Η βιομηχανική παραγωγή αμμωνίας εκπέμπει περισσότερο CO2 από οποιαδήποτε άλλη χημική αντίδραση. Οι χημικοί θέλουν να το αλλάξουν
Οι επιστήμονες σε όλο τον κόσμο εργάζονται για να μειώσουν την ποσότητα των αερίων θερμοκηπίου που εκπέμπει η διαδικασία παραγωγής αμμωνίας
Από τον Leigh Krietsch Boerner, ειδικό στην C&EN 15 ΙΟΥΝΙΟΥ 2019 | ΔΗΜΟΣΙΕΥΤΗΚΕ ΣΤΟ ΤΟΜΟ 97, ΤΕΥΧΟΣ 24 |
| Το δοκιμαστικό εργοστάσιο πράσινης αμμωνίας της Siemens χρησιμοποιεί αιολική ενέργεια για τη μετατροπή υδρογόνου και αζώτου σε αμμωνία και στεγάζεται σε εμπορευματοκιβώτια.
Μέσω της ACS πιστώνεται στη: Siemens
|
Η διαδικασία Haber-Bosch, η οποία μετατρέπει το υδρογόνο και το άζωτο σε αμμωνία, θα μπορούσαμε να πούμε ότι είναι μία από τις σημαντικότερες βιομηχανικές χημικές αντιδράσεις που έχουν ποτέ αναπτυχθεί. Η διαδικασία κατέστησε ευρέως διαθέσιμα τα λιπάσματα αμμωνίας, συμβάλλοντας στην αύξηση του παγκόσμιου πληθυσμού καθώς οι αποδόσεις της γεωργίας αυξήθηκαν γρήγορα σε σύντομο χρονικό διάστημα.
Σε παγκόσμιο επίπεδο, οι μονάδες παραγωγής αμμωνίας παρήγαγαν το 2010 157,3 εκατομμύρια μετρικούς τόνους (t) της ένωσης, σύμφωνα με την βάση δεδομένων του Ινστιτούτου Βιομηχανικής Παραγωγικότητας της Βιομηχανικής Απόδοσης. Μεταξύ 75 και 90% αυτής της αμμωνίας πηγαίνει προς την παραγωγή λιπασμάτων και περίπου το 50% της παγκόσμιας παραγωγής τροφίμων βασίζεται σε λιπάσματα αμμωνίας.
Η υπόλοιπη αμμωνία χρησιμοποιείται στην παρασκευή φαρμάκων, πλαστικών, υφασμάτων, εκρηκτικών και άλλων χημικών ουσιών. Σχεδόν κάθε συνθετικό προϊόν με άτομα αζώτου που χρησιμοποιούμε έρχεται κατά κάποιο τρόπο σε μας μέσω της διαδικασίας Haber-Bosch, λέει ο Karthish Manthiram, χημικός μηχανικός του Ινστιτούτου Τεχνολογίας της Μασαχουσέτης. "Όλα αυτά τα άτομα αζώτου προήλθαν από αμμωνία, πράγμα που σημαίνει ότι υπάρχει αυτό το τεράστιο αποτύπωμα διοξειδίου του άνθρακα ενσωματωμένο σε όλα τα διαφορετικά προϊόντα που χρησιμοποιούμε".
Αυτό το τεράστιο αποτύπωμα άνθρακα υπάρχει επειδή, αν και η διαδικασία Haber-Bosch αντιπροσωπεύει μια τεράστια τεχνολογική πρόοδο, πάντα ήταν ενεργειακά απαιτητική. Η αντίδραση, η οποία διεξάγεται σε θερμοκρασίες γύρω στους 500 °C και σε πιέσεις μέχρι περίπου 20 MPa, απορροφά περίπου το 1% της συνολικής παραγωγής ενέργειας στον κόσμο. Σύμφωνα με το Ινστιτούτο Βιομηχανικής Παραγωγικότητας, το 2010 η παραγωγή έφτασε σε περίπου 451 εκατομμύρια τόνους CO2. Το σύνολο αυτό αντιπροσωπεύει περίπου το 1% των παγκόσμιων ετήσιων εκπομπών CO2, περισσότερο από οποιαδήποτε άλλη βιομηχανική χημική αντίδραση
Το αποτύπωμα άνθρακα της σύνθεσης αμμωνίας υπερβαίνει τις ενεργειακές της ανάγκες. Το υδρογόνο που χρησιμοποιείται για την αντίδραση προέρχεται από φυσικό αέριο, άνθρακα ή πετρέλαιο μέσω διαδικασιών που απελευθερώνουν CO2. Σύμφωνα με μια κοινή έκθεση του 2013 του Διεθνούς Οργανισμού Ενέργειας, του Διεθνούς Συμβουλίου Χημικών Συλλόγων και της Εταιρείας Χημικών Μηχανικών και Βιοτεχνολογίας, οι εκπομπές CO2 από την παραγωγή υδρογόνου αντιπροσωπεύουν περισσότερο από το μισό των συνολικών εκπομπών που προέρχονται από ολόκληρη τη διαδικασία παραγωγής αμμωνίας. Συνολικά, από τις πρώτες ύλες υδρογονανθράκων έως τη σύνθεση ΝΗ3, κάθε μόριο ΝΗ3 που παράγεται απελευθερώνει ένα μόριο CO2 ως παραπροϊόν.
