Ny proces har til formål at fjerne ammoniak fra spildevand

Et strejf af rutheniumatomer på et net af kobbernanotråde kunne være et skridt mod en revolution i den globale ammoniakindustri, der også hjælper miljøet.

Samarbejdspartnere ved Rice Universitys George R. Brown School of Engineering, Arizona State University og Pacific Northwest National Laboratory udviklede den højtydende katalysator, der med næsten 100 % effektivitet kan trække ammoniak og fast ammoniak – også kendt som gødning – fra lave niveauer af nitrater, der er udbredt i industrispildevand og forurenet grundvand.

En undersøgelse ledet af Rice kemiske og biomolekylære ingeniør Haotian Wang viser, at processen omdanner nitratniveauer på 2.000 ppm til ammoniak, efterfulgt af en effektiv gasstripningsproces til opsamling af ammoniakprodukter. Det resterende nitrogenindhold efter disse behandlinger kan bringes ned til "drikkelige" niveauer som defineret af Verdenssundhedsorganisationen.

"Vi opfyldte en komplet vanddenitrifikationsproces," sagde kandidatstuderende Feng-Yang Chen. "Med yderligere vandbehandling på andre forurenende stoffer kan vi potentielt vende industrispildevand tilbage til drikkevand."

Chen er en af ​​tre hovedforfattere af papiret, der vises i Nature Nanotechnology .

Undersøgelsen viser et lovende alternativ til effektive processer for en industri, der er afhængig af en energiintensiv proces for at producere mere end 170 millioner tons ammoniak om året.

Forskerne vidste fra tidligere undersøgelser, at ruthenium-atomer er mestre i at katalysere nitratrigt spildevand. Deres twist var at kombinere det med kobber, der undertrykker hydrogenudviklingsreaktionen, en måde at producere brint fra vand på, som i dette tilfælde er en uønsket bivirkning.

"Vi vidste, at ruthenium var en god metalkandidat til nitratreduktion, men vi vidste også, at der var et stort problem, at det nemt kunne have en konkurrerende reaktion, som er brintudvikling," sagde Chen. "Når vi påførte strøm, ville mange af elektronerne bare gå til brint, ikke det produkt, vi ønsker."

"Vi lånte et koncept fra andre områder som kuldioxidreduktion, som bruger kobber til at undertrykke brintudvikling," tilføjede Wang. "Så måtte vi finde en måde at kombinere ruthenium og kobber organisk på. Det viser sig, at det fungerer bedst at sprede enkelte rutheniumatomer i kobbermatrixen."

Holdet brugte beregninger af densitetsfunktionsteori til at forklare, hvorfor rutheniumatomer gør den kemiske vej, der forbinder nitrat og ammoniak, lettere at krydse, ifølge medkorresponderende forfatter Christopher Muhich, en assisterende professor i kemiteknik ved Arizona State.

"Når der kun er ruthenium, kommer vandet i vejen," sagde Muhich. "Når der kun er kobber, er der ikke vand nok til at give brintatomer. Men på de enkelte rutheniumsteder konkurrerer vandet ikke så godt, det giver lige nok brint uden at optage pletter for nitrat til at reagere."

Processen fungerer ved stuetemperatur og under omgivende tryk, og ved, hvad forskerne kaldte en "industrirelevant" nitratreduktionsstrøm på 1 amp pr. kvadratcentimeter, den mængde elektricitet, der er nødvendig for at maksimere katalysehastigheden. Det burde gøre det nemt at skalere op, sagde Chen.

"Jeg tror, ​​at dette har et stort potentiale, men det er blevet ignoreret, fordi det har været svært for tidligere undersøgelser at nå en så god strømtæthed, mens den stadig opretholder en god produktselektivitet, især under lave nitratkoncentrationer," sagde han. "Men nu demonstrerer vi netop det. Jeg er overbevist om, at vi får muligheder for at skubbe denne proces til industrielle applikationer, især fordi den ikke kræver stor infrastruktur."

En hovedfordel ved processen er reduktionen af ​​kuldioxidemissioner fra traditionel industriel produktion af ammoniak. Disse er ikke ubetydelige og udgør 1,4 % af verdens årlige emissioner, bemærkede forskerne.

"Selvom vi forstod, at konvertering af nitrataffald til ammoniak måske ikke fuldt ud vil kunne erstatte den eksisterende ammoniakindustri på kort sigt, tror vi, at denne proces kan yde væsentlige bidrag til decentraliseret ammoniakproduktion, især på steder med høje nitratkilder," sagde Wang .

Ved siden af ​​den nye undersøgelse har Wangs laboratorium og miljøingeniøren fra Rice Pedro Alvarez, direktør for Nanotechnology Enabled Water Treatment (NEWT) Center, for nylig offentliggjort en artikel i Journal of Physical Chemistry C detaljer om brugen af ​​kobolt-kobber nanopartikler på et 3D kulfiberpapirsubstrat som en effektiv katalysator til at syntetisere ammoniak fra nitratreduktion. Denne billige katalysator viste også meget lovende for denitrifikationen i spildevand. + Udforsk yderligere

Brug af grøn te som reduktionsreagens til fremstilling af nanomaterialer til at syntetisere ammoniak