Kombination von Sonnenlicht und Abwassernitrat zur Herstellung der weltweiten Nr. 2 Chemikalie

Publiziert

UIC-Ingenieure wandeln Nitrate in nachhaltiger elektrochemischer Reaktion mit hohem Wirkungsgrad in Ammoniak um

Ingenieure der University of Illinois Chicago haben eine solarbetriebene elektrochemische Reaktion entwickelt, die nicht nur Abwasser zur Herstellung von Ammoniak - der weltweit am zweithäufigsten produzierten Chemikalie - nutzt, sondern auch einen Wirkungsgrad bei der Umwandlung von Sonnenenergie in Kraftstoff erreicht, der zehnmal besser ist als bei jeder anderen vergleichbaren Technologie.

"Diese Technologie und unsere Methode haben ein großes Potenzial für die bedarfsgerechte Synthese von Düngemitteln und könnten einen immensen Einfluss auf den Landwirtschafts- und Energiesektor in Industrie- und Entwicklungsländern sowie auf die Bemühungen zur Verringerung der Treibhausgase aus fossilen Brennstoffen haben", sagte der leitende Forscher Meenesh Singh, Assistenzprofessor für Chemieingenieurwesen am UIC College of Engineering.

Ammoniak, eine Kombination aus einem Stickstoffatom und drei Wasserstoffatomen, ist eine Schlüsselverbindung für Düngemittel und viele Industrieprodukte wie Kunststoffe und Arzneimittel. Die derzeitigen Verfahren zur Herstellung von Ammoniak aus Stickstoff erfordern enorme Wärmemengen, die durch die Verbrennung fossiler Brennstoffe erzeugt werden, um die starken Bindungen zwischen den Stickstoffatomen aufzubrechen, damit sie sich mit Wasserstoff verbinden können. Dieser jahrhundertealte Prozess verursacht einen erheblichen Teil der weltweiten Treibhausgasemissionen, die eine treibende Kraft des Klimawandels sind.

Zuvor hatten Singh und seine Kollegen eine umweltfreundliche Methode zur Herstellung von Ammoniak entwickelt, bei der reines Stickstoffgas durch ein elektrisch geladenes, mit einem Katalysator versehenes Sieb in einer wässrigen Lösung gefiltert wird. Diese Reaktion verbrauchte nur eine winzige Menge fossiler Energie, um das Sieb zu elektrisieren, das Stickstoffatome aufspaltet, aber es wurde mehr Wasserstoffgas (80 %) als Ammoniak (20 %) erzeugt.

Nun haben die Forscher dieses Konzept verbessert und eine neue Methode entwickelt, bei der Nitrat, eine der häufigsten Grundwasserverunreinigungen, als Stickstofflieferant und Sonnenlicht zur Elektrifizierung der Reaktion verwendet wird. Das System erzeugt nahezu 100 % Ammoniak ohne Nebenreaktionen mit Wasserstoffgas. Die Reaktion kommt ohne fossile Brennstoffe aus und erzeugt kein Kohlendioxid oder andere Treibhausgase. Durch die Nutzung von Sonnenenergie wird ein beispielloser Wirkungsgrad von 11 % erreicht, der zehnmal besser ist als bei jedem anderen modernen System zur Ammoniakproduktion (etwa 1 % STF).

Die neue Methode beruht auf einem Kobaltkatalysator, den die Forscher zusammen mit dem neuen Verfahren in ihrem Papier "Solar-Driven Electrochemical Synthesis of Ammonia using Nitrate with 11% Solar-to-Fuel Efficiency at Ambient Conditions" beschreiben.

Um den Katalysator zu identifizieren, wendeten die Forscher zunächst die Rechentheorie an, um vorherzusagen, welches Metall am besten funktionieren würde. Nachdem sie anhand dieser Modelle Kobalt identifiziert hatten, experimentierte das Team mit dem Metall und probierte verschiedene Möglichkeiten aus, um seine Aktivität in der Reaktion zu optimieren. Die Forscher fanden heraus, dass eine raue, aus der Oxidation stammende Kobaltoberfläche am besten geeignet war, um eine selektive Reaktion zu erzeugen, d. h. fast alle Nitratmoleküle in Ammoniak umzuwandeln.

"Einen aktiven, selektiven und stabilen Katalysator zu finden, der in einem solarbetriebenen System funktioniert, ist ein starker Beweis dafür, dass eine nachhaltige Synthese von Ammoniak im industriellen Maßstab möglich ist", so Singh.