Και η ανάγκη μας για τα λιπάσματα αμμωνίας αυξάνεται. Σύμφωνα με τον Οργανισμό Τροφίμων και Γεωργίας των Ηνωμένων Εθνών, η ζήτηση λιπασμάτων αζώτου αναμένεται να αυξηθεί από 110 εκατομμύρια τόνους το 2015 σε σχεδόν 119 εκατομμύρια τόνους μέχρι το 2020.
Χημικοί και μηχανικοί σε όλο τον κόσμο προσπαθούν να καταστήσουν τη σύνθεση αμμωνίας βιώσιμη. Ορισμένοι εργάζονται για να τροφοδοτήσουν την αντίδραση με ανανεώσιμες πηγές ενέργειας και να παράγουν υδρογόνο χωρίς ορυκτά καύσιμα. Άλλοι επιθυμούν να βρουν μια πιο αποτελεσματική αντίδραση από τη Haber-Bosch για να συνθέσουν αμμωνία. Οι ερευνητές παραδέχονται ότι η πρόοδος είναι αργή αλλά αξίζει τον κόπο.
"Η αμμωνία όπως παράγεται σήμερα για τα λιπάσματα είναι ουσιαστικά ένα προϊόν ορυκτών καυσίμων", λέει ο Douglas MacFarlane, ηλεκτροχημικός από το Πανεπιστήμιο Monash. "Το μεγαλύτερο μέρος του φαγητού μας προέρχεται από λιπάσματα. Επομένως, το φαγητό μας είναι ουσιαστικά ένα προϊόν των ορυκτών καύσιμων. Και αυτό δεν είναι βιώσιμο. "
Στα πράσινα εργοστάσια αμμωνίας σε όλο τον κόσμο, συμπεριλαμβανομένης της Ιαπωνίας, της Αγγλίας, της Αυστραλίας και των ΗΠΑ, οι ερευνητές πειραματίζονται με τη χρήση ανανεώσιμων πηγών ενέργειας και πρώτων υλών για να παράγουν την πολύτιμη χημική ουσία σε μικρές κλίμακες. Αυτές οι εταιρείες χρησιμοποιούν ως επί το πλείστον τη συμβατική διαδικασία Haber-Bosch, αλλά αντί να στηρίζονται σε ορυκτά καύσιμα για να παράγουν υδρογόνο και να μαγειρεύουν τις χημικές αντιδράσεις, χρησιμοποιούν ηλεκτρόλυση νερού και εναλλακτικές πηγές ενέργειας.
Από τον περασμένο χρόνο, η ιαπωνική εταιρεία JGC δοκιμάζει αυτές τις προσεγγίσεις σε ένα δοκιμαστικό εργοστάσιο στο Ινστιτούτο Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας της Fukushima. Μέσω ενός εθνικού προγράμματος που ονομάζεται SIP Energy Carriers, η εταιρεία συνεργάστηκε με το Εθνικό Ινστιτούτο Προηγμένων Βιομηχανικών Επιστημών και Τεχνολογίας (AIST) για να ανοίξει το εργοστάσιο επίδειξης για την παραγωγή πράσινης αμμωνίας. Μπορεί να λειτουργεί με ηλιακή ενέργεια, παράγει υδρογόνο μέσω ηλεκτρόλυσης νερού και λειτουργεί βασισμένο σε μια αντίδραση τύπου Haber-Bosch χρησιμοποιώντας έναν νέο καταλύτη ρουθηνίου που αναπτύχθηκε από την JGC σε συνεργασία με το AIST.
"Το κύριο πλεονέκτημα της διαδικασίας μας είναι ότι το υδρογόνο παράγεται σε πολύ χαμηλότερη πίεση από τη συμβατική διαδικασία", λέει ο Mototaka Kai, διευθυντής του έργου στο εργοστάσιο. Η πίεση του υδρογόνου είναι περίπου 5 MPa, λέει ο Mototaka, το οποίο είναι περίπου το ένα τρίτο έως το ένα τέταρτο της πίεσης του παραδοσιακού εργοστασίου της Haber-Bosch. Αυτή η χαμηλότερη πίεση έχει δύο πλεονεκτήματα. Η αντίδραση είναι ασφαλέστερη επειδή λειτουργεί με χαμηλότερη πίεση. Επιπλέον, η μονάδα απαιτεί λιγότερη ενέργεια για να συμπιέσει το σύστημα. Επί του παρόντος, το εργοστάσιο παράγει 20-50 kg αμμωνίας την ημέρα.
