Химики из США создали установку, превращающую нитраты из сточных вод в аммиак

Американские химики разработали реактор на базе твердотельного электролита, который позволяет максимально эффективно расщеплять молекулы нитратов из сточных вод и превращать их в «зеленый» аммиак при помощи электрического тока. Результаты первых испытаний этой установки были опубликованы в статье в научном журнале Nature Catalysis.

«Мы создали реактор на базе пористого твердого электролита, который способен избирательным образом восстанавливать нитраты, преобразовать их в аммиак и при этом подавлять формирование водорода. Он обладает высоким уровнем эффективности (более 90%) и при типичных для сточных вод концентрациях нитратов, что позволяет использовать его для очистки воды и производства „зеленого“ аммиака», — пишут исследователи.

Данная установка была создана группой американских химиков под руководством доцента Университета Райса (США) Вана Хаотяня. Она представляет собой набор из трех емкостей, одна из которых заполняется сточными водами, вторая — твердым пористым электролитом на базе рутения и меди, а третья — частично очищенной водой. Все эти емкости соединены друг с другом через специальные мембранные электроды, способные пропускать через себя протоны и некоторые другие типы ионов.

Если через эту конструкцию пропустить ток, то пористый электролит, состоящий из медных нанопроводов с добавлением наночастиц рутения, начинает взаимодействовать с жидкостями в двух других сосудах и заставляет свободные электроны вступать в реакции с молекулами воды и нитратами. Последующие реакции между ними приводят к расщеплению нитратов на кислород и азот, после чего атомы азота соединяются с тройками атомов водорода и формируют молекулы аммиака.

В прошлом, как отмечают химики, ученые уже пытались применять электрокатализаторы для преобразования нитратов в аммиак, однако при большой силе тока вместо аммиака возникал водород из-за слишком быстрой транспортировки протонов из емкости с частично очищенной водой в сосуд с очищаемыми сточными водами. Ученые выяснили, что формирование водорода можно подавить, если добавить в пористый электролит большое число ионов натрия или другого щелочного металла.

Добавление этих ионов повысило эффективность преобразования нитратов в аммиак более чем в четыре раза при большой силе тока, причем это было одинаково характерно как для концентрированных растворов нитратов, так и для сточных вод, в которых присутствует относительно небольшие количества этих веществ. В перспективе, это позволит не только быстро и эффективно очищать городские, сельскохозяйственные и промышленные стоки от нитратов, но и одновременно получать «зеленый» аммиак, необходимый для производства большого числа удобрений и химикатов, подытожили Ван Хаотянь и его коллеги.

Для производства аммиака уже много десятилетий используется реакция, открытая немецкими химиками Фрицем Габером и Карлом Бошем еще в начале XX века. Бош и Габер выяснили, что смесь из азота и водорода можно превратить в аммиак, если сжать и нагреть ее до 450-500 градусов Цельсия, а затем пропустить через катализатор на базе железа. Пока ученым не удалось создать альтернативные подходы, превосходящие реакцию Габера-Боша в эффективности, из-за чего аммиачная промышленность сейчас является одним из самых крупных источников выбросов СО2 в атмосферу.