Um método puramente mecânico pode produzir um fertilizante novo e mais sustentável de forma menos poluente. Esse é o resultado de um método otimizado na fonte de luz PETRA III da DESY. Uma equipe internacional usou o PETRA III para otimizar o método de produção que é uma adaptação de uma técnica antiga:ao moer dois ingredientes comuns, uréia e gesso, os cientistas produzem um novo composto sólido que libera lentamente dois elementos químicos críticos para a fertilização do solo:nitrogênio, e cálcio.
O método de moagem é rápido, eficiente e limpo, assim como o produto fertilizante, que tem o potencial de reduzir a poluição por nitrogênio que polui os sistemas hídricos e contribui para as mudanças climáticas. Os cientistas também descobriram que seu processo é escalável; portanto, poderia ser potencialmente implementado industrialmente. Os resultados dos cientistas do DESY; o Instituto Ruđer Bošković (IRB) em Zagreb, Croácia; e Lehigh University nos EUA foram publicados na revista Green Chemistry . O novo fertilizante ainda precisa ser testado em campo.

Por vários anos, cientistas do DESY e do IRB têm colaborado para explorar os fundamentos dos métodos mecânicos para iniciar reações químicas. Este método de processamento, denominado mecanoquímica, utiliza diversos insumos mecânicos, como compressão, vibração ou, neste caso, fresagem, para realizar a transformação química. "A mecanoquímica é uma técnica bastante antiga", diz Martin Etter, cientista da linha de luz P02.1 no PETRA III. "Por milhares de anos, temos moído coisas, por exemplo, grãos para pão. Só agora estamos começando a olhar para esses processos mecanoquímicos mais intensamente usando raios X e vendo como podemos usar esses processos para iniciar reações químicas."

A linha de luz de Etter é uma das poucas no mundo onde a mecanoquímica pode ser rotineiramente realizada e analisada usando raios-X de um síncrotron. Etter passou anos desenvolvendo a linha de luz e trabalhando com usuários para ajustar métodos para analisar e otimizar reações mecanoquímicas. O resultado foi uma configuração de experimento de renome mundial que tem sido usada no estudo de muitos tipos de reações importantes para a ciência dos materiais, catálise industrial e química verde.

"Na verdade, a configuração mecanoquímica do DESY é provavelmente a melhor do mundo", diz Krunoslav Užarević do IRB em Zagreb. "Em poucos lugares pode-se monitorar o progresso das reações mecanoquímicas, bem como aqui no DESY. Teria sido praticamente impossível alcançar este resultado sem a experiência de Martin Etter e esta configuração PETRA III."

Para este resultado, a colaboração mecanoquímica juntou-se a Jonas Baltrusaitis, professor de engenharia química da Universidade de Lehigh. A equipe usou a configuração P02.1 para obter informações sobre os parâmetros que governam o processo de moagem, para otimizar as condições de reação para preparar o fertilizante alvo. A configuração no PETRA III permite uma visão direta da evolução da mistura de reação aplicando radiação síncrotron ao vaso de moagem. Isso significa que a reação pode ser observada sem interromper o procedimento. Os pesquisadores puderam assim determinar os caminhos exatos da reação e analisar a saída e a pureza do produto, o que os ajudou a refinar o procedimento mecânico em tempo real. Eles encontraram um procedimento que permitiu a conversão de 100% dos materiais de partida no fertilizante alvo.

Esse produto final é conhecido como "cocristal", um sólido com uma estrutura cristalina composta por dois produtos químicos diferentes que são estabilizados por interações intermoleculares mais fracas em padrões repetidos. "Os cocristais podem ser vistos como estruturas LEGO", diz Etter. "Você tem conjuntos de dois tipos de dois tijolos, e com esses dois tijolos você faz um padrão repetitivo." Neste caso, os "tijolos" são sulfato de cálcio derivado do gesso e da uréia. Através do processo de moagem, a ureia e o sulfato de cálcio ficam ligados um ao outro.

"Sozinha, a ureia forma um cristal muito fraco que se desfaz facilmente e libera seu nitrogênio com muita facilidade", diz Baltrusaitis. “Mas com o sulfato de cálcio por meio desse processo mecanoquímico, você obtém um cocristal muito mais robusto com liberação lenta”. A vantagem desse cocristal é que suas ligações químicas são fracas o suficiente para liberar nitrogênio e cálcio, mas fortes o suficiente para impedir que os dois elementos sejam liberados de uma só vez.

Esse método de liberação é a grande vantagem do fertilizante. Por um lado, eles evitaram uma das principais desvantagens dos fertilizantes nitrogenados em uso desde a década de 1960. "O status quo dos fertilizantes, por razões de segurança alimentar, é despejar o máximo possível de nitrogênio e fósforo nas plantações", diz Baltrusaitis. Mais de 200 milhões de toneladas de fertilizantes são produzidos por meio do processo Haber-Bosch de mais de um século, que retém o nitrogênio atmosférico em cristais de uréia. Desse total, apenas cerca de 47% é realmente absorvido pelo solo, com o restante sendo lavado e causando interrupções potencialmente maciças nos sistemas de água. No Mar do Norte e no Golfo do México, estão crescendo enormes "zonas mortas", onde a proliferação de algas alimentadas pelo excesso de fertilizantes absorvem todo o oxigênio disponível na água e, assim, matam a vida marinha.

Além disso, a produção de fertilizantes comuns consome muita energia, consumindo a cada ano 4% do suprimento global de gás natural por meio do processo Haber-Bosch. O novo método oferece uma oportunidade para reduzir essa dependência. "Se você aumentar a eficiência desses materiais de ureia em 50%, precisará produzir menos ureia via Haber-Bosch, com todos os problemas relacionados ao consumo de energia, como a demanda de gás natural", diz Baltrusaitis. O processo de moagem é rápido e muito eficiente, resultando em um fertilizante puro, sem resíduos de subprodutos, exceto água. "Não estamos apenas propondo um fertilizante que funcione melhor", diz Baltrusaitis, "também estamos demonstrando um método verde de síntese".

Enquanto a análise do PETRA III envolveu miligramas de fertilizante, a equipe de pesquisa liderada por Baltrusaitis e Užarević conseguiu ampliar seus procedimentos com a ajuda dos dados obtidos no PETRA. Até agora, podem, com o mesmo procedimento e eficiência, produzir centenas de gramas de fertilizante. Como próximo passo, a equipe planeja continuar ampliando, a fim de fazer uma versão industrial real de prova de princípio do processo. Baltrusaitis já está trabalhando em tal escala e teste de fertilizante de cocristal para aplicação em condições do mundo real.

"Além do produto, o processo mecanoquímico praticamente não gera subprodutos ou resíduos indesejados", diz Užarević do IRB. "Estamos otimistas de que há um forte potencial de aplicação para ele em todo o mundo." + Explorar mais

Novo método de produção torna elemento fertilizante vital de forma mais sustentável