Tonåring omvandlar vattenföroreningar till en växtgödsel

February 11, 2022 paramo Svenska Artiklar 0

WASHINTON, DC — Bönder gödslar sina skördar för att öka storleken på sina skördar. Men när de använder för mycket gödsel rinner en del av det i närliggande floder och sjöar. Det kan vara en fara för livet där. Stefan Wan, 17, utvecklade en metod för att suga upp en del av detta överskott innan det kan orsaka skada. Och hans metod suger inte bara upp dessa kemikalier – den frigör dem också. Det betyder att gödselmedlet kan användas igen.

Senior vid Alexander W. Dreyfos School of the Arts i West Palm Beach, Florida, visade upp sin teknik för återvinning av gödselmedel på Regeneron Science Talangsökning. Varje år samlar den här tävlingen 40 seniorer från hela landet för att visa upp sina vetenskapliga projekt för allmänheten. Tonåringarna tävlar också om nästan 2 miljoner dollar i priser. Tävlingen drivs av Society for Science & the Public och sponsras av Regeneron, ett företag som utvecklar läkemedel. (Society for Science & the Public publicerar också Science News for Students och den här bloggen.)

Stefan har alltid haft ett vetenskapsfyllt liv. Hans mor, Jianchang Cai, är ingenjör, och hans far, Yongshan Wan, är en vetenskapsman som studerar jord. Men tonåringen blev inte passionerad för naturvetenskap förrän i 10

klass, när han tog kemi. “Jag blev kär i ämnet och ville göra mer med det”, säger han. Han ville använda sin nyfunna kärlek till kemi för att lösa ett miljöproblem. Tonåringen behövde bara rätt problem.

Och han hittade ett i närheten. Gårdarna nära hans hemstad Wellington, Florida, gödslar sina grödor med nitrat och fosfat – två kemikalier som växter behöver för att växa. När det regnar kan överskottsgödsel rinna av i närliggande vattendrag. Där kan dessa näringsämnen underblåsa en explosiv tillväxt av alger, känd som en blomning. När blomningarna senare dör kommer bakterier att bryta ner algerna. Detta kommer att underblåsa tillväxten av bakterierna, som behöver syre för att utföra sitt arbete. Syret de använder kan lämna mindre till fisk och andra levande varelser, vilket gör att många av dem kvävs och dör. Denna process är känd som eutrofiering (YU-trow-fih-KAY-shun).

Forskare säger: Eutrofiering

Flera blomningar inträffade sommaren 2016 på Caloosahatchee River i Stefans hemstat. Tonåringen trodde att han skulle kunna hjälpa till att förhindra framtida blomningar genom att utveckla en metod för att absorbera en del av gödselmedlet som rinner från gårdar. Hans far hjälpte honom att komma i kontakt med Yuncong Li, en vetenskapsman som studerar jord och vatten. Li arbetar vid University of Florida Tropical Research Education Center i Homestead.

Efter att ha läst några vetenskapliga artiklar som Li rekommenderade, kom Stefan på en plan. Han började med biokol. Detta är en typ av träkol. Jordbrukare lägger till det i jorden för att hjälpa det att behålla vatten och näringsämnen. Eftersom biokol är gjord av växter skadar det inte miljön, konstaterar Stefan.

För att göra sin biokolblandning var Stefan Wan tvungen att göra mycket noggranna mätningar.
S. Glåmig

Biochar har sina fördelar, men det har den inte absorbera fosfat eller nitrat. Layered double hydroxides (eller LDHs) är kemikalier som innehåller par av positivt laddade atomer. Dessa kan vara magnesium och aluminium, till exempel, eller magnesium och järn. Deras positiva elektriska laddning låter LDH attrahera negativt laddade kemikalier, såsom fosfat. Men LDH är inte särskilt effektiva på detta. På egen hand, säger Stefan, “bildar de ett slags slam.” Det betyder att de positivt laddade platserna inte kommer att exponeras och kan ta bort fosfatet.

LDH:erna kan inte spridas ut på egen hand till ett enda lager, vilket skulle behövas för dem för att filtrera bort fosfatet. Biokol fungerar dock bra i filter. Så Stefan antog att om han kunde få en LDH att fastna på biokol så skulle LDH spridas ut i ett tunt lager. Då borde den kunna ta bort fosfatet.

“Genom att kombinera de två slår du två flugor i en smäll”, säger Stefan. Med det menar han att biokolet kommer att “göra LDH mer livskraftigt genom att sprida det.”

För att testa sin idé började tonåringen med att göra kombinationer av biokol och LDH. Han testade två typer av LDH. En innehöll magnesium och aluminium. Den andra hade magnesium och järn. Han satte dessa i fosforlösningar och mätte hur mycket varje blandning kunde ta bort från vattnet.

Parningen av magnesium och aluminium fungerade bäst. Och det bästa receptet gjordes av 60 procent biokol och 40 procent av denna LDH. Den sugde upp fosfat bra. Den blev 95 procent mättad med fosfat på bara en timme.

Stefan var nyfiken på om biokolblandningen senare kunde släppa ut fosfatet den tagit upp. Då kan det näringsämnet återföras till jorden som växtgödsel. För att testa idén förberedde tonåringen små koppar sand där han skulle odla salladsfrön. Vissa koppar hade bara sand. Dessa fungerade som hans kontroll. De andra innehöll också hans fosfatbelastade blandning. Efter 12 dagar mätte tonåringen hur stora salladsplantorna hade vuxit.

Fröplantorna som odlades i bägare som också hade fosfatfyllt biokol var 20 milligram (0,0007 ounce) tyngre än de som odlades i bara sand. Biokolet hade släppt ut en del av fosfatet, som salladsfröna använde för att odla.

Stefan och tre forskare från University of Florida har precis publicerat de nya rönen i mars Journal of Industrial and Engineering Chemistry.

Nästa test blir att se om biokolblandningen fungerar lika bra på gårdar. “Jag tror fortfarande att mer forskning behöver göras”, säger Stefan. En annan blandning av LDH och biokol kan fungera ännu bättre. Dessutom testade han bara en sorts biokol. Den var gjord av bambu. Han skulle också vilja testa biokolar gjorda av sockerrör eller hickory.

När han har gjort det hoppas Stefan kunna förbättra sin vattenrening. ” är en stor bidragsgivare till övergödning”, förklarar han. “Men det är inte den enda.” Han skulle vilja göra en föroreningsbehandling som också kan suga upp nitrat.

Detta projekt visar att även tonåringar kan göra forskning som erbjuder potentiellt viktiga verkliga fördelar.

Följ Eureka! Lab på Twitter