04.05.2022 - Rice University

Neues Verfahren soll Ammoniak aus dem Abwasser entfernen

Ruthenium und Kupfer katalysieren einen umweltfreundlicheren Weg zur Herstellung wichtiger Chemikalien

Ein Hauch von Rutheniumatomen auf einem Netz aus Kupfer-Nanodrähten könnte ein Schritt in Richtung einer Revolution in der weltweiten Ammoniakindustrie sein, die auch der Umwelt zugute kommt.

Mitarbeiter der George R. Brown School of Engineering der Rice University, der Arizona State University und des Pacific Northwest National Laboratory haben einen Hochleistungskatalysator entwickelt, der mit nahezu 100 %iger Effizienz Ammoniak und festes Ammoniak - auch bekannt als Düngemittel - aus geringen Mengen von Nitraten gewinnen kann, die in Industrieabwässern und verschmutztem Grundwasser weit verbreitet sind.

Eine Studie unter der Leitung des Chemie- und Biomolekularingenieurs Haotian Wang von Rice zeigt, dass das Verfahren Nitratmengen von 2.000 Teilen pro Million in Ammoniak umwandelt, gefolgt von einem effizienten Gas-Stripping-Verfahren zur Sammlung des Ammoniakprodukts. Der verbleibende Stickstoffgehalt nach diesen Behandlungen kann auf ein von der Weltgesundheitsorganisation definiertes "trinkbares" Niveau gesenkt werden.

"Wir haben einen vollständigen Denitrifizierungsprozess für das Wasser durchgeführt", sagt Feng-Yang Chen, Doktorandin. "Mit einer weiteren Wasseraufbereitung für andere Verunreinigungen können wir möglicherweise Industrieabwässer wieder in Trinkwasser verwandeln."

Chen ist einer der drei Hauptautoren der Studie, die in Nature Nanotechnology veröffentlicht wurde.

Die Studie zeigt eine vielversprechende Alternative zu effizienten Verfahren für eine Industrie auf, die auf einen energieintensiven Prozess zur Herstellung von mehr als 170 Millionen Tonnen Ammoniak pro Jahr angewiesen ist.

Die Forscher wussten aus früheren Studien, dass Rutheniumatome bei der Katalyse von nitratreichen Abwässern führend sind. Ihr Clou war die Kombination mit Kupfer, das die Wasserstoffentwicklungsreaktion unterdrückt, eine Methode zur Erzeugung von Wasserstoff aus Wasser, die in diesem Fall ein unerwünschter Nebeneffekt ist.

"Wir wussten, dass Ruthenium ein guter Metallkandidat für die Nitratreduktion war, aber wir wussten auch, dass es ein großes Problem gab, nämlich dass es leicht zu einer konkurrierenden Reaktion, nämlich der Wasserstoffentwicklung, kommen konnte", so Chen. "Wenn wir Strom anlegen, würde ein Großteil der Elektronen einfach in Wasserstoff umgewandelt, nicht in das gewünschte Produkt.

"Wir borgten uns ein Konzept aus anderen Bereichen wie der Kohlendioxid-Reduktion, bei der Kupfer zur Unterdrückung der Wasserstoffentwicklung verwendet wird", fügte Wang hinzu. "Dann mussten wir einen Weg finden, Ruthenium und Kupfer organisch zu kombinieren. Es stellte sich heraus, dass die Dispersion einzelner Rutheniumatome in die Kupfermatrix am besten funktioniert".

Das Team nutzte Berechnungen der Dichtefunktionaltheorie, um zu erklären, warum Rutheniumatome den chemischen Pfad, der Nitrat und Ammoniak verbindet, leichter überqueren können, so Christopher Muhich, ein Assistenzprofessor für Chemieingenieurwesen an der Arizona State University, der als Mitautor fungiert.

"Wenn nur Ruthenium vorhanden ist, ist das Wasser im Weg", sagte Muhich. "Wenn nur Kupfer vorhanden ist, gibt es nicht genug Wasser, um Wasserstoffatome zu liefern. Aber auf den einzelnen Ruthenium-Stellen konkurriert das Wasser nicht so gut und liefert gerade genug Wasserstoff, ohne dem Nitrat den Platz für eine Reaktion zu nehmen."

Das Verfahren funktioniert bei Raumtemperatur und Umgebungsdruck und bei einem, wie die Forscher es nennen, "industriell relevanten" Nitratreduktionsstrom von 1 Ampere pro Quadratzentimeter, der Strommenge, die zur Maximierung der Katalyserate benötigt wird. Das sollte die Vergrößerung des Systems erleichtern, so Chen.

"Ich glaube, dass dies ein großes Potenzial hat, aber es wurde ignoriert, weil es für frühere Studien schwierig war, eine so gute Stromdichte zu erreichen und gleichzeitig eine gute Produktselektivität beizubehalten, besonders bei niedrigen Nitratkonzentrationen", sagte er. "Aber jetzt zeigen wir genau das. Ich bin zuversichtlich, dass wir die Möglichkeit haben werden, dieses Verfahren für industrielle Anwendungen voranzutreiben, vor allem weil es keine große Infrastruktur erfordert."

Ein Hauptvorteil des Verfahrens ist die Verringerung der Kohlendioxidemissionen, die bei der herkömmlichen industriellen Herstellung von Ammoniak entstehen. Diese sind nicht unbedeutend und machen 1,4 % der jährlichen weltweiten Emissionen aus, so die Forscher.

"Wir sind uns zwar darüber im Klaren, dass die Umwandlung von Nitratabfällen in Ammoniak kurzfristig nicht in der Lage sein wird, die bestehende Ammoniakindustrie vollständig zu ersetzen, aber wir glauben, dass dieses Verfahren einen bedeutenden Beitrag zur dezentralen Ammoniakproduktion leisten könnte, insbesondere an Orten mit hohen Nitratquellen", so Wang.

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