Η Siemens στο Ηνωμένο Βασίλειο συνεργάζεται με ερευνητές του Πανεπιστημίου της Οξφόρδης, το Συμβούλιο Επιστημών και Τεχνολογίας του Ηνωμένου Βασιλείου και το Πανεπιστήμιο του Κάρντιφ για να οργανώσουν μια εγκατάσταση επίδειξης χρησιμοποιώντας τη χαρακτηριστική διαδικασία Haber-Bosch, την οποία τροφοδοτεί με ενέργεια από τον άνεμο. Ο Ian Wilkinson, διευθυντής προγράμματος στην εταιρική τεχνολογία της Siemens, αναφέρει δύο λόγους για τους οποίους η εταιρεία επέλεξε να χρησιμοποιεί μόνο την ώριμη τεχνολογία που είναι διαθέσιμη σήμερα για να λειτουργήσει το εργοστάσιό της. Πρώτον, η Siemens θέλει να δείξει ότι μπορεί να παράγει αμμωνία ανανεώσιμα, με τέτοιο τρόπο ώστε να μπορεί να κλιμακωθεί γρήγορα σε μεγαλύτερες ποσότητες. Η εταιρεία θεωρεί επίσης το εργοστάσιο ως δοκιμαστικό σύστημα για την εξέλιξη της τεχνολογίας, συμπεριλαμβανομένων των δοκιμών ανάπτυξης καταλύτη Haber-Bosch και δοκιμών καύσης αμμωνίας.
Το σχέδιο έχει λειτουργήσει μέχρι τώρα. Το μικρό εργοστάσιο, που είναι εγκατεστημένο σε ναυτιλιακά εμπορευματοκιβώτια, παίρνει ηλεκτρική ενέργεια από μια ανεμογεννήτρια, τη χρησιμοποιεί σε μια μονάδα ηλεκτρόλυσης υδρογόνου και στη συνέχεια χρησιμοποιεί το προκύπτον υδρογόνο για να συνθέσει αμμωνία. Εάν η εταιρεία κρατάει το εργοστάσιο σε συνεχή λειτουργία, παίρνει 30 κιλά αμμωνίας την ημέρα, λέει ο Wilkinson. "Είναι ένα σύστημα μικρής κλίμακας, δια την απόδειξη της αρχής λειτουργίας", λέει, σημειώνοντας ότι το μόνο πράγμα στο εργοστάσιο που η επιχείρηση δεν αγόρασε από την ελεύθερη αγορά είναι ο βρόχος σύνθεσης στον οποίο λαμβάνει χώρα η πραγματική αντίδραση Haber-Bosch. "'Έπρεπε να φτιάξουμε τον δικό μας. Δεν μπορείτε να τα αγοράσετε έναν τόσο μικρό βρόγχο", λέει.
Η σύνθεση αμμωνίας σε ένα αιολικό πάρκο θα μπορούσε να βοηθήσει στην επίλυση ενός από τα μεγαλύτερα προβλήματα με τις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας - παράγουν ενέργεια κατά διαστήματα. Ο ήλιος δεν λάμπει πάντα και ο άνεμος δεν φυσάει πάντα, έτσι πώς θα παράγετε ηλεκτρική ενέργεια με συνέπεια; Η καύση αμμωνίας που παράγεται με ανανεώσιμο τρόπο μπορεί να είναι μία απάντηση, λέει ο Wilkinson. Τόσο η Siemens όσο και η JGC ενδιαφέρονται για την παραγωγή πράσινης αμμωνίας όχι μόνο για την παραγωγή λιπασμάτων αλλά και για τη σύνθεση καυσίμου χωρίς άνθρακα. Παρόμοια με τη βενζίνη, η αμμωνία μπορεί να μεταφερθεί και να αποθηκευτεί, και είναι ευκολότερη στο χειρισμό από το αέριο υδρογόνο, είναι λοιπόν ένα άλλο πιθανό καύσιμο χωρίς άνθρακα.
