Как электрохимический реактор превращает нитраты в аммиак и очищает воду

Исследователи Университета Райса разработали электрохимический реактор, который преобразует содержащиеся в загрязнённой воде нитраты в аммиак. Новая система позволяет одновременно очищать воду и получать полезное химическое вещество, широко применяемое в промышленности и производстве удобрений.

Работу провела группа инженеров под руководством Хаотяня Вана. Результаты исследования были опубликованы в научном журнале Nature Catalysis. Разработка ориентирована на очистку промышленных сточных вод и сельскохозяйственных стоков, в которых нитраты относятся к числу распространённых загрязнителей.

Традиционные способы удаления нитратов, включая ионный обмен и мембранную фильтрацию методом обратного осмоса, приводят к образованию концентрированных рассолов. Новый реактор предлагает другой подход: нитраты не переносятся в отдельный поток отходов, а преобразуются в аммиак без добавления дополнительных химических веществ.

Реактор для преобразования нитратов в аммиак и очистки воды

Заполните форму для получения консультации специалиста по водоподготовке

Ваше имя:

E-mail

Сообщение

Я подтверждаю согласие на обработку своих персональных данных.

Поставьте галку

Преобразование нитратов в полезное сырьё

Аммиак играет важную роль в производстве удобрений и поддержании мирового сельского хозяйства. Кроме того, его используют при изготовлении пластмасс, бытовых чистящих средств, взрывчатых веществ и топлива. Поэтому преобразование содержащихся в воде нитратов в аммиак позволяет не только удалять загрязнитель, но и возвращать соединения азота в производственный цикл в виде востребованного химического сырья.

Такой подход объединяет две технологические задачи, которые обычно решаются отдельно. Первая заключается в очистке воды от нитратов, а вторая — в получении аммиака. Разработанный реактор позволяет выполнять оба процесса в рамках одной системы: на вход поступает загрязнённая вода, а на выходе образуются очищенная вода и чистый аммиак.

Почему необходим новый способ производства аммиака

Основным промышленным способом получения аммиака остаётся процесс Габера — Боша. Он основан на реакции между водородом и азотом, которая проходит при высокой температуре и давлении. Для такого производства необходима крупная централизованная инфраструктура, а сам процесс требует значительных энергетических затрат.

На производство аммиака приходится около 2% мирового потребления энергии и примерно 1,4% выбросов углекислого газа. По этой причине исследователи рассматривают альтернативные технологии, способные уменьшить воздействие отрасли на окружающую среду. Одним из таких направлений является электрохимический синтез, при котором химические реакции протекают под действием электрической энергии.

Электрохимические процессы могут проходить при комнатной температуре и подходят для создания систем разного масштаба. Их также можно обеспечить электричеством из децентрализованных возобновляемых источников. Однако развитию этой технологии долгое время мешала необходимость использовать большое количество вспомогательных химических веществ при преобразовании нитратов.

Устройство трёхкамерного реактора

Разработанная исследователями система состоит из трёх камер и использует перерабатываемые ионы. Такая конструкция повышает эффективность реакции и уменьшает потребность в дополнительных химических веществах. Важным элементом реактора стал пористый твёрдый электролит, который позволяет отказаться от высокой концентрации вспомогательных электролитов.

Во время экспериментов через систему пропускали воду, загрязнённую нитратами. Исследователи измеряли количество образующегося аммиака и оценивали чистоту воды после обработки. Испытания показали, что реактор способен эффективно преобразовывать нитраты в чистый аммиак и одновременно получать очищенную воду без добавления дополнительных реагентов.

Таким образом, новая конструкция устраняет одно из основных ограничений, характерных для прежних вариантов электрохимического преобразования нитратов. Отсутствие необходимости использовать большое количество вспомогательных электролитов упрощает процесс и делает его более подходящим для дальнейшего практического применения.

Альтернатива традиционному удалению нитратов

Нитраты относятся к приоритетным загрязнителям, из-за которых вода может не соответствовать требованиям к питьевому качеству. Проблема особенно актуальна для территорий, где в качестве источника водоснабжения используются подземные воды, загрязнённые сельскохозяйственными стоками. Поэтому эффективное удаление нитратов остаётся важной задачей водоподготовки.

При традиционной очистке питьевой воды нитраты удаляют с помощью ионного обмена или мембранной фильтрации методом обратного осмоса. Эти технологии отделяют загрязнитель от очищенной воды, но при этом образуют рассол с повышенной концентрацией нитратов. В результате загрязнение не исчезает полностью, а переходит из одного потока в другой, после чего концентрат необходимо дополнительно обрабатывать или утилизировать.

Электрохимический реактор действует иначе. Он не просто отделяет нитраты, а преобразует их в аммиак, благодаря чему может устранить токсичность загрязнителя без образования нитратсодержащего рассола. Технология также может сократить потребность в традиционной денитрификации, применяемой на сооружениях очистки сточных вод.

Перспективы новой технологии

Если электроэнергия для работы реактора будет поступать из возобновляемых источников, такой способ производства аммиака сможет значительно снизить углеродный след. Возможность создавать системы разной производительности также открывает перспективы для их применения непосредственно на объектах, где образуются загрязнённые нитратами сточные воды.

Значение исследования не ограничивается производством аммиака. Конструкция реактора и подготовленная авторами технико-экономическая оценка могут использоваться при разработке других экологичных химических процессов. Предложенный подход показывает, как загрязняющие вещества можно не только удалять из воды, но и преобразовывать в полезные продукты.