El amoníaco, un compuesto sintetizado por primera vez hace aproximadamente un siglo, tiene docenas de usos modernos y se ha vuelto esencial para hacer el fertilizante que ahora sustenta la mayor parte de nuestra producción mundial de alimentos.
Pero si bien hemos estado produciendo amoníaco a gran escala desde la década de 1930, se ha logrado principalmente en grandes plantas químicas que requieren grandes cantidades de gas hidrógeno a partir de combustibles fósiles, lo que hace que el amoníaco sea el más intensivo en energía entre todos los grandesvolumen de productos químicos.
Un par de investigadores de la Universidad Case Western Reserve, uno experto en síntesis electroquímica y otro en aplicaciones de plasmas, están trabajando para solucionarlo.
Los investigadores Julie Renner y Mohan Sankaran han ideado una nueva forma de crear amoníaco a partir de nitrógeno y agua a baja temperatura y baja presión. Hasta ahora lo han hecho con éxito en un laboratorio sin usar hidrógeno o el catalizador de metal sólido necesario enprocesos tradicionales.
"Nuestro enfoque, un proceso electrolítico con plasma, es completamente nuevo", dijo Mohan Sankaran, profesor de Innovación en Ingeniería de Goodrich en la Escuela de Ingeniería Case.
Los plasmas, a menudo referidos como el cuarto estado de la materia aparte del sólido, líquido o gaseoso, son nubes ionizadas de gas, que consisten en iones positivos y electrones libres, que le otorgan la capacidad única de activar enlaces químicos, incluido elmolécula de nitrógeno bastante desafiante, a temperatura ambiente.
Renner, profesor asistente de Climo en el Departamento de Ingeniería Química y Biomolecular, agregó que debido a que este nuevo proceso no necesita alta presión o alta temperatura o hidrógeno, lo hace escalable - "el tipo de tecnología ideal para un equipo mucho más pequeñoplanta, una con alto potencial para ser alimentada por energía renovable ".
Los resultados de su colaboración de dos años se publicaron este mes en la revista Avances científicos .
Lección de historia: el proceso Haber-Bosch
Prácticamente todo el amoníaco comercial está hecho de nitrógeno e hidrógeno, utilizando un catalizador de hierro a alta temperatura y presión.
El químico físico alemán Fritz Haber recibió el Premio Nobel de Química en 1918 por desarrollar este proceso, que hizo que la fabricación de amoníaco fuera económicamente factible.
Pero el proceso se volvió más rentable económicamente cuando el químico industrial Carl Bosch quien también ganó un Premio Nobel en 1931 introdujo el método en un sistema a gran escala. El proceso fue impulsado por una segunda innovación: el desarrollo de la reforma de metano a vaporeso hizo que el hidrógeno fuera más accesible y menos costoso.
Entonces, lo que se conoció como el proceso Haber-Bosch se convirtió en el método global para fijar nitrógeno e hidrógeno para producir amoníaco.
Pero Haber-Bosch nunca fue el único enfoque para la fijación de nitrógeno, fue solo el ganador del cambio de siglo.
Se levanta un método nuevo y antiguo
Renner y Sankaran han resucitado un elemento de un método noruego poco conocido que precedió a Haber-Bosch el proceso Birkeland-Eyde que reaccionó con nitrógeno y oxígeno para producir nitratos, otro químico que puede usarse en la agricultura.a Haber-Bosch principalmente porque requería aún más energía en forma de electricidad, un recurso limitado a principios del siglo XX.
"Nuestro enfoque es similar a la síntesis electrolítica de amoníaco, que ha ganado interés como alternativa a Haber-Bosch porque puede integrarse con energía renovable", dijo Sankaran. "Sin embargo, al igual que el proceso Birkeland-Eyde, utilizamos unplasma, que consume mucha energía. La electricidad sigue siendo una barrera, pero ahora menos, y con el aumento de las energías renovables, puede que no sea una barrera en el futuro.
"Y quizás lo más significativo es que nuestro proceso no produce gas hidrógeno", dijo. "Este ha sido el principal cuello de botella de otros enfoques electrolíticos para formar amoníaco a partir del agua y nitrógeno, la indeseable formación de hidrógeno".
El proceso de Renner-Sankaran tampoco utiliza un catalizador de metal sólido que podría ser una de las razones por las que se obtiene amoníaco en lugar de hidrógeno.
"En nuestro sistema, el amoníaco se forma en la interfaz de una superficie de plasma de gas y agua líquida y se forma libremente en solución", dijo Sankaran.
Hasta ahora, los "lotes de mesa" de amoníaco producidos por el dúo han sido muy pequeños y la eficiencia energética es aún menor que Haber-Bosch. Pero con la optimización continua, su descubrimiento y desarrollo de un nuevo proceso podría algún día conducira plantas de amoníaco más pequeñas y localizadas que usan energía verde.
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Materiales proporcionado por Universidad Case Western Reserve . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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