Nature Catalysis: Новый реактор позволяет получать экологически чистый аммиак

Аммиак очень важен для производства продуктов питания. Но на его производство тратится около 2% всей энергии в мире и из-за него в атмосферу попадает 1,4% углекислого газа.

Учёные из Университета Райса придумали новый тип реактора, который может уменьшить выбросы углекислого газа при производстве аммиака и сделать процесс менее вредным для воды.

В журнале Nature Catalysis учёные из группы Хаотиана Ванга описали свою разработку. Они придумали, как можно превращать нитраты — вещества, которые загрязняют воду на заводах и фермах, — в аммиак. Аммиак нужен не только для удобрений, но и для создания разных вещей: от чистящих средств до пластика, взрывчатки и даже топлива.

Аммиак — одно из самых популярных химических веществ в мире. Каждый год производят более 180 миллионов тонн этого вещества.

Аммиак обычно производят с помощью процесса Хабера-Боша. В этом процессе водород реагирует с азотом при высокой температуре и давлении. Для этого нужна большая промышленная установка.

Есть ещё один способ производства аммиака — электрохимический синтез. С помощью электричества запускают химические реакции.

Фенг-Янг Чен, аспирант из Университета Райса и главный автор исследования, говорит:

Электрохимическую реакцию можно провести при комнатной температуре. Её легче адаптировать под разные системы, а для работы можно использовать возобновляемую энергию из децентрализованных источников.

Но пока у этой технологии есть проблема: чтобы провести электрохимическое преобразование, нужно много разных химических добавок. В созданном нами реакторе используются перерабатываемые ионы и система из трёх камер, чтобы реакция проходила эффективнее.

Одна из главных инноваций заключается в использовании специального материала, который не пропускает электричество. Благодаря ему можно не использовать много дополнительных химических веществ — раньше это было проблемой при попытках сделать процесс производства аммиака более экологичным. А если использовать возобновляемую энергию, то производство аммиака вообще не будет влиять на количество углекислого газа в атмосфере.

Мы провели эксперименты: пропустили воду, которая была загрязнена нитратами, через этот реактор и измерили, сколько получилось аммиака и насколько чистой стала вода, — рассказывает Чен. Он работает над докторской диссертацией в области химической и биомолекулярной инженерии под руководством Ванга.

Оказалось, что наша новая реакторная система может эффективно превращать воду с нитратами в чистый аммиак и чистую воду. При этом не нужно использовать дополнительные химикаты. В общем, вы заливаете сточные воды, а на выходе получаете чистый аммиак и очищенную воду.

Новая реакторная система позволяет преобразовывать нитраты в аммиак с помощью электрохимии. Это избавляет от необходимости денитрификации — процесса, при котором очистные сооружения удаляют нитраты из загрязнённой воды и превращают их в азот для процесса Хабера-Боша. Такой подход не только упрощает процесс, но и обеспечивает эффективное обеззараживание воды.

Нитраты — это одни из главных загрязнителей, из-за которых питьевая вода часто не соответствует нормам. Эта проблема становится всё серьёзнее для растущих городов, потому что на месте сельскохозяйственных угодий с грунтовыми водами, которые загрязнены нитратами, появляется городская застройка, — говорит Педро Альварес, профессор гражданского и экологического строительства в Университете Райса.

Он также руководит Исследовательским центром наносистемной инженерии по очистке воды с использованием нанотехнологий (NEWT) и Институтом предпринимательства и исследований водных технологий (WaTER).

Альварес говорит, что обычно нитраты из питьевой воды убирают с помощью ионного обмена или мембранной фильтрации с обратным осмосом. Но в результате этого процесса образуются жидкости с очень высокой концентрацией солей — рассолы. И проблема нитратов просто переходит на новый уровень.

Профессор Ванг предложил решение, которое поможет избавиться от нитратной токсичности без добавления химикатов. Это очень важно и своевременно, считает Альварес.

Это исследование не только про производство аммиака. Конструкция реактора и технико-экономическая оценка могут помочь в других исследованиях экологически чистых химических процессов. А это может изменить подход к решению экологических проблем в промышленности.

Наши результаты предлагают новый, более экологичный способ решить проблему загрязнения воды и производства аммиака. Это может повлиять на то, как промышленность и общество подходят к этим вопросам, — сказал Ванг, доцент кафедры химической и биомолекулярной инженерии, материаловедения и наноинженерии, а также химии в Университете Райса.

Если мы хотим перейти на безуглеродную энергетику к 2050 году, нужно срочно придумать устойчивые способы производить аммиак.

13.08.2024