新型反应堆系统可产生绿色氨和纯净水

氨在为世界不断增长的人口维持粮食生产方面发挥着关键作用，但它也占全球能源消耗的约 2%和二氧化碳排放量的 1.4% 。莱斯大学的工程师们开发出了一种革命性的反应堆设计，可以在氨生产过程中脱碳，同时减轻水污染。

在《自然催化》杂志上发表的一项研究中，由天领导的赖斯工程师团队描述了一种新型反应系统的开发，该系统将硝酸盐(工业废水和农业径流中常见的污染物)转化为氨，氨是一种重要的化学物质，不仅用于肥料，还用于从家用清洁剂到塑料、炸药甚至燃料等各种工业和商业产品。

目前，氨是世界上产量最大的化学品之一，全球每年的需求量超过 1.8 亿吨。制造氨的主要方法是哈伯-博施工艺，该工艺需要在高温高压条件下发生氢和氮之间的反应，并且依赖于大规模集中式基础设施。

该过程的替代方法是电化学合成，即使用电来驱动化学反应。

这项研究的主要作者、莱斯大学研究生陈凤阳 (Feng-Yang Chen) 表示：“电化学可以在室温下进行，更适合于不同基础设施系统的可扩展格式，并且能够由分散的可再生能源提供动力。”

“然而，目前该技术面临的挑战是，在电化学转化过程中需要大量的添加剂。我们开发的反应器使用可回收离子和三室系统来提高反应效率。”

其中一个关键创新在于使用多孔固体电解质，这样就无需使用高浓度的支持电解质——这个问题曾阻碍过以前将硝酸盐可持续地转化为氨的尝试。此外，使用可再生能源为转化过程提供动力将使氨生产基本上实现碳中和。

“我们进行了实验，让受硝酸盐污染的水流过这个反应器，并测量了产生的氨的量和处理后水的纯度，”在王的指导下攻读化学和生物分子工程博士学位的陈说。

“我们发现，我们的新型反应堆系统可以非常有效地将硝酸盐污染的水转化为纯氨和清洁水，而无需额外的化学品。简而言之，你把废水放进去，就能得到纯氨和纯净水。”

新的反应器系统实现了硝酸盐到氨的电化学转化途径，从而消除了脱氮过程——废水处理厂通过脱氮过程从污染水中去除硝酸盐，生成氮，然后将其输入哈伯-博施工艺。除了绕过传统的脱氮和哈伯-博施工艺之外，这种方法还提供了一种有效的水净化方法。

“硝酸盐是最常违反饮用水标准的优先污染物之一，随着受硝酸盐污染的地下水供应农田转变为城市发展，硝酸盐在不断发展的城市中成为一个严重的问题，”乔治·R·布朗土木与环境工程教授、莱斯大学纳米技术水处理纳米系统工程研究中心和水技术创业与研究机构主任佩德罗·阿尔瓦雷斯 (Pedro Alvarez) 说。

阿尔瓦雷斯表示：“饮用水处理中传统的硝酸盐去除方法包括通过反渗透进行离子交换或膜过滤，这会产生盐水并将硝酸盐问题从一个相转移到另一个相。”

阿尔瓦雷斯说：“王教授的创新非常及时且重要，因为它提供了一种解决方案，无需添加处理化学品即可消除硝酸盐性和相关责任。”

这项研究的意义不仅限于氨生产。反应器的设计以及研究附带的技术经济评估有助于进一步研究其他环保化学工艺，从而有可能改变工业应对环境挑战的方式。

莱斯大学化学与生物分子工程、材料科学与纳米工程和化学副教授王说：“我们的研究结果提出了一种解决水污染和氨生成问题的新的、更环保的方法，这可能会影响工业和社区如何应对这些挑战。”

“如果我们想在 2050 年之前实现电网脱碳并实现净零目标，就迫切需要开发可持续生产氨的替代方法。”