Een puur mechanische methode kan een nieuwe, duurzamere meststof produceren op een minder vervuilende manier. Dat is het resultaat van een methode die is geoptimaliseerd bij DESY's lichtbron PETRA III. Een internationaal team gebruikte PETRA III om de productiemethode te optimaliseren die een aanpassing is van een oude techniek:door twee gemeenschappelijke ingrediënten, ureum en gips te malen, produceren de wetenschappers een nieuwe vaste verbinding die langzaam twee chemische elementen vrijgeeft die essentieel zijn voor bodembemesting:stikstof, en kalk.

De maalmethode is snel, efficiënt en schoon, net als het kunstmestproduct, dat de potentie heeft om de stikstofvervuiling te verminderen die watersystemen vervuilt en bijdraagt ​​aan klimaatverandering. De wetenschappers ontdekten ook dat hun proces schaalbaar is; daarom zou het potentieel industrieel kunnen worden geïmplementeerd. De resultaten door wetenschappers van DESY; het Ruđer Bošković Instituut (IRB) in Zagreb, Kroatië; en Lehigh University in de VS zijn gepubliceerd in het tijdschrift Green Chemistry . De nieuwe meststof moet nog in het veld worden getest.

Sinds enkele jaren werken wetenschappers van DESY en IRB samen om de basisprincipes van mechanische methoden voor het initiëren van chemische reacties te onderzoeken. Deze verwerkingsmethode, mechanochemie genaamd, gebruikt verschillende mechanische inputs, zoals comprimeren, trillen of, in dit geval, frezen, om de chemische transformatie te bereiken. "Mechanochemie is een vrij oude techniek", zegt Martin Etter, beamline-wetenschapper bij de P02.1-bundellijn bij PETRA III. "Al duizenden jaren malen we dingen, bijvoorbeeld graan voor brood. Pas nu beginnen we deze mechanochemische processen intensiever te bekijken met behulp van röntgenstralen en te zien hoe we die processen kunnen gebruiken om chemische reacties."

De bundellijn van Etter is een van de weinige ter wereld waar mechanochemie routinematig kan worden uitgevoerd en geanalyseerd met behulp van röntgenstralen van een synchrotron. Etter heeft jarenlang de bundellijn ontwikkeld en samen met gebruikers gewerkt aan het verfijnen van methoden voor het analyseren en optimaliseren van mechanochemische reacties. Het resultaat is een wereldwijd bekende experimentopstelling die is gebruikt bij het bestuderen van vele soorten reacties die belangrijk zijn voor materiaalwetenschap, industriële katalyse en groene chemie.

"In werkelijkheid is DESY's mechanochemie-opstelling waarschijnlijk de beste ter wereld", zegt Krunoslav Užarević van de IRB in Zagreb. "Op weinig plaatsen kan men de voortgang van mechanochemische reacties zo goed volgen als hier bij DESY. Het zou vrijwel onmogelijk zijn geweest om dit resultaat te bereiken zonder de expertise van Martin Etter en deze PETRA III-opstelling."

Voor dit resultaat werkte de mechanochemie-samenwerking samen met Jonas Baltrusaitis, hoogleraar chemische technologie aan de Lehigh University. Het team gebruikte de P02.1-opstelling om inzicht te krijgen in parameters die het maalproces beheersen, om de reactieomstandigheden voor het bereiden van de beoogde meststof te optimaliseren. De opstelling bij PETRA III zorgt voor direct inzicht in de evolutie van het reactiemengsel door synchrotronstraling toe te passen op het maalvat. Dit betekent dat de reactie kan worden waargenomen zonder de procedure te stoppen. De onderzoekers konden zo de exacte reactieroutes bepalen en de output en zuiverheid van het product analyseren, wat hen hielp de mechanische procedure on-the-fly te verfijnen. Ze vonden een procedure die 100% omzetting van de uitgangsstoffen in de beoogde meststof mogelijk maakte.

