Novo processo visa retirar a amônia das águas residuais

Os engenheiros da Rice University projetaram um catalisador de átomos de rutênio em uma malha de cobre para extrair amônia e fertilizantes de águas residuais. O processo também reduziria as emissões de dióxido de carbono da produção industrial tradicional de amônia. Crédito:Jeff Fitlow/Rice University

Uma pitada de átomos de rutênio em uma malha de nanofios de cobre pode ser um passo em direção a uma revolução na indústria global de amônia que também ajuda o meio ambiente.
Colaboradores da George R. Brown School of Engineering da Rice University, da Arizona State University e do Pacific Northwest National Laboratory desenvolveram o catalisador de alto desempenho que pode, com quase 100% de eficiência, extrair amônia e amônia sólida – também conhecida como fertilizante – de baixos níveis de nitratos que são comuns em águas residuais industriais e águas subterrâneas poluídas.

Um estudo liderado pelo engenheiro químico e biomolecular da Rice, Haotian Wang, mostra que o processo converte níveis de nitrato de 2.000 partes por milhão em amônia, seguido por um processo eficiente de extração de gás para coleta de produtos de amônia. Os teores de nitrogênio restantes após esses tratamentos podem ser reduzidos a níveis "bebíveis", conforme definido pela Organização Mundial da Saúde.

"Cumprimos um processo completo de desnitrificação da água", disse o estudante de pós-graduação Feng-Yang Chen. “Com mais tratamento de água em outros contaminantes, podemos potencialmente transformar as águas residuais industriais em água potável”.

Chen é um dos três principais autores do artigo que aparece em Nature Nanotechnology .

Cloreto de amônio, à esquerda, e amônia líquida são os produtos de um catalisador desenvolvido por engenheiros da Rice University para converter águas residuais em produtos químicos úteis. Crédito:Jeff Fitlow/Rice University

O estudo mostra uma alternativa promissora de processos eficientes para uma indústria que depende de um processo intensivo de energia para produzir mais de 170 milhões de toneladas de amônia por ano.

Os pesquisadores sabiam de estudos anteriores que os átomos de rutênio são campeões em catalisar águas residuais ricas em nitrato. Sua torção foi combiná-lo com o cobre que suprime a reação de evolução do hidrogênio, uma forma de produzir hidrogênio a partir da água que, neste caso, é um efeito colateral indesejado.

"Sabíamos que o rutênio era um bom candidato a metal para redução de nitrato, mas também sabíamos que havia um grande problema, que poderia facilmente ter uma reação concorrente, que é a evolução do hidrogênio", disse Chen. "Quando aplicamos corrente, muitos elétrons iriam apenas para o hidrogênio, não para o produto que queremos."

"Pegamos emprestado um conceito de outros campos, como redução de dióxido de carbono, que usa cobre para suprimir a evolução de hidrogênio", acrescentou Wang. "Então tivemos que encontrar uma maneira de combinar organicamente rutênio e cobre. Acontece que a dispersão de átomos de rutênio na matriz de cobre funciona melhor."

A equipe usou cálculos da teoria funcional da densidade para explicar por que os átomos de rutênio tornam o caminho químico que conecta o nitrato e a amônia mais fácil de cruzar, de acordo com o autor correspondente Christopher Muhich, professor assistente de engenharia química no estado do Arizona.

O pós-doutorando Zhen-Yu Wu, à esquerda, e o estudante de pós-graduação Feng-Yang Chen montaram um experimento em seu laboratório da Rice University para extrair amônia e amônia sólida – também conhecida como fertilizante – de um modelo de águas residuais com baixos níveis de nitrato. Crédito:Jeff Fitlow/Rice University

"Quando há apenas rutênio, a água atrapalha", disse Muhich. "Quando há apenas cobre, não há água suficiente para fornecer átomos de hidrogênio. Mas nos locais únicos de rutênio, a água também não compete, fornecendo apenas hidrogênio suficiente sem ocupar pontos para que o nitrato reaja."

O processo funciona à temperatura ambiente e sob pressão ambiente, e no que os pesquisadores chamaram de uma corrente de redução de nitrato "relevante industrial" de 1 amp por centímetro quadrado, a quantidade de eletricidade necessária para maximizar a taxa de catálise. Isso deve facilitar a expansão, disse Chen.

"Acho que isso tem um grande potencial, mas foi ignorado porque tem sido difícil para estudos anteriores atingir uma densidade de corrente tão boa, mantendo uma boa seletividade do produto, especialmente sob baixas concentrações de nitrato", disse ele. "Mas agora estamos demonstrando exatamente isso. Estou confiante de que teremos oportunidades de impulsionar esse processo para aplicações industriais, especialmente porque não requer grande infraestrutura".

Um dos principais benefícios do processo é a redução das emissões de dióxido de carbono da produção industrial tradicional de amônia. Estes não são insignificantes, representando 1,4% das emissões anuais do mundo, observaram os pesquisadores.

“Enquanto entendemos que a conversão de resíduos de nitrato em amônia pode não ser capaz de substituir totalmente a indústria de amônia existente no curto prazo, acreditamos que esse processo pode trazer contribuições significativas para a produção descentralizada de amônia, especialmente em locais com altas fontes de nitrato”, disse Wang. .

Juntamente com o novo estudo, o laboratório de Wang e o do engenheiro ambiental da Rice, Pedro Alvarez, diretor do Centro de Tratamento de Água Ativado por Nanotecnologia (NEWT), publicaram recentemente um artigo no Journal of Physical Chemistry C detalhando o uso de nanopartículas de cobalto-cobre em um substrato de papel de fibra de carbono 3D como um catalisador eficiente para sintetizar amônia a partir da redução de nitrato. Este catalisador de baixo custo também mostrou grande promessa para a desnitrificação em águas residuais. + Explorar mais