Die Reaktion selbst ist nicht nur kohlenstoffneutral, was gut für die Umwelt ist, sondern wenn das System für den industriellen Einsatz entwickelt wird, könnte es auch einen fast negativen, restaurativen Effekt auf die Umwelt haben.

"Die Verwendung von Abwassernitrat bedeutet, dass wir den Schadstoff auch aus dem Oberflächen- und Grundwasser entfernen müssen. Im Laufe der Zeit kann das Verfahren also gleichzeitig dazu beitragen, Industrieabfälle und Abwässer zu korrigieren und den Stickstoffkreislauf wieder ins Gleichgewicht zu bringen, insbesondere in ländlichen Gebieten, die möglicherweise wirtschaftliche Nachteile haben oder durch die hohe Belastung mit überschüssigem Nitrat am stärksten gefährdet sind", so Singh.

Eine hohe Nitratbelastung des Trinkwassers wird mit Gesundheitsstörungen wie Krebs, Schilddrüsenerkrankungen, Frühgeburten und niedrigem Geburtsgewicht in Verbindung gebracht.

"Wir sind alle sehr erfreut über diesen Erfolg, und wir werden hier nicht stehen bleiben. Wir hoffen, dass wir bald einen größeren Prototyp haben werden, mit dem wir in einem viel größeren Maßstab testen können", sagte Singh, der bereits mit kommunalen Unternehmen, Kläranlagen und anderen in der Branche zusammenarbeitet, um das System weiter zu entwickeln.

Ein Patent für das neue Verfahren wurde vom UIC-Büro für Technologiemanagement angemeldet.

Originalveröffentlichung

EVENTS

FachPack

Europäische Fachmesse für Verpackung, Technik, Veredelung und Logistik

Datum: 28. - 30. September 2021

Ort: Nürnberg (D)

parts2clean

Internationale Leitmesse für industrielle Teile- und Oberflächenreinigung

Datum: 05. - 07. Oktober 2021

Ort: Stuttgart (D)

VISION

Weltleitmesse für Bildverarbeitung

Datum: 05. - 07. Oktober 2021

Ort: Stuttgart (D)

Fakuma

Internationale Fachmesse für Kunststoffverarbeitung

Datum: 12. - 16. Oktober 2021

Ort: Friedrichshafen (D)

Ilmac

Fachmesse für Prozess- und Labortechnologie

Datum: 19. - 21. Oktober 2021

Ort: Basel (CH)

A + A

Internationale Fachmesse für Persönlichen Schutz, Betriebliche Sicherheit und Gesundheit bei der Arbeit.

Datum: 26. - 29. Oktober 2021

Ort: Düsseldorf (D)

Compamed

Fachmesse für Produkte aus der medizinischen Vorproduktion

Datum: 15. - 18. November 2021

Ort: Düsseldorf (D)

Medica

Die Weltleitmesse der Medizinbranche

Datum: 15. - 18. November 2021

Ort: Düsseldorf (D)

SEMICON Europa

Europäische Leitmesse für Mikroelektronik

Datum: 16. - 19. November 2021

Ort: München (D)

AQUA Suisse

Die Schweizer Fachmesse für Wasser, Abwasser und Gas

Datum: 17. - 18. November 2021

Ort: Zürich (CH)

maintenance Schweiz

Schweizer Fachmesse für industrielle Instandhaltung und Facility Management

Datum: 17. - 18. November 2021

Ort: Zürich (CH)

Pumps & Valves

Fachmesse für Pumpen- und Ventiltechnik

Datum: 17. - 18. November 2021

Ort: Zürich (CH)

Swissbau

Die führende Fachmesse der Bau- und Immobilienwirtschaft in der Schweiz Sicherheits-Kongress 2020 parallel zur Swissbau - Praxisnahe Sicherheitsinformationen als Weiterbildung.

Datum: 18. - 21. Januar 2022

Ort: Basel (CH)

NORTEC

Fachmesse für Produktionstechnik und Maschinenbau

Datum: 25. - 28. Januar 2022

Ort: Hamburg (D)

Empack Schweiz

The Future of Packaging Technology

Datum: 26. - 27. Januar 2022

Ort: Bern Expo (CH)

aqua pro gaz

DIE SCHWEIZER MESSE DER TRINKWASSER-, ABWASSER- UND GASFACHLEUTES

Datum: 09. - 11. Februar 2022

Ort: Bulle (CH)

Vivaness

Internationale Fachmesse für Naturkosmetik

Datum: 15. - 18. Februar 2022

Ort: Nürnberg (D)

LogiMat

Internationale Fachmesse für Intralogistik

Datum: 08. - 10. März 2022

Ort: Stuttgart (D)

