Wetenschap
Ingenieurs symfoniseren schonere ammoniakproductie
Van de vele chemicaliën die we dagelijks gebruiken, is ammoniak een van de slechtste voor de atmosfeer. De op stikstof gebaseerde chemische stof die wordt gebruikt in kunstmest, kleurstoffen, explosieven en vele andere producten, staat qua CO2-uitstoot op de tweede plaats na cement, vanwege de hoge temperaturen en energie die nodig is om het te vervaardigen.
Maar door een bekende elektrochemische reactie te verbeteren en een ‘symfonie’ van lithium-, stikstof- en waterstofatomen te orkestreren, hebben ingenieurs van de Universiteit van Illinois in Chicago, onder leiding van Meenesh Singh, een nieuw ammoniakproductieproces ontwikkeld dat aan verschillende groene doelstellingen voldoet. P>
Het proces, lithium-gemedieerde ammoniaksynthese genoemd, combineert stikstofgas en een waterstofdonerende vloeistof zoals ethanol met een geladen lithiumelektrode. In plaats van stikstofgasmoleculen bij hoge temperatuur en druk uit elkaar te halen, blijven stikstofatomen aan het lithium kleven en combineren ze zich vervolgens met waterstof om het ammoniakmolecuul te vormen.
De reactie werkt bij lage temperaturen en is tevens regeneratief, waarbij bij elke cyclus van ammoniakproductie de oorspronkelijke materialen worden hersteld.
"Er zijn twee lussen die plaatsvinden:de ene is de regeneratie van de waterstofbron en de tweede is de regeneratie van het lithium", zegt Singh, universitair hoofddocent chemische technologie bij UIC. "Er zit een symfonie in deze reactie, vanwege het cyclische proces. Wat we deden was deze symfonie op een betere manier begrijpen en proberen deze op een zeer efficiënte manier te moduleren, zodat we een resonantie kunnen creëren en hem sneller kunnen laten bewegen. "
Het proces, beschreven in een artikel dat is gepubliceerd en vermeld op de omslag van ACS Applied Materials &Interfaces , is de nieuwste innovatie van Singh's laboratorium in de zoektocht naar schonere ammoniak. Eerder had zijn groep methoden ontwikkeld om de chemische stof te synthetiseren met behulp van zonlicht en afvalwater en een geëlektrificeerd koperen gaasscherm gemaakt dat de hoeveelheid energie vermindert die nodig is om ammoniak te maken.
Hun nieuwste vooruitgang is gebaseerd op een reactie die nauwelijks nieuw is. Wetenschappers weten er al bijna een eeuw van.
"De op lithium gebaseerde aanpak is eigenlijk in elk leerboek over organische chemie te vinden, het is heel bekend", zei Singh. "Maar deze cyclus efficiënt en selectief genoeg laten verlopen om aan economisch haalbare doelstellingen te voldoen, was onze bijdrage."
Deze doelstellingen omvatten een hoge energie-efficiëntie en lage kosten. Als het proces wordt opgeschaald, zou het ammoniak produceren voor ongeveer $ 450 per ton, wat volgens Singh 60% goedkoper is dan eerdere op lithium gebaseerde benaderingen en andere voorgestelde groene methoden.
Maar selectiviteit is ook belangrijk, omdat veel pogingen om de productie van ammoniak schoner te maken uiteindelijk grote hoeveelheden ongewenst waterstofgas hebben opgeleverd.
De resultaten van de Singh-groep behoren tot de eersten die een niveau van selectiviteit en energieverbruik bereiken dat zou kunnen voldoen aan de normen van het Department of Energy voor de productie van ammoniak op industriële schaal. Singh zei ook dat het proces, dat kan worden uitgevoerd in een modulaire reactor, nog groener kan worden gemaakt door het te voeden met elektriciteit uit zonnepanelen of andere hernieuwbare bronnen en de reactie te voeden met lucht en water.
Het proces zou ook kunnen helpen een ander energiedoel te bereiken:het gebruik van waterstof als brandstof. Het bereiken van dat doel wordt belemmerd door de moeilijkheden bij het transporteren van de zeer brandbare vloeistof.
“Je wilt dat waterstof wordt gegenereerd, getransporteerd en afgeleverd bij waterstofpompstations, waar waterstof aan de auto’s kan worden gevoed. Maar het is heel gevaarlijk”, zei Singh. "Ammoniak zou kunnen fungeren als drager van waterstof. Het is heel goedkoop en veilig te vervoeren, en op de plaats van bestemming kun je ammoniak weer omzetten in waterstof."
Momenteel werken de wetenschappers samen met de General Ammonia Co. om hun lithium-gemedieerde ammoniaksyntheseproces in een fabriek in de omgeving van Chicago te testen en op te schalen. UIC's Office of Technology Management heeft een patent aangevraagd voor het proces.