Иллюстрация: фермер вносит удобрения в почву.

Китайская команда разработала метод преобразования нитратов, содержащихся в сточных водах, в аммиак. Карбамид, используемый в качестве основного ингредиента в удобрении, является более дешевым, энергоэффективным и в некотором роде меняет правила игры.

В настоящее время сточные воды сельского хозяйства и промышленных предприятий часто содержат большое количество нитратов. Это происходит из-за таких факторов, как использованные удобрения, отходы животноводства, отходы химических предприятий и очистки сточных вод.

Слишком большое его количество может иметь катастрофические последствия для местных экосистем, приводя к таким проблемам, как цветение водорослей. Это, в свою очередь, приводит к образованию мертвых зон в водных путях, где уровень кислорода падает, что приводит к гибели водных организмов, таких как рыба.

Это также может привести к загрязнению грунтовых вод и связанным с этим рискам для здоровья людей и животных. Чтобы противостоять этому, большинство стран, как правило, проводят очистку сточных вод от нитратов, но это дорого и энергоемко.

Но, возможно, в этом нет подвоха, поскольку нитрат содержит большое количество азота, который является ключевым компонентом удобрений. Поэтому одна китайская команда решила найти способ использовать этот огромный потенциальный ресурс.

Прорыв в области переработки отходов в удобрения

Аммиак, если вы не в курсе, является одним из важнейших промышленных химикатов в мире. Он используется для производства удобрений, взрывчатых веществ, химикатов, хладагентов и, возможно, будущих водородных энергетических систем.

Однако преобразование азота в эти химические вещества, как правило, является очень дорогостоящим и энергоемким процессом. Обычно для этого используется так называемый процесс Хабера–Боша, при котором чистый азот и водород смешиваются для получения аммиака.

Этот процесс требует очень высоких температур и давлений, которые обычно достигаются за счет использования природного газа. По некоторым данным, во всем мире на это расходуется около 1-2% мирового потребления энергии.

Поэтому, если вместо этого вы сможете производить аммиак из отходов селитры, вы потенциально уменьшите загрязнение окружающей среды, снизите потребление энергии и уменьшите зависимость от импортного сырья. Таким образом, это может привести к производству удобрений кругового цикла, а это очень важно.

В основе открытия лежит новый суперкатализатор, который помогает процессу. Если вы не знаете, это специальные материалы, которые помогают химической реакции протекать быстрее и эффективнее.

В данном случае китайская команда использовала так называемый двухатомный катализатор (DAC). Он отличается от традиционных катализаторов, в которых, как правило, используются либо одноатомные материалы, либо наночастицы.

Требуется дополнительная работа

Для превращения нитрата в аммиак использование двух взаимодополняющих атомов является ключевым в таких многоступенчатых процессах, как этот. Это связано с тем, что атомная “команда меток” лучше справляется с переносом электронов, промежуточными молекулами, разрывом и образованием связей.

Интересно, что команда также использовала искусственный интеллект (ИИ), чтобы помочь найти наилучшие пары атомов для работы. Таким образом, вместо проведения тысяч физических экспериментов методом проб и ошибок ИИ помог им определить наилучшие возможности для тестирования, сэкономив много часов потраченного впустую времени.

И это действительно принесло свои плоды. По словам ученых, их катализатор почти в три раза эффективнее других подобных катализаторов. Если это правда, то он может обеспечить гораздо более высокий выход аммиака, степень конверсии и меньшее количество отходов.

Все это означает, что при меньших затратах вы можете получить больше преимуществ, а также решить проблему очень серьезного загрязнения окружающей среды в промышленности и сельском хозяйстве. Это, без сомнения, прорыв, но важно отметить, что работа еще не завершена.

На данный момент ученые смогли протестировать катализатор только в лабораторных условиях и небольшими партиями. Пока не доказано, что этот метод может работать в "реальных условиях", расширяться и справляться с различными загрязнителями, помимо нитратов в сточных водах.