Ученые создали реактор, который производит аммиак из загрязненной воды, и он намного эффективнее существующих методов.

Новый реактор превращает загрязненную воду в питьевую воду и при этом производит одно из самых востребованных химических веществ в мире. Он может создавать газообразный аммиак из воды, загрязненной ионами нитратов.

Результаты исследования представлены в журнале Nature Catalysis, пишет Live Science.

Аммиак, химическое вещество, состоящее из одного атома азота и трех атомов водорода, имеет важнейшее значение в промышленном производстве. Аммиак является одним из ключевых компонентов в удобрениях, а также важен в процессах химического производства. Каждый год производится примерно 180 млн тонн аммиака помощью процесса Габера, во время которого вещество получат при высоком давлении и температуре из синтеза водорода и азота. По словам авторов исследования, этот процесс каждый год потребляет примерно 2% мировой энергии.

С другой стороны, нитраты (соли азотной кислоты) загрязняют реки, когда они попадают с удобренных сельскохозяйственных угодий. Нитраты опустошают водные экосистемы, а при более высоком содержании в питьевой воде могут представлять опасность для здоровья. Чтобы воду можно было пить ее нужно очистить от нитратов.

Для этого используют бактерии, которые преобразуют нитраты в азот, но этот дорогостоящий процесс, во время которого также производится оксид азота, который в сотни раз более сильный парниковый газ, чем углекислый газ.

Чтобы избежать негативного воздействия на климат, ученые работают над способами преобразования нитрата в аммиак с помощью электричества. Но прошлые устройства имели некоторые проблемы. В этих устройствах есть положительный и отрицательный конец с разными зарядами. Химические реакции происходят на обоих концах. Вода разделяется на газообразный кислород и ионы водорода на конце реактора с отрицательным зарядом, в то время как вторая реакция преобразует нитраты в аммиак и гидроксильные ионы на другом конце.

Но ионы водорода могут перемещаться на другой конец реактора и вступать в реакцию с образованием водорода. Поскольку даже сильно загрязненная вода все еще имеет крошечные концентрации нитратов, эта реакция водорода в конечном итоге становится доминирующей и препятствует эффективному протеканию основной реакции превращения нитрата в аммиак. Ученые пытались решить эту проблему, но это им не удалось.

Авторы нового исследования частично обошли эту проблему, создав новый трехкамерный реактор, с дополнительной камерой. В первой камере нитраты превращаются в газообразный аммиак и гидроксильные ионы. Они соединяются с ионами натрия, уже присутствующими в воде, и образуют гидроксид натрия. Когда очищенная вода покидает первую камеру и попадает в среднюю камеру с гидроксидом натрия, вновь образованный газообразный аммиак выходит в виде пузырей.

В третьей камере ионы водорода, полученные в результате расщепления воды, проходят в среднюю камеру. Здесь ионы водорода и гидроксила из гидроксида натрия объединяются и образую воду. Оставшиеся ионы натрия возвращаются из средней камеры в первую камеру, чтобы повторить цикл. Ни один ион водорода не достигает другого конца реактора, чтобы помешать реакции. С помощью электрического тока ученые смогли создать в 3 раза больше аммиака, чем в прошлых реакторах.