Engenheiros sinfonizam produção mais limpa de amônia
Esta arte gráfica ilustra a conversão de N2 mediada por lítio à amônia. Na foto está uma sinfonia de reações que ocorrem em um lítio eletrodepositado (ladrilhos pretos). Sob alta pressão, o nitrogênio (adição de blocos azuis) é quimicamente absorvido pelo lítio, seguido pela protonação (adição de blocos brancos) para formar NHx, eventualmente levando à amônia e à recuperação do lítio. O processo cíclico cria um ritmo catalítico produzindo amônia. Esta pesquisa destaca a importância da pressão e do potencial no controle da estrutura e estabilidade da interface sólido-eletrólito para a síntese de amônia. Crédito:Crystal Price e Joseph Gauthier, Texas Tech University; Meenesh Singh, Universidade de Illinois, Chicago Entre os muitos produtos químicos que usamos todos os dias, a amônia é um dos piores para a atmosfera. O produto químico à base de azoto utilizado em fertilizantes, corantes, explosivos e muitos outros produtos só perde para o cimento em termos de emissões de carbono, devido às altas temperaturas e à energia necessária para o fabricar.
Mas ao melhorar uma reação eletroquímica bem conhecida e orquestrar uma "sinfonia" de átomos de lítio, nitrogênio e hidrogênio, os engenheiros da Universidade de Illinois em Chicago, liderados por Meenesh Singh, desenvolveram um novo processo de produção de amônia que atende a vários objetivos verdes.
O processo, denominado síntese de amônia mediada por lítio, combina gás nitrogênio e um fluido doador de hidrogênio, como o etanol, com um eletrodo de lítio carregado. Em vez de quebrar as moléculas do gás nitrogênio com alta temperatura e pressão, os átomos de nitrogênio aderem ao lítio e depois se combinam com o hidrogênio para formar a molécula de amônia.
A reação funciona em baixas temperaturas e também é regenerativa, restaurando os materiais originais a cada ciclo de produção de amônia.
"Existem dois ciclos. Um é a regeneração da fonte de hidrogênio e o segundo é a regeneração do lítio", disse Singh, professor associado de engenharia química da UIC. “Há uma sinfonia nesta reação, devido ao processo cíclico. O que fizemos foi entender melhor essa sinfonia e tentar modulá-la de uma forma muito eficiente, para que possamos criar uma ressonância e fazê-la andar mais rápido. "
O processo, descrito em um artigo publicado e apresentado na capa da ACS Applied Materials &Interfaces , é a mais recente inovação do laboratório de Singh na busca por amônia mais limpa. Anteriormente, seu grupo desenvolveu métodos para sintetizar o produto químico usando luz solar e águas residuais e criou uma tela de malha de cobre eletrificada que reduz a quantidade de energia necessária para produzir amônia. O seu mais recente avanço baseia-se numa reacção que não é novidade. Os cientistas sabem disso há quase um século.
"A abordagem baseada no lítio pode ser encontrada em qualquer livro de química orgânica. É muito conhecida", disse Singh. "Mas fazer com que este ciclo funcione de forma eficiente e seletiva o suficiente para atingir metas economicamente viáveis foi a nossa contribuição."
Essas metas incluem alta eficiência energética e baixo custo. Se ampliado, o processo produziria amônia a cerca de US$ 450 por tonelada, o que é 60% mais barato do que as abordagens anteriores baseadas em lítio e outros métodos verdes propostos, de acordo com Singh.
Mas a seletividade também é importante, já que muitas tentativas de tornar a produção de amônia mais limpa acabaram criando grandes quantidades de gás hidrogênio indesejado.
Os resultados do grupo Singh estão entre os primeiros a atingir níveis de seletividade e uso de energia que poderiam atender aos padrões do Departamento de Energia para produção de amônia em escala industrial. Singh também disse que o processo, que pode ser realizado em um reator modular, pode se tornar ainda mais ecológico alimentando-o com eletricidade de painéis solares ou outras fontes renováveis e alimentando a reação com ar e água.
O processo também poderia ajudar a atingir outro objectivo energético – a utilização de hidrogénio como combustível. Alcançar esse objetivo tem sido dificultado pelas dificuldades de transporte do líquido altamente combustível.
“Queremos que o hidrogénio seja gerado, transportado e entregue em estações de bombagem de hidrogénio, onde o hidrogénio pode ser alimentado aos carros. Mas é muito perigoso”, disse Singh. "A amônia poderia funcionar como transportador de hidrogênio. É muito barato e seguro para transportar, e no destino você pode converter a amônia novamente em hidrogênio."
Atualmente, os cientistas estão fazendo parceria com a General Ammonia Co. para testar e ampliar seu processo de síntese de amônia mediado por lítio em uma fábrica na área de Chicago. O Escritório de Gestão de Tecnologia da UIC registrou uma patente para o processo.
