Разработан катализатор, удаляющий аммиак из сточных вод с эффективностью около 100%
Сотрудники Университета Джорджа Р. Брауна, Университета Райса, Университета штата Аризона и Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории разработали высокоэффективный катализатор, который может извлекать аммиак и твердый аммиак – он же удобрение – из низких уровней нитратов, обычно встречающихся в промышленных сточных водах и загрязненных грунтовых водах, с эффективностью около 100%. Описание разработки опубликовано в журнале Nature Nanotechnology.
Исследование инженера-химика и биомолекулярного инженера Райса Хаотяна Ванга показывает, что этот процесс преобразует нитраты с содержанием 2 000 частей на миллион в аммиак, за которым следует эффективный процесс очистки газа для сбора продуктов аммиака. Оставшееся содержание азота после этих процедур может быть снижено до “питьевого” уровня, определенного Всемирной организацией здравоохранения.
“Мы осуществили полный процесс денитрификации воды. При дальнейшей обработке других загрязнителей мы можем превратить промышленные сточные воды обратно в питьевую воду”, – рассказывает аспирант Фенг-Ян Чен.
Исследование показывает перспективную альтернативу эффективным процессам для промышленности, которая зависит от энергоемких процессов для производства более 170 миллионов тонн аммиака в год.
Ученые знали из предыдущих исследований, что атомы рутения являются чемпионами по катализу сточных вод, богатых нитратами. Они объединили его с медью, которая подавляет реакцию выделения водорода – способ получения водорода из воды, что в данном случае является нежелательным побочным эффектом.
По словам соавтора Кристофера Мухича, доцента химической инженерии в штате Аризона, команда использовала расчеты теории функционала плотности, чтобы объяснить, почему атомы рутения способствуют пересечению химического пути, соединяющего нитрат и аммиак.
“Когда есть только рутений, вода встает на пути. Когда есть только медь, воды недостаточно, чтобы обеспечить атомы водорода. Но на отдельных участках рутения вода также не конкурирует, обеспечивая достаточное количество водорода и не занимая места для реакции нитрата”, — отмечают исследователи.
Процесс работает при комнатной температуре и атмосферном давлении, и при том, что ученые назвали “промышленно значимым” током восстановления нитрата в 1 ампер на квадратный сантиметр – количество электричества, необходимое для максимальной скорости катализа. По словам Чена, это должно облегчить масштабирование проекта.
Основным преимуществом процесса является сокращение выбросов углекислого газа при традиционном промышленном производстве аммиака. Исследователи уточнили, что они немаловажны – на них приходится 1,4% ежегодных глобальных выбросов.