Ein Reaktor liefert grünes Ammoniak und gereinigtes Wasser

Neues Reaktorsystem könnte die Ammoniakproduktion dekarbonisieren und nitratverschmutztes Wasser behandeln

20.08.2024

Ammoniak spielt eine entscheidende Rolle bei der Nahrungsmittelproduktion für die wachsende Weltbevölkerung, aber seine Herstellung ist für etwa 2 % des weltweiten Energieverbrauchs und 1,4 % der Kohlendioxidemissionen verantwortlich. Ingenieure der Rice University haben ein revolutionäres Reaktordesign entwickelt, das die Ammoniakproduktion dekarbonisieren und gleichzeitig die Wasserverschmutzung verringern könnte.

In einer Studie beschreibt ein Team von Rice-Ingenieuren unter der Leitung von Haotian Wang die Entwicklung eines neuen Reaktorsystems, das Nitrate - häufig vorkommende Schadstoffe in Industrieabwässern und landwirtschaftlichen Abwässern - in Ammoniak umwandelt, eine lebenswichtige Chemikalie, die nicht nur in Düngemitteln, sondern auch in einer Vielzahl industrieller und kommerzieller Produkte verwendet wird, von Haushaltsreinigern bis hin zu Kunststoffen, Sprengstoffen und sogar Kraftstoff.

Derzeit ist Ammoniak eine der meistproduzierten Chemikalien der Welt, wobei die weltweite Nachfrage jährlich 180 Millionen Tonnen übersteigt. Die wichtigste Methode zur Herstellung von Ammoniak ist das Haber-Bosh-Verfahren, bei dem eine Reaktion zwischen Wasserstoff und Stickstoff unter hohen Temperatur- und Druckbedingungen abläuft und das auf eine groß angelegte, zentralisierte Infrastruktur angewiesen ist. Eine Alternative zu diesem Verfahren ist die elektrochemische Synthese, bei der Strom als Antrieb für chemische Reaktionen verwendet wird.

"Die Elektrochemie findet bei Raumtemperatur statt, lässt sich besser für verschiedene Infrastruktursysteme skalieren und kann mit dezentraler erneuerbarer Energie betrieben werden", so Feng-Yang Chen, ein Rice-Diplomstudent und Hauptautor der Studie. "Die derzeitige Herausforderung für diese Technologie besteht jedoch darin, dass während des elektrochemischen Umwandlungsprozesses große Mengen an chemischen Zusatzstoffen benötigt werden. Der von uns entwickelte Reaktor verwendet wiederverwertbare Ionen und ein Drei-Kammer-System, um die Effizienz der Reaktion zu verbessern.

Eine der Schlüsselinnovationen liegt in der Verwendung eines porösen Festelektrolyten, der die Notwendigkeit hoher Konzentrationen von Stützelektrolyten überflüssig macht - ein Problem, das frühere Versuche zur nachhaltigen Umwandlung von Nitraten in Ammoniak behindert hat. Darüber hinaus würde der Betrieb des Umwandlungsprozesses mit erneuerbarer Energie die Ammoniakproduktion im Wesentlichen kohlenstoffneutral machen.

"Wir haben Experimente durchgeführt, bei denen wir nitratbelastetes Wasser durch diesen Reaktor geleitet und die Menge des erzeugten Ammoniaks sowie die Reinheit des behandelten Wassers gemessen haben", so Chen, der unter der Leitung von Wang in Chemie- und Biomolekulartechnik promoviert. "Wir haben festgestellt, dass unser neuartiges Reaktorsystem nitratbelastetes Wasser sehr effizient in reines Ammoniak und sauberes Wasser umwandeln kann, ohne dass zusätzliche Chemikalien benötigt werden. Einfach ausgedrückt: Man gibt Abwasser hinein und erhält reines Ammoniak und gereinigtes Wasser heraus."

Das neue Reaktorsystem ermöglicht einen elektrochemischen Nitrat-Ammoniak-Umwandlungsweg, der die Denitrifikation überflüssig macht ⎯ das Verfahren, mit dem Kläranlagen Nitrate aus verunreinigtem Wasser entfernen und Stickstoff erzeugen, der in den Haber-Bosch-Prozess eingespeist wird. Dieser Ansatz umgeht nicht nur die traditionelle Denitrifikation und den Haber-Bosch-Prozess, sondern bietet auch eine wirksame Methode zur Wasserdekontaminierung.

"Nitrat ist einer der prioritären Schadstoffe, die am häufigsten gegen die Trinkwasserstandards verstoßen, und stellt in wachsenden Städten ein erhebliches Problem dar, da landwirtschaftliche Nutzflächen mit nitratbelastetem Grundwasser in städtische Bebauung umgewandelt werden", sagte Pedro Alvarez, George R. Brown Professor für Bau- und Umwelttechnik, Direktor des Nanosystems Engineering Research Center for Nanotechnology-Enabled Water Treatment (NEWT) und des Water Technologies Entrepreneurship and Research (WaTER) Institute an der Universität Rice.

Laut Alvarez "beinhaltet die konventionelle Nitratentfernung bei der Trinkwasseraufbereitung den Ionenaustausch oder die Membranfiltration durch Umkehrosmose, bei der Salzlaugen entstehen und das Nitratproblem von einer Phase in eine andere verlagert wird".

"Die Innovation von Professor Wang kommt zur rechten Zeit und ist sehr wichtig, da sie eine Lösung bietet, die die Nitrattoxizität und die damit verbundene Haftung beseitigt, ohne dass zusätzliche Aufbereitungschemikalien eingesetzt werden müssen", sagte Alvarez.

Die Auswirkungen dieser Arbeit gehen über die Ammoniakproduktion hinaus. Die Konstruktion des Reaktors und die begleitende technisch-wirtschaftliche Bewertung der Studie können als Grundlage für die weitere Erforschung anderer umweltfreundlicher chemischer Prozesse dienen und möglicherweise die Art und Weise verändern, wie die Industrie mit Umweltproblemen umgeht.

"Unsere Ergebnisse deuten auf eine neue, umweltfreundlichere Methode zur Bekämpfung der Wasserverschmutzung und der Ammoniakproduktion hin, die einen Einfluss darauf haben könnte, wie Industrie und Gemeinden mit diesen Herausforderungen umgehen", sagte Wang, außerordentlicher Professor für Chemie- und Biomolekulartechnik, Materialwissenschaft und Nanotechnik sowie Chemie an der Rice University. "Wenn wir das Stromnetz dekarbonisieren und die Netto-Null-Ziele bis 2050 erreichen wollen, ist es dringend notwendig, alternative Wege zur nachhaltigen Produktion von Ammoniak zu entwickeln."

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Originalveröffentlichung

Feng-Yang Chen, Ahmad Elgazzar, Stephanie Pecaut, Chang Qiu, Yuge Feng, Sushanth Ashokkumar, Zhou Yu, Chase Sellers, Shaoyun Hao, Peng Zhu, Haotian Wang; "Electrochemical nitrate reduction to ammonia with cation shuttling in a solid electrolyte reactor"; Nature Catalysis, 2024-8-12

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