Un nuovo processo potrebbe consentire agli impianti di trattamento delle acque di sfruttare la produzione sostenibile o il fertilizzante a base di urea.
L’agricoltura dipende fertilizzante azotato sintetico, che utilizza processi ad alta intensità di energia e carbonio e crea deflussi contenenti nitrati. I ricercatori cercano da tempo soluzioni per ridurre le emissioni del settore che rappresentano il 3% del consumo energetico ogni anno.
Una collaborazione tra due laboratori della Northwestern, in collaborazione con l’Università di Toronto, ha scoperto che la produzione del fertilizzante urea utilizzando la sintesi elettrificata potrebbe denitrificare le acque reflue consentendo al tempo stesso la produzione di fertilizzanti urea a bassa intensità di carbonio. Credito immagine: Etienne Girardet tramite Unsplash, licenza gratuita
Una collaborazione tra due laboratori della Northwestern University, in collaborazione con l’Università di Toronto, ha scoperto che la produzione del fertilizzante urea utilizzando la sintesi elettrificata potrebbe sia denitrificare le acque reflue consentendo al tempo stesso la produzione di urea a bassa intensità di carbonio.
Il processo, che comprende la conversione dell’anidride carbonica e dell’azoto di scarto utilizzando un catalizzatore ibrido composto da zinco e rame, potrebbe avvantaggiare gli impianti di trattamento delle acque riducendo la loro impronta di carbonio e fornendo un potenziale flusso di entrate.
I risultati sono stati pubblicati sulla rivista Catalisi della natura.
“Si stima che i fertilizzanti sintetici a base di azoto sostengano la metà della popolazione mondiale”, ha affermato il professore della Northwestern Ted Sargentun autore corrispondente sul giornale.
“Una delle principali priorità degli sforzi di decarbonizzazione è aumentare la qualità della vita sulla Terra, riducendo contemporaneamente la CO2 netta della società2 intensità. Capire come utilizzare l’elettricità rinnovabile per alimentare i processi chimici rappresenta una grande opportunità in questo senso”.
Impianto di trattamento acque – foto illustrativa. Credito immagine: Andrew Curtis via geograph.org.ukCC BY-SA 2.0
Sargent è il co-direttore esecutivo della Istituto Paula M. Trienens per la sostenibilità e l’energia (già ISEN) e ricercatore multidisciplinare in chimica dei materiali e sistemi energetici, con incarichi presso il dipartimento di Chimica dell’Università Weinberg College delle Arti e delle Scienze e il dipartimento di ingegneria elettrica e informatica del Scuola di Ingegneria McCormick.
Nel campo di Sargent, molti ricercatori hanno sviluppato percorsi alternativi per produrre ammoniaca, un precursore di molti fertilizzanti, ma pochi hanno esaminato l’urea, che è un fertilizzante spedibile e pronto all’uso. Rappresenta un’industria da 100 miliardi di dollari.
Il team ha affermato che la ricerca è nata dalla domanda: “Possiamo utilizzare le fonti di azoto di scarto, la CO2 catturata2ed elettricità per creare l’urea?”
Guardare indietro per andare avanti
Yuting Luo, il primo autore dell’articolo, un ricercatore post-dottorato del Sargent Group e ricercatore post-dottorato di Banting, ha affermato che un’analisi approfondita dei riferimenti storici ha aiutato a identificare quello che sarebbe diventato il loro catalizzatore ibrido “magico” per la produzione di fertilizzanti e il trattamento delle acque.
In genere, i chimici utilizzano leghe o materiali più complicati per innescare le reazioni, limitandole a favorire un singolo passaggio di reazione alla volta. “È abbastanza raro mettere insieme due catalizzatori che cooperano in modalità relè”, ha detto Luo. “Il catalizzatore è la vera magia qui.”
