Новый реактор может превращать сточные воды в питьевую воду, одновременно производя один из самых востребованных химических элементов в мире.
Новый реактор, описанный 12 августа в журнале Nature Catalysis, производит аммиак из воды, загрязнённой нитратными ионами.
Аммиак (NH3) является крайне важным промышленным химическим веществом. Он является одним из основных компонентов удобрений и также необходим в химических процессах производства. Ежегодно производится более 180 миллионов тонн (163 миллиона метрических тонн) аммиака, в основном с помощью старого процесса Габера-Боша, представляющего собой реакцию при высоких температурах и давлениях между водородом и азотом. Только лишь эта одна химическая реакция потребляет около 2% мировой энергии, согласно исследованию.
Нитраты, с другой стороны, загрязняют реки и ручьи, когда избыточные стоки с удобренных сельскохозяйственных угодий попадают в местные водные пути. Нитраты разрушают водные экосистемы, а их более высокие уровни в питьевой воде могут представлять опасность для здоровья. Чтобы вода была безопасной для питья, ее необходимо тщательно очищать от нитратов.
Существующие коммерческие методы очистки используют бактерии для прямого преобразования нитратных ионов в азот, но эта процедура дорогостоящая и также производит закись азота, которая по своей эффективности как парниковый газ в 265 раз более опасна, чем углекислый газ.
Чтобы избежать этого воздействия на климат, учёные работают над методами преобразования нитратов в аммиак с использованием электричества, но их ранние системы сталкивались с нежелательными побочными реакциями.
В этих устройствах есть положительный и отрицательный полюс, между которыми существует разница в заряде. Химические реакции происходят на обоих полюсах. На отрицательном полюсе реактора вода расщепляется на газообразный кислород и ионы водорода, в то время как на положительном полюсе происходит вторая реакция, преобразующая нитраты в аммиак и гидроксильные ионы (OH-).
К сожалению, ионы водорода, образующиеся на одной стороне, имеют тенденцию диффундировать на другую, где они вступают в химическую реакцию с образованием водорода. Поскольку даже в сильно загрязнённой воде концентрация нитратов всё ещё остаётся незначительной, эта водородная реакция становится доминирующей и препятствует эффективному протеканию основной реакции нитрат-аммиак. Учёные пытались обойти эту проблему, добавляя в смесь добавки, но это непрактично для реальных применений в области очистки воды.
В новом исследовании учёные частично обошли эту проблему, добавив промежуточную камеру, создав трехкамерный реактор, как сообщил в письме Live Science первый автор исследования Фэн-Ян Чен (Feng-Yang Chen) и исследователь из Университета Райс в Техасе. В первой камере нитрат преобразуется в аммиак и гидроксильные ионы. Эти вещества соединяются с уже присутствующими в воде ионами натрия, образуя гидроксид натрия. Когда очищенная вода покидает первую камеру и вместе с гидроксидом натрия перекачивается в среднюю камеру, вновь образовавшийся газообразный аммиак выбрасывается наружу. Тем временем в третьей камере ионы водорода, образующиеся при расщеплении воды, диффундируют через клетку в среднюю камеру. Здесь ионы водорода и гидроксила гидроксида натрия объединяются с образованием воды. Оставшиеся ионы натрия затем возвращаются из средней камеры в первую камеру, чтобы повторить цикл.
Ключевым аспектом является то, что ионы водорода не достигают другой стороны реактора и не мешают реакции нитратов. В 10-дневном испытании более 90% электрического тока в ячейке исследовательской группы было направлено на производство аммиака, в сравнении с примерно 20% у предыдущих систем.
Дизайн устройства всё ещё находится на экспериментальной стадии, и необходимо решить несколько проблем, прежде чем технология сможет быть коммерциализирована.
Одна из больших проблем — это обеспечение протекания реакции в присутствии примесей, таких как ионы магния и кальция, которые часто встречаются в воде, отметил Чен.
