Разработан экологически чистый метод получения аммиака из воды и азота
Аммиак — это соединение, впервые синтезированное около ста лет назад. Оно имеет десятки применений в современной промышленности и стало совершенно необходимым для получения азотных удобрений, за счёт которых в настоящее время производится большая часть мирового объёма продуктов питания.
Начиная с 1930-х годов, аммиак производится в промышленных масштабах. Это было достигнуто, главным образом, на крупных химических заводах, требующих огромных количеств газообразного водорода из ископаемого топлива, что делает получение аммиака одним из самых энергоёмких среди всех химических веществ, производимых в больших количествах.
Подпись к изображению: Графическая иллюстрация, показывающая как на границе раздела плазма—жидкость образуется аммиак из протиевой (лёгкой) воды и атмосферного азота
Исследователи Жюль Реннер и Мохан Шанкаран придумали новый способ создания аммиака из азота и воды при низкой температуре и низком давлении. Они успешно это проделали в лаборатории без использования водорода или твёрдого металлического катализатора, необходимого в традиционных процессах.
Немного истории: процесс Хабера-Боша
Практически весь коммерческий аммиак производится из азота и водорода с использованием железного катализатора при высокой температуре и давлении.
Немецкий физик-химик Фриц Хабер получил Нобелевскую премию по химии в 1918 году за разработку этого процесса, что сделало производство аммиака экономически целесообразным.
Но этот процесс стал ещё более выгодным, когда химик Карл Бош (который также получил Нобелевскую премию в 1931 году) внедрил метод Хабера в крупномасштабное производство. Процесс получил дальнейшее развитие благодаря второму нововведению: внедрению паровой конверсии метана, которое сделало получение водорода более доступным и менее дорогим.
Таким образом, процесс Хабера-Боша стал глобальным методом связывания азота и водорода для производства аммиака.
Новый старый метод
Реннер и Шанкаран воскресили часть малоизвестного норвежского метода, который предшествовал процессу Хабера-Боша — процесс Биркеланда-Эйда. В ходе последнего водород взаимодействовал с азотом и кислородом с образованием нитратов, ещё одного химического вещества, которое можно было использовать в сельском хозяйстве. Но этот процесс проигрывал процессу Хабера-Боша в основном потому, что требовал ещё больше затрат энергии в виде электричества, которое в начале 20-го века было весьма ограниченным ресурсом.
«Как и в случае процесса Биркеланда-Эйда, мы используем плазму, на создание которой уходит много энергии. Электричество по-прежнему является барьером, но сейчас в меньшей степени, а с увеличением количества возобновляемых источников энергии оно может вообще перестать быть препятствием в будущем», — сказал Шанкаран.
Плазма, часто называемая четвёртым состоянием вещества (помимо твёрдого, жидкого или газообразного), представляет собой ионизированное газовое облако, состоящее из положительных ионов и свободных электронов, которые придают ему уникальную способность активировать химические связи, в том числе довольно сильные, как у молекулы азота, при комнатной температуре.
Реннер добавил, что поскольку новый процесс не требует высокого давления или высокой температуры или водорода, это делает его легко масштабируемым — это «идеальная технология для гораздо меньшего по габаритам завода, но с высокой производительностью, который будет снабжаться от источников возобновляемой электроэнергии».
Самое главное то, что процесс Реннера-Шанкарана не производит водород, что было основным узким местом других электролитических методов образования аммиака из воды и азота, при которых происходило нежелательное образование водорода.
Пока получаемые партии аммиака, производимого этим методом, очень малы, а энергоэффективность всё ещё ниже, чем у процесса Хабера-Боша. Но дальнейшая разработка нового процесса может когда-нибудь привести к меньшим аммиачным установкам, которые будут использовать зелёную энергию и располагаться ближе к потребителям.
Результаты исследования были опубликованы в этом месяце в журнале Science Advances.
15.01.2019 12:08