Filtech

Internationale Fachmesse für Filter- und Trenntechnologie

Datum: 08. - 10. März 2022

Ort: Köln (D)

Swiss Plastics Expo

Schweizer Fachmesse Kunststoffindustrie

Datum: 15. - 17. März 2022

Ort: Luzern (CH)

IKV-Kunststoffverarbeitung

International Colloquium Plastics Technology Recruiting - Networking - Innovating

Datum: 16. - 17. März 2022

Ort: Aachen (D)

LOPEC

International führende Fachmesse mit Kongress für Gedruckte Elektronik

Datum: 22. - 24. März 2022

Ort: München (D)

Achema

Internationale Leitmesse der Prozessindustrie

Datum: 04. - 08. April 2022

Ort: Frankfurt am Main (D)

Siams

Die Messe der Produktionsmittel der Mikrotechnik

Datum: 05. - 08. April 2022

Ort: Halle d'Exposition, Moutier (CH)

Hannover Messe

Heimat der Industriepioniere Jetzt mehr denn je

Datum: 25. - 29. April 2022

Ort: Hannover (D)

LASER World of PHOTONICS

Weltleitmesse für Komponenten, Systeme und Anwendungen der Photonik

Datum: 26. - 29. April 2022

Ort: München (D)

T4M

Die neue Messe für Medizintechnik in Stuttgart.

Datum: 3. - 5. Mai 2022

Ort: Stuttgart (D)

MedTech Summit

Kongress technologie- und marktrelevanten Themen aus der Medizintechnik- und Gesundheitsbranche

Datum: 03. - 05. Mai 2022

Ort: Online (D)

MedtecLIVE with T4M

ein Joint Venture der MT-CONNECT und Medtec Europe und TM4

Datum: 03. - 05. Mai 2022

Ort: Stuttgart/Nürnberg (D)

SENSOR + TEST

Internationale Fachmesse für Sensorik, Mess- und Prüftechnik

Datum: 10. - 12. Mai 2022

Ort: Online (D)

IFAT

Weltleitmesse für Wasser-, Abwasser-, Abfall- und Rohstoffwirtschaft

Datum: 30. Mai - 03. Juni 2022

Ort: München (D)

ArbeitsSicherheitSchweiz

Fachmesse für Arbeitssicherheit, Gesundheitsschutz & Gesundheitsförderung am Arbeitsplatz

Datum: 01. - 02. Juni 2022

Ort: Bern (CH)

analytica

Leitmesse für Labortechnik, Analytik, Biotechnologie und analytica conference

Datum: 21. - 24. Juni 2022

Ort: München (D)

Automatica

Leitmesse für intelligente Automation und Robotik

Datum: 21. -24. Juni 2022

Ort: München (D)

POWTECH

Pharma.Manufacturing.Excellence

Datum: 30. August - 01. September 2022

Ort: Nürnberg (D)

Rehacare

Die REHACARE ist die internationale Fachmesse für Rehabilitation, Prävention, Inklusion und Pflege.

Datum: 14. - 17. September 2022

Ort: Düsseldorf (D)

K Messe

Weltleitmesse für Kunststoff- und Kautschukindustrie

Datum: 19. - 26. Oktober 2022

Ort: Düsseldorf (D)

Ifas

Fachmesse für Gesundheitsmarkt

Datum: 25. - 27. Oktober 2022

Ort: Digital (CH)

BrauBeviale

Europäische Fachmesse für die Getränkewirtschaft

Datum: 08. - 10. November 2022

Ort: Nürnberg (D)

electronica

Komponenten, Systeme, Anwendungen, Lösungen

Datum: 15. - 18. November 2022

Ort: München (D)

all4pack Paris

The global marketplace for Packaging Processing Printing Handling

Datum: 21. - 24. November 2022

Ort: Paris (F)

VALVE WORLD EXPO

Weltweite Leitmesse für Industrie-Armaturen

Datum: 29. November - 01. Dezember 2022

Ort: Düsseldorf (D)

interpack

Führende Messe für Prozesse und Verpackung

Datum: 04. - 10. Mai 2023

Ort: Düsseldorf (D)

NEWCAST

Internationale Fachmesse für Gussprodukte mit Newcast Forum

Datum: 12. - 16. Juni 2023

Ort: Düsseldorf (D)

Partec

Internationales Forum für Forschung und Entwicklung in der Partikeltechnik

Datum: 26. - 28. September 2023

Ort: Nürnberg (D)

Bezugsquellenverzeichnis