Akira Takahashi (onderzoeker) en institutionele medewerkers hebben ontdekt dat het blauwe pigment Pruisisch blauw een hogere adsorptiecapaciteit heeft dan gewone ammoniakadsorptiemiddelen, en controleerde de structuur van Pruisisch blauw om Pruisische blauwe analogen te synthetiseren met een hogere ammoniakadsorptiecapaciteit.

Pruisisch blauw is een pigment dat al sinds de oudheid wordt gebruikt. In de huidige studie, de onderzoekers ontdekten dat Pruisisch blauw meer ammoniak adsorbeert dan gewone adsorbentia zoals zeoliet en actieve kool. In analogen met de metaalionen in Pruisisch blauw vervangen door andere metaalionen en meer defecten, de hoeveelheid geabsorbeerde ammoniak nam toe. Verder, terwijl gewone ammoniakadsorptiemiddelen een lage adsorptiecapaciteit hebben voor ammoniak met een lage concentratie, Pruisisch blauw was in staat om een ​​lage concentratie ammoniak in de lucht te adsorberen op "geurloze niveaus". Er werd ook bevestigd dat de Pruisische blauwe analogen ammoniak kunnen afgeven zodra ze zijn geadsorbeerd, waardoor ze herbruikbaar zijn.

Deze technologie zal naar verwachting worden gebruikt als tegenmaatregel voor ammoniakgeur in verzorgingshuizen, een technologie voor het onderdrukken van PM 2.5 generatie, en een technologie om ammoniak in waterstofbrandstof te verwijderen.

Details van deze technologie zullen worden gepubliceerd in een Amerikaans chemietijdschrift, Tijdschrift van de American Chemical Society .

Ammoniak is de meest geproduceerde chemische stof ter wereld, met zijn primaire toepassingen als grondstof voor chemische producten zoals meststoffen en vezels. Nog, ammoniak is ook een onwelriekende stof, en urine, bijvoorbeeld, ontleedt tot ammoniak en veroorzaakt slechte geur. Ook, ammoniak in de atmosfeer is een veroorzaker van het fijnstof PM 2,5, waarvan wordt aangenomen dat het voornamelijk afkomstig is van ammoniak dat vrijkomt uit de landbouw en de vee-industrie. Daarom, een technologie om verdunde ammoniak in de atmosfeer te verwijderen is vereist. In aanvulling, als ammoniak aanwezig is in waterstof die aan een brandstofcel wordt geleverd, het heeft een nadelig effect op het vermogen van de brandstofcel om energie op te wekken, dus internationale normen voor waterstof voor brandstofcelvoertuigen vereisen een ammoniakconcentratie van minder dan 0,1 ppm. Vooral in Japan, de overheid bevordert de ontwikkeling van technologie om waterstof te maken uit ammoniak, dus een technologie om ammoniak uit waterstofbrandstof te verwijderen is cruciaal.

Momenteel, geactiveerde koolstof, zeoliet, en ionenuitwisselingsharsen worden gebruikt als gebruikelijke adsorbentia voor ammoniak. Echter, deze adsorbentia hebben problemen zoals problemen bij hergebruik, lage adsorptiecapaciteit voor lage concentratie ammoniak, en hoge prijzen. Dus, er is vraag naar goedkope en herbruikbare ammoniakadsorptiemiddelen die een hoge adsorptiecapaciteit hebben, zelfs voor ammoniak met een lage concentratie.

Onlangs, poreuze coördinatiepolymeren bestaande uit metaalionen en kleine moleculen, met fijne ruimtelijke netwerken binnenin, hebben aandacht gekregen als nieuwe materialen voor gasadsorptie en terugwinning. AIST heeft onderzoek en ontwikkeling gedaan naar het verwijderen van schadelijke stoffen met behulp van poreuze coördinatiepolymeren. Vooral, AIST heeft geavanceerde ontwikkeling met behulp van poreuze coördinatiepolymeren, d.w.z. Pruisische blauw-type complexen, om radioactief cesium met hoge efficiëntie te adsorberen, en gebruik ze in een volumereductietechnologie voor plantaardige besmetting.

