Udvikling af en effektiv produktionsteknik til en ny grøn gødning

En rent mekanisk metode kan producere en ny, mere bæredygtig gødning på en mindre forurenende måde. Det er resultatet af en metode, der er optimeret ved DESYs lyskilde PETRA III. Et internationalt hold brugte PETRA III til at optimere produktionsmetoden, der er en tilpasning af en gammel teknik:ved at formale to almindelige ingredienser, urinstof og gips, producerer forskerne en ny fast forbindelse, der langsomt frigiver to kemiske elementer, der er kritiske for jordgødskning:nitrogen, og calcium.

Formalingsmetoden er hurtig, effektiv og ren – det samme er gødningsproduktet, som har potentialet til at reducere den nitrogenforurening, der forurener vandsystemerne og bidrager til klimaændringer. Forskerne fandt også ud af, at deres proces er skalerbar; derfor kunne det potentielt implementeres industrielt. Resultaterne af forskere fra DESY; Ruđer Bošković Institute (IRB) i Zagreb, Kroatien; og Lehigh University i USA er blevet publiceret i tidsskriftet Green Chemistry . Den nye gødning mangler stadig at blive testet i marken.

Forskere fra DESY og IRB har i flere år samarbejdet om at udforske det grundlæggende i mekaniske metoder til at starte kemiske reaktioner. Denne bearbejdningsmetode, kaldet mekanokemi, bruger forskellige mekaniske input, såsom komprimering, vibrering, eller i dette tilfælde fræsning, for at opnå den kemiske transformation. "Mekanokemi er en ret gammel teknik," siger Martin Etter, beamline-forsker ved P02.1 beamline ved PETRA III. "I tusinder af år har vi malet ting, for eksempel korn til brød. Det er først nu, vi begynder at se mere intensivt på disse mekanokemiske processer ved hjælp af røntgenstråler og se, hvordan vi kan bruge de processer til at sætte gang i kemiske reaktioner."

Etters strålelinje er en af ​​de få i verden, hvor mekanokemi rutinemæssigt kan udføres og analyseres ved hjælp af røntgenstråler fra en synkrotron. Etter har brugt år på at udvikle strålelinjen og arbejde med brugerne for at finjustere metoder til at analysere og optimere mekanokemiske reaktioner. Resultatet har været en globalt kendt eksperimentopsætning, der er blevet brugt til at studere mange typer reaktioner, der er vigtige for materialevidenskab, industriel katalyse og grøn kemi.

"I virkeligheden er DESYs mekanokemi-opsætning sandsynligvis den bedste i verden," siger Krunoslav Užarević fra IRB i Zagreb. "Få steder kan man overvåge forløbet af mekanokemiske reaktioner såvel som her hos DESY. Det ville have været praktisk talt umuligt at opnå dette resultat uden Martin Etters ekspertise og dette PETRA III-setup."

Til dette resultat gik mekanokemi-samarbejdet sammen med Jonas Baltrusaitis, professor i kemiteknik ved Lehigh University. Holdet brugte P02.1-opsætningen til at få indsigt i parametre, der styrer formalingsprocessen, for at optimere reaktionsbetingelserne til fremstilling af målgødningen. Opsætningen ved PETRA III giver mulighed for direkte indsigt i reaktionsblandingens udvikling ved at påføre synkrotronstråling på fræsebeholderen. Det betyder, at reaktionen kan observeres uden at stoppe proceduren. Forskerne kunne således bestemme de nøjagtige reaktionsveje og analyserede produktets output og renhed, hvilket hjalp dem med at forfine den mekaniske procedure i farten. De fandt en procedure, der muliggjorde 100 % omdannelse af udgangsmaterialerne til målgødningen.

Dette slutprodukt er kendt som "cocrystal", et fast stof med en krystalstruktur, der omfatter to forskellige kemikalier, der stabiliseres af svagere intermolekylære interaktioner i gentagne mønstre. "Kokrystaller kan ses som LEGO-strukturer," siger Etter. "Du har sæt af to slags to klodser, og med disse to klodser laver du et gentaget mønster." I dette tilfælde er "murstenene" calciumsulfat afledt af gipsen og urinstoffet. Gennem formalingsprocessen bliver urinstof og calciumsulfat bundet til hinanden.

"I sig selv giver urinstof en meget svagt bundet krystal, der let falder fra hinanden og frigiver sit nitrogen for let," siger Baltrusaitis. "Men med calciumsulfatet gennem denne mekanokemiske proces får du en meget mere robust cokrystal med en langsom frigivelse." Fordelen ved denne cokrystal er, at dens kemiske bindinger er svage nok til at frigive nitrogen og calcium, men stærke nok til at forhindre de to elementer i at blive udløst på én gang.

Denne frigivelsesmetode er den store fordel ved gødningen. For det første har de undgået en af ​​de største ulemper ved de kvælstofgødninger, der er brugt siden 1960'erne. "Status quo i gødning, af fødevaresikkerhedsmæssige årsager, er at dumpe så meget nitrogen og fosfor på afgrøder som muligt," siger Baltrusaitis. Over 200 millioner tons gødning produceres via den mere end et århundrede gamle Haber-Bosch-proces, som fanger atmosfærisk nitrogen i urinstofkrystaller. Heraf er kun omkring 47 procent faktisk absorberet af jorden, mens resten skylles væk og forårsager potentielt massive forstyrrelser i vandsystemerne. I Nordsøen og den Mexicanske Golf vokser der massive "døde zoner", hvor algeopblomstringer fodret med overskydende gødning absorberer al den tilgængelige ilt i vandet og dræber dermed havets liv.

Derudover er produktionen af ​​almindelig gødning energikrævende og forbruger hvert år fire procent af den globale naturgasforsyning via Haber-Bosch-processen. Den nye metode giver mulighed for at mindske den afhængighed. "Hvis du øger effektiviteten af ​​disse urinstofmaterialer med 50 procent, skal du lave mindre urinstof via Haber-Bosch, med alle de relaterede energiforbrugsproblemer såsom efterspørgsel efter naturgas," siger Baltrusaitis. Fræseproceduren er hurtig og meget effektiv, hvilket resulterer i en ren gødning uden affaldsbiprodukter undtagen vand. "Vi foreslår ikke kun en bedre fungerende gødning," siger Baltrusaitis, "vi demonstrerer også en grøn syntesemetode."

Mens PETRA III-analysen involverede milligram gødning, har forskerholdet ledet af Baltrusaitis og Užarević formået at skalere deres procedurer op med hjælp fra data fra PETRA. Indtil videre kan de med samme fremgangsmåde og effektivitet producere hundredvis af gram gødning. Som et næste trin planlægger teamet at fortsætte opskaleringen for at lave en egentlig proof-of-principle industriel version af processen. Baltrusaitis arbejder allerede på en sådan opskalering og test af cocrystal gødning til anvendelse under virkelige forhold.

"Ud over produktet genererer den mekanokemiske proces stort set ingen uønskede biprodukter eller affald," siger Užarević fra IRB. "Vi er optimistiske, at der er et stærkt anvendelsespotentiale for det rundt om i verden." + Udforsk yderligere

Ny produktionsmetode gør et vigtigt gødningselement på en mere bæredygtig måde