Il team ha visto riferimenti risalenti agli anni ’70 che implicavano che i metalli puri – come zinco e rame – potessero essere utili nei processi che coinvolgono la conversione di anidride carbonica e azoto.
Questi esperimenti preliminari, che il laboratorio Sargent ha poi replicato, hanno convertito relativamente poco degli ingredienti iniziali nel prodotto desiderato (il team ha riscontrato un’efficienza di conversione in urea di circa il 20-30%).
Secondo Ke Xie, professore assistente di ricerca alla Northwestern e coautore dello studio, “A questi modesti livelli di efficienza, la sintesi dell’urea alimentata elettricamente non sarebbe un modo pratico per le strutture di gestire le acque reflue e il deflusso”.
Le fonti energetiche rinnovabili sono l’ago della bilancia
La creazione di un cambiamento all’interno delle industrie richiede attente analisi costi-benefici che dimostrino definitivamente che un nuovo percorso di produzione alla fine ripagherà sia in termini di risparmio energetico che di costi. È lì che professore di ingegneria chimica Quello di Jennifer Dunn sono arrivate le ricerche.
Chayse Lavallais, un dottorato di ricerca al quarto anno. studente del laboratorio Dunn, ha aiutato il team a condurre un’analisi approfondita del ciclo di vita, includendo attentamente ogni input e output di energia in una varietà di scenari.
“Utilizzando una rete americana media, le emissioni energetiche sono più o meno le stesse”, ha detto Lavallais.
“Ma quando si passa alle fonti rinnovabili, diversi fattori riducono le emissioni di energia, tra cui il sequestro di CO2 e i crediti di carbonio immagazzinati nei polimeri di uso finale. In un impianto di trattamento dell’acqua, se ciò aggiunge emissioni o energia, non sono incoraggiati a utilizzare la tecnologia. Abbiamo visto che questo non ha un impatto significativo sui costi operativi giornalieri e c’è il potenziale per vendere il prodotto.”
Hanno scoperto che l’efficienza di conversione dovrebbe raggiungere il 70% per essere pratica.
Perfezionamento del rapporto “catalizzatore magico”.
Alla fine i ricercatori hanno raggiunto il loro obiettivo partendo da un semplice errore. La loro ipotesi era solida: uno strato di zinco sul rame avrebbe portato a prestazioni migliori. Ma inizialmente, non lo trovavano affatto perché stavano applicando uno strato di zinco troppo spesso e utilizzando un rapporto uno a uno tra zinco e rame, con il risultato che il materiale si comportava come se interagisse solo con lo zinco.
Ad un certo punto, qualcuno ha aggiunto meno legante del normale alla miscela e un po’ di zinco è stato lavato via, e l’esperimento ha funzionato molto bene. Il team ha quindi messo a punto i metalli di conseguenza e ha determinato che un rapporto tra una parte di zinco e 20 parti di rame ha portato a prestazioni ottimali.
Il gruppo Sargent ha anche applicato una lente computazionale per scoprire perché rame e zinco lavoravano così bene insieme e perché sembrava che ci fosse bisogno di sinergia tra le due reazioni. Poiché è impossibile catturare visivamente queste reazioni – avvengono su scala di nanosecondi – è necessario calcolarle e determinare come gli elettroni si muovono attraverso una reazione.
Questo processo ha avuto due sezioni distinte. Innanzitutto, il carbonio deve interagire con lo zinco, poiché una reazione con il rame produce una reazione debole. Nella seconda fase è vero il contrario: l’azoto e il rame creano una reazione efficiente, mentre lo zinco fa ben poco.
C’è ancora molta strada da fare prima che il processo possa essere commercializzato, hanno detto i ricercatori. In primo luogo, la reazione così com’è non tiene conto delle impurità trovate in un contesto di trattamento dell’acqua. Sperano anche di aumentare la quantità di tempo in cui il loro processo può funzionare.
Fonte: Università nordoccidentale
Da un’altra testata giornalistica. news de www.technology.org