In de huidige studie, de onderzoekers gebruikten de structuur van Pruisisch blauw en Pruisisch blauw analogen om een ​​ammoniakgasverwijderingstechnologie te ontwikkelen, terwijl ook verbetering van de adsorptiecapaciteit van ammoniak wordt nagestreefd door structurele controle op atomair niveau.

Pruisisch blauw is een blauw pigment met een geschiedenis van meer dan 300 jaar, en werd gebruikt voor het schilderen door Vincent van Gogh, Katsushika Hokusai, en anderen. Pruisisch blauw heeft een structuur waarin ijzerionen (Fe) en hexacyanoferraationen ([Fe(CN) ₆ ]) zijn driedimensionaal verbonden, met ongeveer 0,5 nanometer (nm) microscopisch kleine ruimten (interstitiële plaatsen) die ammoniak kunnen opvangen (figuur 1 (a)). De structuur van Pruisisch blauw kan op atomaire schaal worden gecontroleerd, bijvoorbeeld ijzerionen vervangen door andere metaalionen of defecten maken waarbij de hexacyanoferraationen ([Fe(CN) ₆ ]) ontbreken (Fig. 1 (b)). In de huidige studie, de onderzoekers concentreerden zich op het feit dat blootgestelde metaalionen in deze defecten (vacature sites) gemakkelijk coördinatiebindingen vormen met moleculen, en onderzocht of onoplosbaar Pruisisch blauw met defecten in staat is tot hoge dichtheidsadsorptie van ammoniak of niet. Om vacaturesites zoveel mogelijk te vergroten, er is een methode bedacht om het aantal defecten te vergroten, terwijl het gehalte aan alkalimetaalionen die de interstitiële plaatsen waarschijnlijk zullen induceren, wordt verminderd. De onderzoekers creëerden daarmee een kobalt-gesubstitueerd Pruisisch blauw analoog (Co[Co(CN) ₆ ] _0,60 , CoHCC) en een koper-gesubstitueerd Pruisisch blauw analoog (Cu[Fe(CN) ₆ ] _0,50 , CuHCF) en evalueerde hun ammoniakadsorptiecapaciteit samen met Pruisisch blauw.

Eerst, de onderzoekers evalueerden de adsorptiehoeveelheid in zuivere ammoniak als de basisprestatie van adsorbentia. Figuur 2 toont de relaties tussen ammoniakdruk en de adsorptiehoeveelheden wanneer Pruisisch blauw, CoHCC, en CuHCF werden respectievelijk in ammonia geplaatst. Het toont ook de gegevens van de typen met de hoogste adsorptiehoeveelheid uit een document dat verschillende producten evalueert en vergelijkt voor de gebruikelijke adsorbentia zoals ionenuitwisselingsharsen, zeoliet, en actieve kool). De ammoniakadsorptiehoeveelheid van Pruisisch blauw was 12,4 mol (211 g)/kg bij 1 atm, een hogere waarde dan gewone adsorbentia. Dit komt overeen met adsorptie van 11 ammoniakmoleculen per eenheidscel van Pruisisch blauw met een volume van ongeveer 1 nm ³ . Verder, de analogen CoHCC en CuHCF vertoonden hoge adsorptiehoeveelheden van respectievelijk 21,9 mol (373 g)/kg en 20,6 mol (351 g)/kg. Vooral CoHCC had een ammoniakadsorptiehoeveelheid van 16,2 moleculen per eenheidscel, adsorberen van 93 procent van de geschatte maximale adsorptiehoeveelheid van 17,6 moleculen.

