Un nou reactor ar putea transforma apele uzate în apă potabilă, generând totodată una dintre cele mai căutate substanțe chimice din lume.
Noul reactor, descris pe 12 august în jurnal Cataliza naturiiproduce amoniac gazos din apa contaminată cu ioni de azotat.
Amoniacul (NH3) este o substanță chimică industrială extrem de importantă. Este una dintre componentele cheie ale îngrășămintelor și, de asemenea, vitală în procesele de fabricație chimică. Peste 180 de milioane de tone (163 de milioane de tone metrice) sunt produse anual, mai ales prin procesul Haber-Bosch, vechi de 100 de ani, o reacție de temperatură înaltă și presiune ridicată între hidrogen și azot. Numai această reacție chimică folosește aproximativ 2% din energia lumii, potrivit studiului.
Nitrații, pe de altă parte, poluează râurile și pâraiele atunci când excesul de scurgere din terenurile agricole fertilizate intră în căile navigabile locale. Nitrații devastează ecosistemele acvatice, iar la niveluri mai mari în apa potabilă pot prezintă riscuri pentru sănătate. Pentru a fi sigură de băut, apa trebuie tratată temeinic pentru a elimina nitrații.
Tratamentele comerciale existente folosesc bacterii pentru a converti ionii de nitrat direct în azot, dar această procedură este costisitoare și, de asemenea, produce protoxid de azot, care, liră pentru liră, este De 265 de ori mai puternic ca un gaz cu efect de seră decât dioxidul de carbon.
Pentru a evita acest impact asupra climei, oamenii de știință lucrează la modalități de a transforma nitrații în amoniac folosind electricitate, dar sistemele timpurii s-au luptat cu reacții secundare nedorite.
În aceste dispozitive, există un capăt pozitiv și unul negativ, cu o diferență de încărcare între cele două. Reacțiile chimice apar la ambele. Apa este împărțită în oxigen gazos și ioni de hidrogen la capătul negativ al reactorului, în timp ce o a doua reacție transformă nitrații în amoniac și ioni de hidroxil (OH-) la capătul pozitiv.
Din păcate, ionii de hidrogen produși pe o parte tind să se difuzeze în cealaltă, unde reacţionează chimic pentru a forma hidrogen. Deoarece chiar și apa foarte poluată are încă concentrații mici de nitrați, această reacție cu hidrogen ajunge să domine și împiedică apariția eficientă a reacției principale de azotat la amoniac. Oamenii de știință au încercat să ocolească acest lucru punând aditivi în amestec, dar acest lucru nu este practic pentru aplicațiile din lumea reală în tratarea apei.
În noul studiu, cercetătorii au rezolvat această problemă parțial prin adăugarea unei camere intermediare, creând un reactor cu trei camere, primul autor al studiului. Feng-Yang Chenun cercetător de la Universitatea Rice din Texas, a spus Live Science într-un e-mail. În prima cameră, nitratul este transformat în amoniac gazos și ioni de hidroxil. Acestea se combină cu ionii de sodiu deja prezenți în apă pentru a forma hidroxid de sodiu. Pe măsură ce apa curățată părăsește prima cameră și este pompată în camera de mijloc cu acest hidroxid de sodiu, gazul de amoniac nou format este barbotat. Între timp, în a treia cameră, ionii de hidrogen produși prin divizarea apei difuzează prin celulă în camera de mijloc. Aici, ionii de hidrogen și hidroxil din hidroxidul de sodiu se combină pentru a forma apă. Ionii de sodiu rămași se mută apoi înapoi din camera de mijloc în prima cameră pentru a repeta ciclul.
În mod esențial, niciun ioni de hidrogen nu ajung pe cealaltă parte a reactorului pentru a interfera cu reacția nitratului. Într-un test de 10 zile, peste 90% din curentul electric din producția de amoniac alimentată de celule a echipei de cercetare, comparativ cu aproximativ 20% pentru sistemele anterioare.
Designul lui Wang este încă experimental și trebuie încă să rezolve câteva probleme înainte ca tehnologia să poată fi lansată comercial.
Una dintre marile provocări este să se asigure că reacția poate continua în prezența impurităților, cum ar fi ionii de magneziu și calciu, care se găsesc adesea în apă, a spus Chen.