ ينبغي أن تؤخذ في الاعتبار بشكل مشترك، في تقييم مدى تأثير ممارسات الزراعة واحتراق الوقود على انبعاثات أكسيد النيتروجين التفاعلية.

وقد قدرت الدراسات أن الفائدة من تقليل انبعاثات الأمونيا عن طريق تقليل الوفيات المبكرة قد تصل إلى 14.837 مليون يورو. في المقابل، قدرت التكاليف السنوية للخيارات المعاصرة لخفض انبعاثات الأمونيا (العلف منخفض النيتروجين، وتخزين السماد المغطى، واستخدام سماد اليوريا، وإسكان الحيوانات منخفض الانبعاثات) بحوالي 4.307 مليار يورو.

ومن خلال استراتيجيات ذكية ومستدامة وفعالة من حيث التكلفة، يمكن احتواء انبعاث الغازات النيتروجينية مع تحقيق المياه النظيفة، وبيئات الهواء غير الملوثة، والمنتجات الزراعية الأكثر صحة. أما بالنسبة لقطاع الوقود الأحفوري، فإن احتجاز أكاسيد النيتروجين بشكل أكثر كفاءة من هذه المصادر أمر ضروري بشكل عادل.

وبالنظر إلى حقيقة أن الفوائد الاقتصادية لتحسين نوعية الهواء والمياه تفوق بشكل كبير تكاليف تدابير خفض الانبعاثات، هناك أسباب جوهرية لإعطاء الأولوية للحد من انبعاثات النيتروجين، من المصادر الزراعية والمرورية والمنزلية والصناعية.

علاجنا

نقترح استخدام مواد حيوية نانوية ذات مساحة سطحية كبيرة غير سامة ومتوافقة بيئيًا، والتي يمكن استخدامها بكميات صغيرة مباشرة

تمتص كميات كبيرة من هذه الملوثات من الغلاف الجوي، وخاصة في المصادر ذات التركيز العالي مثل المزارع، للحد من انتشارها ومستويات أكاسيد النيتروجين التي تقل بكثير عن العتبات الضارة.

الاحتفاظ بالنيتروجين لفترات أطول في التربة وزيادة التوافر البيولوجي للنباتات وبالتالي تقليل الاستخدام المتكرر والمفرط للأسمدة

موازنة درجة حموضة التربة لتقليل الحموضة والحفاظ على التنوع البيولوجي دون إحداث ميل في التوازن الكيميائي البيئي

ECO - RN

اللون: مسحوق نانو أبيض

مساحة السطح (BET) : 35930 م²/كجم

متوسط امتصاص أكاسيد النيتروجين: تقريبًا. 9473 ملجم من أكاسيد النيتروجين لكل جرام من المادة الحيوية النانوية

متوسط الجرعة في الطلاءات* (على سبيل المثال في أنظمة المداخن، على جدران المباني، صوامع البذور، الحظائر الحرة وجدران تخزين السماد): ~ 0.2 جرام لكل لتر

متوسط الجرعة لكل م3 من السماد: 2 جم

1 متر مكعب (م3) من السماد = 400 كجم

متوسط الجرعة في مياه ري التربة (لـ ~ 19.8 كجم من N ha−1 سنة−1) *: 0.0004 بالوزن٪ (أي 0.1 جم لكل 25 لتر) - سنويًا أو 1.09 كجم لكل هكتار، سنويًا. (مزيد من المعلومات في قسم التطبيقات أدناه)

يتم ري 1 هكتار تقريبًا. 250,000 لتر من الماء

التطبيقات:

مادة ماصة نانوية فعالة لـ NO2 وNH3 والبروبيونالدهيد والبنزالدهيد وثنائي ميثيل أمين وN-nitrosodiethylamine والميثانول. قمع الدخان ومثبطات اللهب.

عند التفاعل مع NO2، يتكون خليط من النترات (NO3)، NO والنيتروجين (N) سطح مادة حيوية نانوية. NO3 هو نوع مستقر حرارياً يتحلل عادة عند درجات حرارة تتراوح بين 177 و327 درجة مئوية.

عندما ترتبط هذه المواد الممتزة بسطح المادة الحيوية النانوية، يتم الاحتفاظ بأنواع ثاني أكسيد النيتروجين على سطح المادة الحيوية النانوية حتى درجة حرارة تصل إلى حوالي 327 درجة مئوية، ويميل NO3 إلى الاستقرار عند درجات حرارة تصل إلى 527 درجة مئوية.