Volgende, de onderzoekers plaatsten een film van Pruisisch blauw in een gebruikelijk laboratorium met een ammoniakconcentratie van 0,015 ppm, en onderzocht het adsorptiegedrag van verdunde ammoniak. Als resultaat, de hoeveelheid ammoniakadsorptie van de Pruisische blauwe film nam met de tijd toe, met een adsorptiehoeveelheid van 0,3 mol (5,1 g)/kg (Fig. 3 (a)). Dit betekent dat de verdunde concentratie ammoniak in de atmosfeer werd geadsorbeerd en gevangen in de fijne ruimte van Pruisisch blauw die overeenkomt met 1 deel op 700, 000, 000 door volumeconversie. Men denkt dat Pruisisch blauw dergelijke verdunde ammoniak kan adsorberen omdat geadsorbeerde ammoniak (NH ₃ ) reageert met water in Pruisisch blauw tot een ammoniumion (NH ₄ ⁺ ), is gestabiliseerd, en zit gevangen in Pruisisch blauw zonder opnieuw in de lucht te worden vrijgelaten. De ammoniakadsorptiecapaciteit van de ionenuitwisselingshars (Amberlyst) en zeoliet in een ruimte, waar ammoniak van dezelfde concentratie aanwezig is. Zeoliet adsorbeerde bijna geen ammoniak. De ionenuitwisselingshars vertoonde een vergelijkbare adsorptiecapaciteit als die van Pruisisch blauw, maar het is extreem duur. Deze feiten wezen op de superioriteit van Pruisisch blauw.

Verder, om te controleren of ammoniak snel genoeg door Pruisisch blauw wordt geadsorbeerd, vulden de onderzoekers een dun buisje met Pruisisch blauw, en laat lucht met ongeveer 1 ppm ammoniak passeren met een snelheid zodat het Pruisische blauw en de lucht slechts 2 milliseconden in contact waren. Zoals getoond in Fig. 3 (b), nadat lucht met een ammoniakconcentratie van 0,86 ppm door de buis is gegaan, het daalde tot 0,036 ppm, adsorberen en verwijderen van 96 procent ammoniak. In aanvulling, in de tests die op dezelfde manier worden uitgevoerd, zowel CuHCF als CoHCC adsorbeerden en verwijderden meer dan 90 procent ammoniak.

Eindelijk, de onderzoekers gingen na of de nieuw gefabriceerde analogen herhaaldelijk als adsorbens konden worden gebruikt. Als resultaat, in toepassingen die verdunde ammoniak uit de atmosfeer verwijderden, de geadsorbeerde ammoniak werd gedesorbeerd door CuHCF te spoelen met een verdund zuur, en CuHCF bleek herbruikbaar te zijn als adsorbens. Ook, in toepassingen om zuivere ammoniak op te slaan, CoHCC was in staat tot herhaald gebruik.

De Pruisische blauwe analogen die in dit onderzoek zijn gebruikt, zijn vergelijkbaar met materialen die tot nu toe als radioactieve cesiumadsorbentia zijn gebruikt, en er zijn verschillende vormingstechnieken voor de radioactieve cesiumadsorptiemiddelen, zoals korrels en niet-geweven stoffen die een absorberend middel ondersteunen. AIST zal doorgaan met de ontwikkeling zodat Pruisisch blauw en zijn analogen kunnen worden gebruikt als ammoniakadsorbentia, zoals het ontwikkelen van niet-geweven stoffen die Pruisisch blauw ondersteunen om ze te installeren op ventilatoren in faciliteiten waar ammoniak kan verdwijnen, onder meer in varkensstallen en compostgebouwen, en verwijder ammoniak dat onaangename geuren kan veroorzaken en PM 2,5, en het ontwikkelen van gasontluchtingspijpen die aan de binnenkant met Pruisisch blauw zijn bekleed en die in waterstofstations kunnen worden geïnstalleerd om ammoniak te verwijderen. In aanvulling, AIST is van plan om bedrijven te zoeken voor gezamenlijk onderzoek en technologieoverdracht, en is gericht op praktische toepassing van ammoniakverwijdering en ammoniakopslag.