Dat eindproduct staat bekend als "cocrystal", een vaste stof met een kristalstructuur die bestaat uit twee verschillende chemicaliën die wordt gestabiliseerd door zwakkere intermoleculaire interacties in herhaalde patronen. "Cocrystals kunnen worden gezien als LEGO-structuren", zegt Etter. "Je hebt sets van twee soorten van twee stenen, en met deze twee stenen maak je een herhalend patroon." In dit geval zijn de "stenen" calciumsulfaat afgeleid van het gips en het ureum. Door het maalproces worden het ureum en calciumsulfaat aan elkaar gebonden.

"Op zichzelf zorgt ureum voor een zeer zwak gebonden kristal dat gemakkelijk uit elkaar valt en zijn stikstof te gemakkelijk afgeeft", zegt Baltrusaitis. "Maar met het calciumsulfaat door dit mechanochemische proces krijg je een veel robuuster cokristal met een langzame afgifte." Het voordeel van dit cokristal is dat de chemische bindingen zwak genoeg zijn om stikstof en calcium vrij te geven, maar sterk genoeg om te voorkomen dat de twee elementen tegelijk worden losgelaten.

Die manier van vrijgeven is het grote voordeel van de meststof. Ten eerste hebben ze een van de belangrijkste nadelen van de stikstofmeststoffen die sinds de jaren zestig worden gebruikt, vermeden. "De status-quo in meststoffen, om redenen van voedselzekerheid, is om zoveel mogelijk stikstof en fosfor op gewassen te dumpen", zegt Baltrusaitis. Meer dan 200 miljoen ton kunstmest wordt geproduceerd via het meer dan een eeuw oude Haber-Bosch-proces, dat stikstof uit de lucht opsluit in ureumkristallen. Hiervan wordt slechts ongeveer 47 procent daadwerkelijk door de grond geabsorbeerd, terwijl de rest wegspoelt en mogelijk enorme verstoringen in watersystemen veroorzaakt. In de Noordzee en de Golf van Mexico groeien enorme "dode zones" waar algenbloei gevoed door overtollige kunstmest alle beschikbare zuurstof in het water absorbeert en zo het zeeleven doodt.

Bovendien is de productie van gewone meststoffen energie-intensief en verbruikt elk jaar vier procent van de wereldwijde aardgasvoorziening via het Haber-Bosch-proces. De nieuwe methode biedt de mogelijkheid om die afhankelijkheid te verminderen. "Als je de efficiëntie van die ureummaterialen met 50 procent verhoogt, hoef je minder ureum te maken via Haber-Bosch, met alle gerelateerde energieverbruikskwesties zoals de vraag naar aardgas", zegt Baltrusaitis. De maalprocedure is snel en zeer efficiënt, wat resulteert in een zuivere meststof zonder afvalbijproducten behalve water. "We stellen niet alleen een beter functionerende meststof voor", zegt Baltrusaitis, "we demonstreren ook een groene synthesemethode."

Terwijl de PETRA III-analyse milligram kunstmest omvatte, is het onderzoeksteam onder leiding van Baltrusaitis en Užarević erin geslaagd hun procedures op te schalen met behulp van de gegevens die bij PETRA zijn verzameld. Tot nu toe kunnen ze met dezelfde procedure en efficiëntie honderden grammen kunstmest produceren. Als volgende stap is het team van plan om verder op te schalen, om een ​​daadwerkelijke proof-of-principle industriële versie van het proces te maken. Baltrusaitis werkt al aan een dergelijke opschaling en het testen van cocrystal-meststoffen voor toepassing in reële omstandigheden.

"Naast het product genereert het mechanochemische proces vrijwel geen ongewenste bijproducten of afval", zegt Užarević van IRB. "We zijn optimistisch dat er een groot toepassingspotentieel voor is over de hele wereld." + Verder verkennen

Nieuwe productiemethode maakt vitaal kunstmestelement duurzamer