Новый катализатор одновременно очищает воду от нитратов и превращает их в удобрение
Загрязнение воды нитратами — одна из наиболее острых экологических проблем, связанных с сельскохозяйственными удобрениями. Нитраты из стоков проникают в грунтовые воды и реки, вызывая цветение водорослей и угрожая здоровью людей. Учёные из Университета Тохоку предложили решение, которое одновременно устраняет загрязнение и производит ценные химические продукты. Результаты опубликованы в журнале Angewandte Chemie.
Два результата вместо одного: как работает система
Традиционные системы электролиза, очищающие воду, страдают принципиальным недостатком: реакция на аноде — выделение кислорода — поглощает значительное количество энергии, не давая никакого полезного продукта.
Новый катализатор позволяет заменить эту «пустую» реакцию на химически полезную. На аноде происходит окисление биомасс-производного соединения 1,5-пентандиола до глутаровой кислоты — важного промышленного химиката, широко используемого при производстве полимеров, специальных смол и эластомеров.
Одновременно на катоде нитраты — загрязнитель, присутствующий в загрязнённых сточных водах, — восстанавливаются до аммиака, ключевого компонента азотных удобрений.
Почему это важно для химии и аграрного сектора
Полная цепочка продуктов, которые генерирует система:
— Глутаровая кислота (анодная реакция) — сырьё для производства полиамидов, клеёв и специальных полимеров — Аммиак (катодная реакция) — основа для синтеза азотных удобрений, необходимых для мирового сельского хозяйства — Очищенная вода — пригодная для повторного использования или сброса в водоёмы
Производство аммиака традиционно осуществляется с помощью процесса Габера–Боша при высоких температурах (400–500 °C) и давлении (150–300 атмосфер), что требует огромных энергозатрат. Электрохимическое восстановление нитратов при комнатных условиях — принципиально другой подход, дающий возможность использовать возобновляемую электроэнергию.
Что стоит за достижением
Разработка нового катализатора стала результатом более чем десятилетних исследований в области функциональных материалов и электрохимии. Команде удалось создать катализатор, обеспечивающий высокую избирательность сразу двух реакций в одном электролизёре — что прежде было серьёзной технологической проблемой.
Читайте также по теме: новых данных о загрязнении водоёмов.
Дальнейшие шаги включают масштабирование системы до практически значимых объёмов и тестирование на реальных сточных водах с различным составом нитратов. В перспективе подобные двойные электролизёры могут стать частью систем очистки агропромышленных стоков, превращая экологическую нагрузку в экономически ценный продукт.