وهذا يعني أن المادة الحيوية النانوية يمكنها الاحتفاظ بأكاسيد النيتروجين للمساعدة في تقليل الانبعاثات الناتجة عن السماد

تعتبر النترات (NO3) الموجودة في التربة المصدر الأساسي للنيتروجين الضروري لنمو النبات. في الأساس، تمتص جذور النباتات النترات من أجل نمو صحي. وهم بحاجة إلى النترات لإنتاج الأحماض الأمينية التي تُستخدم بعد ذلك لتكوين البروتينات. إنه ينظم عملية التمثيل الغذائي للنيتروجين بشكل عام ويوفر النيتروجين دون انقطاع لتخليق الكلوروفيل الحيوي. وهذا يجعل الاستقرار الحراري لأكاسيد النيتروجين الممتصة مهمًا للأسباب التالية:

أ) يمكن الحد من معدلات انبعاث أكاسيد النيتروجين في المناخات الحارة وحالات الجفاف

ب) بسبب الطبيعة العالية للذوبان والتحلل الحيوي لأنواع الأسمدة NO3 المرتبطة بسطح المادة الحيوية النانوية، حيث تعمل الحويصلات كأنظمة تخزين النترات. ومن ثم يتم الاحتفاظ بسماد NO3 في التربة عبر سطح المادة الحيوية النانوية لفترات أطول على مدار العام في آلية إطلاق متأخرة.

إن التوافر الممتد لـ NO3 يقلل من الحاجة إلى الاستخدام المتكرر للأسمدة ويوفر للمزارعين ملايين الدولارات، ويحافظ على صحة التربة، وينقي الهواء، ويعيد التوازن في النظام البيئي.

تم تصميم هذا النهج للحفاظ على النيتروجين في التربة لفترة أطول وإطلاقه ببطء إلى النباتات بمرور الوقت من خلال آليات الانتشار حيث يتضاءل محتوى النيتروجين في التربة المحيطة، بدلاً من انبعاثه في الغلاف الجوي باعتباره ملوثًا ضارًا للهواء من أكاسيد النيتروجين.

من المحتمل أيضًا أن يؤدي الارتباط بمادة حيوية نانوية معدنية غير قابلة للذوبان في الماء إلى تقليل الجريان السطحي المفرط للنيتروجين في المجاري المائية وتقليل التلوث المائي.

تقليل حموضة التربة.

تقليل الرائحة في أكوام السماد والتربة

تعديل التربة، ومكيف التربة

عامل مضاد للأمراض ضد البكتيريا سالبة الجرام (E. coli) والموجبة الجرام (S. aureus)، والفطريات Aspergillus niger وPenicillium oxalicum (~ 150 - 250 ميكروجرام/مل أو 0.15 إلى 0.25 جرام لكل لتر)

يحتوي على عنصر أساسي لمعظم النظم البيولوجية، والذي يصبح متاحًا للمجموعات الميكروبية في التربة والمياه الجوفية أثناء معالجة المعادن، كميزة إضافية.

ECO-R3

الهندسة النانوية: صفائح/رقائق مصممة ذريًا (سمكها أقل من 1 نانومتر)

مساحة السطح (BET) : 49550 م2/كجم

اللون: أسود/بني مسود

متوسط امتصاص أكاسيد النيتروجين: تقريبًا. 46.4 ملجم من أكاسيد النيتروجين لكل جرام من المادة الحيوية النانوية

متوسط الجرعة في الطلاءات* (على سبيل المثال على جدران المباني، والمزارع الداخلية، وصوامع البذور، والحظائر الحرة، وجدران تخزين السماد): اعتمادًا على مستويات الانبعاثات

متوسط الجرعة في مياه ري التربة (لحوالي 19.8 كجم من N ha−1 سنة−1)*: 0.00044 بالوزن٪ (أي 0.11 جم لكل 25 لتر) - سنويًا

التطبيقات :

يساعد على زيادة نمو النبات وتطوره، ويعزز قدرة النبات على تحمل الإجهاد وتوفير العناصر الغذائية

المعادن الثقيلة: إزالة الأسرنيك، إزالة النحاس عند درجة حموضة منخفضة، الأكتينيدات، مادة ماصة النانو لثاني أكسيد النيتروجين

الزيوت والمركبات الكيميائية الضارة: يسرع إزالة الزيت في مستحلب زيت الماء، وكسح الأسفلتين، وإزالة السموم من المذيبات العضوية المكلورة.

المبيدات الحشرية والبقايا الصيدلانية: إزالة سموم المبيدات العضوية الكلورية وثنائي الفينيل متعدد الكلور (PCBs) وإزالة المضادات الحيوية مثل بيبيراسيلين (PIP)، تازوباكتام (TAZ)، سلفاميثوكسازول (SUL)، التتراسيكلين (TET)، تريميثوبريم (TRI)، الأمبيسيلين ( AMP) والإريثروميسين (ERY) في الوسائط المائية.