"Η αμμωνία είναι αυτό που μου αρέσει να ονομάζω ένα μόριο σύνδεσης", λέει ο Manthiram. "Είναι χρήσιμο ως λίπασμα. Είναι χρήσιμο για φαγητό. Είναι χρήσιμο για την αποθήκευση ενέργειας. "Η ηλεκτρική ενέργεια που παράγεται από ανανεώσιμες πηγές μπορεί να συνδυάσει το άζωτο από τον αέρα και το υδρογόνο από το νερό για να παράγει ένα καύσιμο που μπορεί να μεταφέρεται εύκολα, λέει. Και οι εταιρείες έχουν ήδη κάνει μεταφορές αμμωνίας μέσα από τους ωκεανούς για τις τρέχουσες χρήσεις, λέει ο MacFarlane. "Η τεχνολογία αυτή είναι καλά κατανοητή σε μεγάλες ποσότητες αμμωνίας."
Αλλά ανεξάρτητα από το πώς αυτές οι εταιρείες σκοπεύουν να χρησιμοποιήσουν την αμμωνία που παράγεται από τα πράσινα εργοστάσιά τους, εξακολουθούν να χρησιμοποιούν τη Haber-Bosch για να συνθέσουν το μόριο. Η αντίδραση περιλαμβάνει την αντίδραση υδρογόνου και αερίου αζώτου πάνω σε ένα καταλύτη σιδήρου, σε υψηλές θερμοκρασίες και πιέσεις. Και δεν είναι μια μέθοδος πολύ αποτελεσματική, λέει ο MacFarlane. Κάθε μετρικός τόνος αμμωνίας περιέχει περίπου 5 MWh ενέργειας. "Τα καλύτερα και πιο αποδοτικά εργοστάσια με τη Haber-Bosch διαδικασία λειτουργούν με κατανάλωση περίπου 10 MWh ανά μετρικό τόνο αμμωνίας", λέει ο MacFarlane. "Έτσι, είμαστε περίπου 50% αποτελεσματικοί. Είναι σπατάλη πολλή μεγάλης ποσότητας ενέργειας για αυτό που παίρνετε. "
 |
| Η νιτρογενάση είναι το μόνο ένζυμο που είναι γνωστό ότι ανάγει το Ν2 σε ΝΗ3 σε θερμοκρασία και πίεση περιβάλλοντος. Το ένζυμο διασπά την πλούσια σε ενέργεια τριφωσφορική αδενοσίνη (ΑΤΡ) σε διφωσφορική αδενοσίνη (ADP) και χρησιμοποιεί αυτή την ενέργεια για να μεταφέρει ηλεκτρόνια από ένα σύμπλεγμα σιδήρου-θείου (κυανό / κίτρινο) μέσω ενός συμπλέγματος φωσφόρου (ροζ / κίτρινο) στο καταλυτικό συμπαράγοντα σιδήρου-μολυβδαίνιου (πορτοκαλί), όπου το Ν2 ανάγεται.
Μέσω της ACS πιστώνεται στo: Rong Cai
|
Η μετάβαση σε ανανεώσιμες πρώτες ύλες και ενεργειακές πηγές είναι βραχυπρόθεσμα μια καλή λύση, λέει ο Manthiram, επειδή οι εταιρείες μπορούν να συνδυάσουν αποτελεσματικά τις σημερινές τεχνολογίες ανανεώσιμης ενέργειας με τη Haber-Bosch. Αλλά για να βελτιωθεί η μακροπρόθεσμη βιωσιμότητα της σύνθεσης αμμωνίας, οι επιστήμονες πρέπει να αλλάξουν πλήρως το παιχνίδι.
"Πολλοί άνθρωποι εξετάζουν εναλλακτικές λύσεις έναντι της Haber-Bosch", λέει η Shelley Minteer, βιοηλεκτροχημικός στο Πανεπιστήμιο της Γιούτα. "Πώς μπορούμε να κάνουμε κάτι σε χαμηλές θερμοκρασίες και ατμοσφαιρική πίεση ή κοντά στην ατμοσφαιρική πίεση;"
Η έρευνα στον τομέα έχει απογειωθεί από το 2015 περίπου, ίσως λόγω της αυξημένης διαθεσιμότητας χρηματοδότησης, καθώς οι ομοσπονδιακές υπηρεσίες έχουν αρχίσει να εστιάζουν στο θέμα, λέει η Lauren Greenlee, χημικός μηχανικός στο Πανεπιστήμιο του Αρκάνσας. Οι ερευνητές δοκιμάζουν ένα ευρύ φάσμα προσεγγίσεων: ηλεκτροχημεία, ηλεκτροκατάλυση, φωτοκατάλυση και φωτοηλεκτροκατάλυση. Και παίρνουν έμπνευση ακόμη και από τη βιοχημεία. "Αυτή η ποικιλομορφία που αναπτύσσεται τόσο γρήγορα στο πεδίο αυτό είναι πραγματικά φανταστική γιατί είστε σε θέση να μάθετε ο ένας από τον άλλο, τι λειτουργεί και τι όχι", λέει ο Minteer.
