该工艺从废水中去除氨
研究人员已经开发出一种催化剂，可以从广泛存在于工业废水和污染地下水中的低水平硝酸盐中提取氨。
铜纳米线网上的少量钌原子可能是全球氨工业革命的一步，也有利于环境。
莱斯大学乔治·r·布朗工程学院、亚利桑那州立大学和太平洋西北国家实验室的合作者开发了一种高性能催化剂，可以以接近100%的效率，从广泛存在于工业废水和污染地下水中的低水平硝酸盐中提取氨和固体氨(又名肥料)。
水稻化学和生物分子工程师王浩天(Haotian Wang)领导的一项研究表明，该过程将百万分之2000的硝酸盐转化为氨，然后用高效的气提工艺收集氨产品。经过这些处理后，剩余的氮含量可以降至世界卫生组织定义的“可饮用”水平。
莱斯大学的工程师们设计了一种铜网中的钌原子催化剂，从废水中提取氨和肥料。该工艺还将减少传统工业生产氨产生的二氧化碳排放。摄影:Jeff Fitlow莱斯大学提供。
研究生陈凤阳说:“我们完成了一个完整的水反硝化过程。”“通过对其他污染物进行进一步的水处理，我们有可能将工业废水变回饮用水。”
陈是这篇发表在《自然纳米技术》上的论文的三位主要作者之一。
这项研究为一个依赖能源密集型工艺每年生产超过1.7亿吨氨的行业提供了一种有前景的高效工艺替代方案。
研究人员从以前的研究中知道，钌原子是催化富含硝酸盐的废水的冠军。他们将其与抑制析氢反应的铜结合，这是一种从水中产生氢的方法，在这种情况下，这是一种不必要的副作用。
氯化铵(左边)和液态氨是莱斯大学工程师开发的催化剂的产物，用于将废水转化为有用的化学物质。摄影:Jeff Fitlow莱斯大学提供。
陈说:“我们知道钌是还原硝酸盐的一种很好的金属候选者，但我们也知道有一个大问题，它很容易产生竞争反应，即析氢。”“当我们施加电流时，很多电子会流向氢，而不是我们想要的产物。”
“我们借鉴了其他领域的概念，比如二氧化碳减排，用铜来抑制氢的生成，”王补充道。“然后我们必须找到一种有机结合钌和铜的方法。事实证明，将单个钌原子分散到铜基质中效果最好。”
亚利桑那州立大学化学工程助理教授克里斯托弗·穆希(Christopher Muhich)表示，该研究小组使用密度泛函理论计算来解释为什么钌原子使连接硝酸盐和氨的化学路径更容易交叉。
“当只有钌时，水就会碍事，”穆希奇说。“当只有铜时，就没有足够的水来提供氢原子。但在单一的钌站点上，水没有竞争，只提供足够的氢，而不占硝酸盐反应的位置。”
该过程在室温和环境压力下工作，研究人员称其为“与工业相关的”硝酸盐还原电流为每平方厘米1安培，这是最大化催化速率所需的电量。陈说，这应该很容易扩大规模。
他说:“我认为这有很大的潜力，但它被忽视了，因为之前的研究很难达到如此好的电流密度，同时仍然保持良好的产品选择性，尤其是在低硝酸盐浓度下。”“但现在我们正在证明这一点。我相信我们有机会将这一过程推向工业应用，尤其是因为它不需要大型基础设施。”
Rice博士后吴振宇(左)和研究生陈凤阳展示了他们的高性能纳米线催化剂的产品，该催化剂能够从硝酸盐中提取氨和固体氨(肥料)，硝酸盐是工业废水和污染地下水中的常见污染物。摄影:Jeff Fitlow莱斯大学提供。
该工艺的一个主要好处是减少了传统工业生产氨的二氧化碳排放。研究人员指出，这些排放量并非微不足道，相当于全球年排放量的1.4%。
王说:“虽然我们知道将硝酸盐废物转化为氨可能无法在短期内完全取代现有的氨工业，但我们相信这一过程可以为分散氨生产做出重大贡献，特别是在硝酸盐来源高的地方。”
除了这项研究，王的实验室和莱斯大学环境工程师、纳米技术使能水处理(NEWT)中心主任佩德罗·阿尔瓦雷斯(Pedro Alvarez)的实验室最近在《物理化学杂志》上发表了一篇论文，详细介绍了在3D碳纤维纸基板上使用钴铜纳米颗粒作为高效催化剂，从硝酸盐还原合成氨。这种低成本的催化剂在废水脱氮方面也有很大的应用前景。
-由Chris Vavra编辑，网页内容经理，控制工程， CFE媒体与技术，cvavra@cfemedia.com．
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