O processo SWAP em ação. Ele converte com eficiência 90 por cento da matéria-prima em amônia de uma só vez, enquanto o processo Haber-Bosch converte apenas 10 por cento. Crédito:2019 Yoshiaki Nishibayashi
A amônia - um gás incolor essencial para coisas como fertilizantes - pode ser feita por um novo processo que é muito mais limpo, mais fácil e mais barato do que o método líder atual. Os pesquisadores da UTokyo usam equipamentos de laboratório disponíveis, produtos químicos recicláveis e um mínimo de energia para produzir amônia. Seu processo de Produção de Amônia por Água de Samário (SWAP) promete reduzir a produção de amônia e melhorar o acesso ao fertilizante de amônia para os agricultores em todos os lugares.
Em 1900, a população global era inferior a 2 bilhões, enquanto que em 2019, é mais de 7 bilhões. Esta explosão populacional foi alimentada em parte pelos rápidos avanços na produção de alimentos, em particular, o uso generalizado de fertilizantes à base de amônia. A fonte dessa amônia era o processo Haber-Bosch, e embora alguns digam que é uma das conquistas mais significativas de todos os tempos, vem com um preço alto.
O processo Haber-Bosch converte apenas 10 por cento de seu material de origem por ciclo, portanto, precisa ser executado várias vezes para usar tudo. Um desses materiais de origem é o hidrogênio (H 2 ) produzidos com combustíveis fósseis. Este é quimicamente combinado com nitrogênio (N 2 ) a temperaturas de cerca de 400-600 graus Celsius e pressões de cerca de 100-200 atmosferas, também com grande custo de energia. O professor Yoshiaki Nishibayashi e sua equipe do Departamento de Inovação de Sistemas da Universidade de Tóquio esperam melhorar a situação com seu processo de SWAP.
"No mundo todo, o processo Haber-Bosch consome 3 a 5 por cento de todo o gás natural produzido, cerca de 1 ou 2 por cento de todo o suprimento de energia do mundo, "explicou Nishibayashi." Em contraste, as leguminosas possuem bactérias fixadoras de nitrogênio simbióticas que produzem amônia em temperaturas e pressões atmosféricas. Isolamos esse mecanismo e fizemos a engenharia reversa de seu componente funcional - nitrogenase. "
Ao longo de muitos anos, Nishibayashi e sua equipe usaram catalisadores feitos em laboratório para tentar reproduzir o comportamento da nitrogenase. Outros tentaram, mas seus catalisadores produzem apenas dezenas a várias centenas de moléculas de amônia antes de expirarem. O catalisador à base de molibdênio especial de Nishibayashi produz 4, 350 moléculas de amônia em cerca de quatro horas antes de expirar.
Sulfato de amônio do processo SWAP. A amônia pode encontrar uso futuro como meio de armazenamento de energia para indústrias de energia renovável. Crédito:Yoshiaki Nishibayashi 2019
"Nosso processo SWAP cria amônia 300-500 vezes a taxa do processo Haber-Bosch e com 90 por cento de eficiência, "continuou Nishibayashi." Considere a enorme economia de energia no processo e na origem das matérias-primas e os benefícios realmente aparecerão. "
Qualquer pessoa com os materiais de origem adequados pode realizar SWAP em um laboratório de química de mesa, enquanto o processo Haber-Bosch requer equipamentos industriais em grande escala. Isso poderia permitir o acesso àqueles que não têm capital para investir em tais grandes, equipamento caro. As próprias matérias-primas são uma grande economia em termos de custo e energia.
“Uma forte motivação foi tornar o processo SWAP possível em escala de desktop. Espero ver esse processo democratizar a produção de fertilizantes, "disse Nishibayashi." Portanto, não se trata apenas dos custos iniciais, mas também dos custos contínuos e da economia de energia das matérias-primas. Minha equipe oferece essa ideia para ajudar as práticas agrícolas nos locais que mais precisam. "
SWAP recebe nitrogênio (N 2 ) do ar - como o processo Haber-Bosch faz - mas o catalisador especial à base de molibdênio combina isso com prótons (H + ) de água e elétrons (e - ) de samário (SmI 2 ) Samário - também conhecido como reagente de Kagan - atualmente é extraído e é usado no processo de SWAP. No entanto, o samário pode ser reciclado com eletricidade para repor os elétrons perdidos e os pesquisadores pretendem usar fontes renováveis baratas para isso no futuro.
"Fiquei agradavelmente surpreso quando descobrimos que algo tão comum como a água poderia servir como fonte de prótons; um catalisador de molibdênio normalmente não permite isso, mas o nosso é especial, "concluiu Nishibayashi." É a primeira reação de fixação artificial de nitrogênio a atingir uma taxa próxima à que vemos produzir nitrogenase na natureza. E como o processo natural, é passivo, também, tão melhor para o meio ambiente. Espero que o trabalho da minha vida possa ser de grande benefício para a humanidade. "
O estudo é publicado em Natureza .