Η ηλεκτροχημική αναγωγή του αζώτου σε αμμωνία μέσω ενός καταλύτη έχει διεγείρει τη φαντασία πολλών επιστημόνων. Οι χημικοί εφαρμόζουν μια διαφορά δυναμικού σε ένα ηλεκτροχημικό κύτταρο για να οδηγήσουν ταυτόχρονα τόσο την οξείδωση του νερού όσο και την αναγωγή του αζώτου. Ο καταλύτης στην άνοδο οξειδώνει το νερό για να σχηματίσει ιόντα υδρογόνου, τα οποία μεταναστεύουν στην κάθοδο, όπου ένας διαφορετικός καταλύτης ανάγει το άζωτο σε αμμωνία. Οι επιστήμονες έχουν αναπτύξει πολυάριθμους καταλύτες ηλεκτροχημικής σύνθεσης αμμωνίας, συμπεριλαμβανομένων νανοδομών ευγενών μετάλλων, μεταλλικών οξειδίων, μεταλλικών νιτριδίων, θειούχων μετάλλων, άνθρακα με άζωτο και βόριο και μεταλλικού λιθίου.
"Αυτό που είναι δελεαστικό για την [ηλεκτροχημεία] είναι ότι μπορείτε να πάρετε τα άτομα υδρογόνου σας απευθείας από τα μόρια του νερού χωρίς να χρειάζεται να περάσετε από το μοριακό υδρογόνο", λέει η Greenlee. "Εάν, θεωρητικά, η ηλεκτροχημική σας διαδικασία παίρνει ενέργεια από ανανεώσιμες πηγές ενέργειας, εξαλείφετε την ανάγκη για ορυκτά καύσιμα τόσο για την αναγκαία ενέργεια για την απαιτούμενη ηλεκτρική ενέργεια της ηλεκτρόλυσης όσο και για την παραγωγή του υδρογόνου." Αυτή η μέθοδος αποφεύγει επίσης την ανάγκη ηλεκτρόλυσης ως ξεχωριστό βήμα και έχει τη δυνατότητα να λειτουργεί σε χαμηλή πίεση και πιθανώς χαμηλή θερμοκρασία, λέει. Υπάρχουν "σε αυτήν πολλά σημεία που είναι πραγματικά θετικά, αν μπορέσουμε να τα βάλουμε να δουλέψουν".
Η ηλεκτροχημεία παρουσιάζει επίσης έναν καλό τρόπο να επιλυθεί το πρόβλημα της βέλτιστης ισορροπίας μεταξύ των ρυθμών αντίδρασης και των αποδόσεων που πρέπει να αντιμετωπίσουν οι χημικοί κατά την εκτέλεση της αντίδρασης Haber-Bosch, λέει ο Manthiram. Η αντίδραση έχει καλές αποδόσεις σε πολύ χαμηλές θερμοκρασίες, λέει, αλλά η ταχύτητα είναι αργή. Για να την επιταχύνουν, οι χημικοί αυξάνουν τη θερμοκρασία. Αλλά σε αυτές τις υψηλές θερμοκρασίες, η θερμοδυναμική της αντίδρασης αλλάζει και η απόδοση μειώνεται. Έτσι οι χημικοί αυξάνουν την πίεση για να επαναφέρουν τις αποδόσεις. Αυτό που είναι το καινούργιο σε ένα ηλεκτροχημικό σύστημα είναι ότι οι χημικοί μπορούν να αυξήσουν την τάση αντί της πίεσης, λέει ο Manthiram. "Αυτό που συνήθως απαιτεί εκατοντάδες bar πίεσης για να επιτευχθεί μπορεί να γίνει με κλάσματα ενός volt."
Η τρέχουσα διαδικασία
Σήμερα, η σύνθεση αμμωνίας αρχίζει με την παραγωγή αερίου υδρογόνου από πρώτες ύλες ορυκτών καυσίμων. Μια μονάδα αναμόρφωσης μετατρέπει τις πρώτες ύλες σε μίγμα αερίων που ονομάζεται συνθετικό αέριο (syngas), το οποίο περιλαμβάνει υδρογόνο. Ένας μετατροπέας CO συνδυάζει το νερό και το μονοξείδιο του άνθρακα από το syngas για να σχηματίσει CO2 και περισσότερο υδρογόνο, και στη συνέχεια η απομάκρυνση του όξινου αερίου (του CO2) απομονώνει το υδρογόνο για σύνθεση αμμωνίας. Αυτή η διαδικασία απελευθερώνει CO2 σε διάφορα βήματα κατά μήκος της διαδρομής.
 |
Διάγραμμα παραγωγής αμμωνίας
Πιστώνεται στην ACS |
Ένα από τα άλλα πιθανά πλεονεκτήματα της ηλεκτροχημικής προσέγγισης είναι ότι το σύστημα αντίδρασης μπορεί να είναι μικρό. Μια συσκευή υπό ανάπτυξη στο εργαστήριο του MacFarlane είναι περίπου στο μέγεθος ενός κινητού τηλεφώνου. Η ιδέα είναι ότι θα μπορούσε να συνθέσει αμμωνία για λίπασμα στην κλίμακα ενός αγροκτήματος ή θερμοκηπίου, οπότε το υλικό θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί εκεί όπου κατασκευάστηκε, εξαλείφοντας την ανάγκη για μεταφορά, λέει ο MacFarlane.
Εν τω μεταξύ, άλλοι ερευνητές αναζητούν στη φύση να κατανοήσουν πώς να ανάγουν αποτελεσματικά το άζωτο σε αμμωνία. Ορισμένα βακτήρια χρησιμοποιούν μεγάλα συμπλέγματα πρωτεϊνών που ονομάζονται νιτρογενάσες για να αρπάξουν το άζωτο από τον αέρα και να κάνουν αμμωνία. Η Minteer και η ομάδα της μελέτησαν αυτό το σύστημα για να συνδέσουν αυτά τα βακτηριακά ένζυμα με ηλεκτρόδια για να δημιουργήσουν νέους ηλεκτροκαταλύτες. Αλλά έχουν ακόμα πολύ δρόμο, λέει η Minteer . Τα συστήματά τους κάνουν μεγαλύτερη αναγωγή πρωτονίων (Η+) από παραγωγή αμμωνίας. Ο στόχος είναι να φτάσουμε στο σημείο όπου παράγουν 99% αμμωνία και 1% υδρογόνο. Αυτή τη στιγμή, τα συστήματά τους παράγουν περίπου 40% αμμωνία και 60% υδρογόνο, λέει.
 |
Αυτή η συσκευή, που αναπτύχθηκε από τον Douglas MacFarlane
και συνεργάτες του στο Πανεπιστήμιο Monash, μπορεί να
μετατρέψει το υδρογόνο και το άζωτο σε αμμωνία μέσα
σε ένα πακέτο μεγέθους κινητού τηλεφώνου.
Μέσω της ACS πιστώνεται στo: Douglas MacFarlane |
Οι επιστήμονες σε όλο το πεδίο αντιμετωπίζουν αυτό το πρόβλημα με την απόδοση του καταλύτη και την εκλεκτικότητα. Ως αποτέλεσμα, η αμμωνία που προέρχεται από αυτά τα συστήματα που δεν είναι Haber-Bosch είναι μια στάλα, όχι ένας χείμαρρος. Είναι πιο εύκολο, χημικά, να φτιάξετε αέριο υδρογόνο παρά αμμωνία. "Οι περισσότεροι καταλύτες που θα ήταν δραστικοί για τη αναγωγή του αζώτου είναι επίσης πολύ δραστήριοι για την παραγωγή του υδρογόνου", λέει η Greenlee.
"Ο καταλύτης πρέπει να είναι σε θέση να σπάσει τον τριπλό δεσμό αζώτου, ο οποίος είναι ένας πολύ ισχυρός και αδρανής δεσμός", λέει ο Manthiram. Μόλις ο δεσμός σπάσει, ο καταλύτης χρειάζεται να σχηματίσει τους τρεις δεσμούς αζώτου-υδρογόνου, όλα σε συνθήκες περιβάλλοντος χωρίς να καταφεύγουμε σε υψηλές θερμοκρασίες ώστε να επιταχύνουμε την κινητική. Αυτός είναι ένας υψηλός στόχος και κάτι που δεν έχει ακόμη ολοκληρωθεί, λέει.
Αλλά οι χημικοί ίσως το έχουν καταφέρει και απλά δεν το γνώριζαν, λέει ο Minteer. Οι επιστήμονες έχουν μελετήσει έντονα καταλύτες εξέλιξης υδρογόνου για τα τελευταία 20 χρόνια. "Έχουμε μάθει πολλά για το πώς να φτιάξουμε καταλύτες για την εξέλιξη του υδρογόνου." Είναι πιθανό, πιστεύει, ότι μερικοί από τους καταλύτες που απέτυχαν στην εξέλιξη του υδρογόνου ήταν πραγματικά ικανοί να παράγουν αμμωνία. «Πρέπει ουσιαστικά να μάθουμε για όλους εκείνους τους καταλύτες που οι άνθρωποι που έκαναν που δεν δούλευαν, που δεν παράγουν υδρογόνο και δουν αν είναι χρήσιμοι για την παραγωγή αμμωνίας», λέει.
Η Greenlee επισημαίνει ότι οι λύσεις πρέπει να ξεπεράσουν το σχεδιασμό του καταλύτη. Οι επιστήμονες πρέπει να καταλάβουν πώς να ελέγχουν, να μειώνουν ή να εξαλείφουν την εξέλιξη της αντίδρασης του υδρογόνου. "Θα είναι κάποιος συνδυασμός σχεδιασμού καταλύτη και ελέγχου του περιβάλλοντος της επιφάνειας του καταλύτη ή της διασύνδεσης για να είναι σε θέση να ελέγξει ή να καταστείλει το υδρογόνο", λέει.
Εκτός από αυτό το ζήτημα επιλεκτικότητας, οι επιστήμονες πρέπει επίσης να ανησυχούν. για το πόσο καιρό αυτοί οι καταλύτες θα διαρκούν, λέει ο MacFarlane, και είναι κάτι που πολλές ομάδες δεν σκέφτονται ακόμα. Για να είναι πρακτικό ένα νέο σύστημα παραγωγής αμμωνίας, όπως σε μια ηλεκτροχημική συσκευή σαν αυτή στην οποία εργάζεται η ομάδα του, οι καταλύτες θα πρέπει να παραμείνουν δραστήριοι και βιώσιμοι για χρόνια, ακόμα και αν το σύστημα θα μπορούσε να αποσυναρμολογηθεί και να ανακατασκευαστεί. "Ο χρόνος ζωής του καταλύτη είναι μια πρόκληση που δεν έχει ακόμη προσδιοριστεί και κατανοηθεί σαφώς." Οι περισσότεροι δεν δημοσιεύουν στοιχεία για τις ζωές τους, αλλά ο μεγαλύτερος χρόνος που έχει δει είναι περίπου μια μέρα, λέει.
Ο δρόμος προς την αμμωνία χωρίς Haber-Bosch είναι μακρύς, λέει ο Minteer. Είτε πρόκειται για σύστημα ηλεκτροκαταλύσεως, φωτοκατάλυσης είτε για βιοκατάλυση, οποιαδήποτε ελπιδοφόρα σε εργαστηριακή κλίμακα αντίδραση θα εξακολουθήσει να χρειάζεται τουλάχιστον μια δεκαετία ή δύο για να μεταφερθεί σε εμπορική κλίμακα, λέει.
Η αναζήτηση εναλλακτικών λύσεων για τη Haber-Bosch είναι επίσης ένα ρίσκο, λέει ο Manthiram, διότι ότι επιδιώκουν οι επιστήμονες τώρα δεν μπορεί να τους ξεφύγει. Αλλά με την παραγωγή αμμωνίας που αγγίζει τόσα πράγματα που χρησιμοποιούμε κάθε μέρα, συμπεριλαμβανομένων των τροφίμων και των φαρμακευτικών προϊόντων, οι επιστήμονες πρέπει να βρουν έναν τρόπο να καταστήσουν αυτά τα εργαστηριακής κλίμακας συστήματα ικανά να λειτουργούν σε μεγαλύτερες κλίμακες, λέει. "Είναι δύσκολο να φανταστούμε έναν κόσμο όπου θα είμαστε απλά εντάξει με τον τρόπο που παράγουμε αμμωνία σήμερα".
Σφάλματα από τον αέρα του εργαστηρίου: Οι δοκιμές και η ταλαιπωρία της ανάπτυξης καταλυτών αμμωνίας
Όταν η Shelley Minteer στο Πανεπιστήμιο της Γιούτα άρχισε αρχικά να μελετά πώς τα βακτηριακά ένζυμα, που ονομάζονται νιτρογενάσες, παράγουν αμμωνία, παρατήρησε κάτι αστείο. Ορισμένες ημέρες, τα σύμπλοκα δεν παρήγαγαν αμμωνία. Σε άλλες μέρες, παρήγαγαν μεγάλη ποσότητα. Ο ένοχος? Η κυρία καθαρισμού.
"Θα βλέπαμε κορύφωση στην παραγωγή τις ημέρες που καθάριζε το πάτωμα", λέει η Minteer.
Το άζωτο και η αμμωνία είναι γύρω μας. Το άζωτο αντιπροσωπεύει το 78% του αέρα που αναπνέουμε και μόρια που περιέχουν άζωτο όπως η αμμωνία βρίσκονται σε πολλά πλαστικά, υφάσματα και είδη καθαρισμού. Αυτά τα μόρια μπορούν να κολλήσουν σε σωληνώσεις, γάντια και γυάλινα σκεύη. "Είναι πολύ δύσκολο, αν όχι αδύνατο, να βγάλουμε από όλα τα δείγματα όλους τους ρύπους αμμωνίας", λέει η Minteer. Οι μολυσματικές ουσίες περιλαμβάνουν επίσης άλλες ενώσεις που περιέχουν άζωτο, όπως νιτρώδη και νιτρικά, τα οποία μπορούν εύκολα να αντιδράσουν για να σχηματίσουν αμμωνία.
Το πεδίο νέων καταλυτών που παράγουν αμμωνία είναι ακόμα νέος, λέει ο Lauren Greenlee, χημικός μηχανικός στο Πανεπιστήμιο του Αρκάνσας. "Οι καταλύτες απλά δεν είναι πολύ αποτελεσματικοί." Οι επιστήμονες κάνουν μικρές ποσότητες καταλύτη και έπειτα δοκιμάζονται σε μικρές κλίμακες. "Το πρόβλημα είναι ότι οι ποσότητες αμμωνίας που παράγονται στην πραγματικότητα από πολλούς ηλεκτροκαταλύτες δεν είναι πολύ μεγαλύτερες από αυτές που θα μετρήσετε στο παρασκήνιο".
Πώς λοιπόν ξέρετε αν η αμμωνία που μετράτε στην πραγματικότητα προήλθε από τον καταλύτη σας και όχι από τους ρύπους στο εργαστήριο; Χωρίς κατάλληλους ελέγχους, δεν το λέτε, λέει η Minteer. Εάν μέρος αυτής της αμμωνίας προέρχεται από το υπόβαθρο, οι επιστήμονες μπορεί να πιστεύουν ότι ο καταλύτης τους λειτουργεί καλά όταν μπορεί να μην είναι έτσι.
Επί του παρόντος, τα περιοδικά δεν απαιτούν δεδομένα σχετικά με συγκεκριμένα πειράματα ελέγχου για τη δημοσίευση δεδομένων από καταλύτη που παράγει αμμωνία. Το αν τα περιοδικά θα πρέπει να απαιτούν αυτούς τους ελέγχους είναι θέμα συζήτησης στην κοινότητα. "Έχω μιλήσει με μερικούς ανθρώπους που υποστήριξαν ότι πρέπει να περιμένουμε και να μην κάνουμε ελέγχους", λέει η Greenlee. Ίσως αυτά τα μέλη του πεδίου υποστηρίζουν ότι η κοινότητα των καταλυτών θα προχωρήσει και οι καταλύτες θα γίνουν πιο αποτελεσματικοί έτσι ώστε η διαφορά μεταξύ του τι παράγει ο καταλύτης και της ποσότητας της αμμωνίας περιβάλλοντος θα γίνει μεγαλύτερη.
Παρόλο που αυτό μπορεί να συμβεί, αυτή η προσέγγιση "περίμενε και κοίτα" έχει προβλήματα, λέει η Greenlee. Εάν μια ομάδα αναφέρει έναν καταλύτη υψηλής απόδοσης, άλλοι ερευνητές μπορεί να αρχίσουν να εργάζονται με αυτόν, θεωρώντας ότι πρόκειται για βελτίωση. "Αλλά τι γίνεται εάν αυτή δεν είναι η σωστή κατεύθυνση που πρέπει να πάρει, γιατί η ομάδα δεν μέτρησε το υπόβαθρό τους σωστά;" Greenlee ζητά.
Η Greenlee πιστεύει ότι οι ερευνητές θα πρέπει να κάνουν ελέγχους και να λαμβάνουν μετρήσεις υποβάθρου για κάθε καταλύτη κάθε μέρα που εκτελούν πειράματα. Τέτοιοι έλεγχοι θα περιλαμβάνουν πειράματα με ισοτοπικά επισημασμένα μόρια ως τελική αξιολόγηση επιτυχημένων καταλυτών, έτσι ώστε οι επιστήμονες να γνωρίζουν από πού προέρχεται το άζωτο στην αμμωνία. Τα άρθρα που δημοσιεύονται θα πρέπει επίσης να αναφέρουν τα αποτελέσματα αυτών των πειραμάτων ελέγχου. "Ακόμα κι αν ένα εργαστήριο κάνει τα κατάλληλα τεστ ελέγχου, είναι πολύ δύσκολο να το πεις όταν γράφεις ένα άρθρο ανακεφαλαίωσης" επειδή δεν αναφέρονται επαρκώς στο αρχικό άρθρο του εργαστηρίου, λέει.
"Υπάρχουν σίγουρα λάθη στην ιστορία της επιστήμης", λέει ο Karthish Manthiram, χημικός μηχανικός στο Τεχνολογικό Ινστιτούτο της Μασαχουσέτης. "Εφόσον όλοι παραδέχονται τα λάθη τους, όλοι προχωρούμε μαζί."
Πηγή:
Από την ACS: Industrial ammonia production emits more CO2 than any other chemical-making reaction. Chemists want to change that Χημικά και τεχνολογικά νέα ISSN 0009-2347
Πνευματικά δικαιώματα © 2019 American Chemical Society
