Un metodo puramente meccanico può produrre un nuovo fertilizzante più sostenibile in un modo meno inquinante. Questo è il risultato di un metodo ottimizzato con la sorgente luminosa PETRA III di DESY. Un team internazionale ha utilizzato PETRA III per ottimizzare il metodo di produzione che è un adattamento di una tecnica antica:macinando due ingredienti comuni, urea e gesso, gli scienziati producono un nuovo composto solido che rilascia lentamente due elementi chimici fondamentali per la fertilizzazione del suolo:azoto, e calcio.

Il metodo di macinazione è rapido, efficiente e pulito, così come il prodotto fertilizzante, che ha il potenziale per ridurre l'inquinamento da azoto che contamina i sistemi idrici e contribuisce al cambiamento climatico. Gli scienziati hanno anche scoperto che il loro processo è scalabile; pertanto, potrebbe essere potenzialmente implementato industrialmente. I risultati degli scienziati di DESY; l'Istituto Ruđer Bošković (IRB) a Zagabria, Croazia; e la Lehigh University negli Stati Uniti sono state pubblicate sulla rivista Green Chemistry . Il nuovo fertilizzante deve ancora essere testato sul campo.

Da diversi anni gli scienziati di DESY e IRB collaborano per esplorare i fondamenti dei metodi meccanici per l'avvio di reazioni chimiche. Questo metodo di elaborazione, chiamato meccanochimica, utilizza vari input meccanici, come la compressione, la vibrazione o, in questo caso, la fresatura, per ottenere la trasformazione chimica. "La meccanochimica è una tecnica piuttosto vecchia", afferma Martin Etter, scienziato della linea di luce presso la linea di luce P02.1 di PETRA III. "Per migliaia di anni abbiamo macinato cose, ad esempio, grano per pane. Solo ora stiamo iniziando a esaminare questi processi meccanochimici in modo più intenso utilizzando i raggi X e vedere come possiamo utilizzare quei processi per avviare reazioni chimiche."

La linea di luce di Etter è una delle poche al mondo in cui la meccanochimica può essere eseguita e analizzata di routine utilizzando i raggi X di un sincrotrone. Etter ha trascorso anni a sviluppare la linea di luce ea lavorare con gli utenti per mettere a punto metodi per analizzare e ottimizzare le reazioni meccanochimiche. Il risultato è stato un esperimento di fama mondiale che è stato utilizzato per studiare molti tipi di reazioni importanti per la scienza dei materiali, la catalisi industriale e la chimica verde.

"In realtà, la configurazione meccanochimica di DESY è probabilmente la migliore al mondo", afferma Krunoslav Užarević dell'IRB di Zagabria. "In pochi posti è possibile monitorare l'andamento delle reazioni meccanochimiche così come qui al DESY. Sarebbe stato praticamente impossibile ottenere questo risultato senza l'esperienza di Martin Etter e questa configurazione PETRA III."

Per questo risultato, la collaborazione di meccanochimica ha collaborato con Jonas Baltrusaitis, professore di ingegneria chimica alla Lehigh University. Il team ha utilizzato l'impostazione P02.1 per ottenere informazioni dettagliate sui parametri che governano il processo di macinazione e ottimizzare le condizioni di reazione per la preparazione del fertilizzante target. L'impostazione di PETRA III consente una visione diretta dell'evoluzione della miscela di reazione applicando la radiazione di sincrotrone al recipiente di macinazione. Ciò significa che la reazione può essere osservata senza interrompere la procedura. I ricercatori hanno così potuto determinare le vie di reazione esatte e analizzare l'output e la purezza del prodotto, il che li ha aiutati a perfezionare al volo la procedura meccanica. Hanno trovato una procedura che ha consentito la conversione del 100% dei materiali di partenza nel fertilizzante target.

Quel prodotto finale è noto come "cocristallo", un solido con una struttura cristallina comprendente due diverse sostanze chimiche che è stabilizzata da interazioni intermolecolari più deboli in schemi ripetuti. "I cocristalli possono essere visti come strutture LEGO", afferma Etter. "Hai serie di due tipi di due mattoni, e con questi due mattoni crei uno schema ripetuto." In questo caso i "mattoni" sono solfato di calcio derivato dal gesso e dall'urea. Attraverso il processo di macinazione, l'urea e il solfato di calcio si legano tra loro.

"Di per sé, l'urea crea un cristallo molto debolmente legato che si sfalda facilmente e rilascia il suo azoto troppo facilmente", afferma Baltrusaitis. "Ma con il solfato di calcio attraverso questo processo meccanochimico, si ottiene un cocristallo molto più robusto con un rilascio lento". Il vantaggio di questo cocristallo è che i suoi legami chimici sono abbastanza deboli da rilasciare azoto e calcio, ma abbastanza forti da impedire che i due elementi vengano liberati tutti in una volta.

Quel metodo di rilascio è il grande vantaggio del fertilizzante. Per prima cosa, hanno evitato uno dei principali inconvenienti dei fertilizzanti azotati in uso dagli anni '60. "Lo status quo nei fertilizzanti, per motivi di sicurezza alimentare, è scaricare quanto più azoto e fosforo possibile sulle colture", afferma Baltrusaitis. Oltre 200 milioni di tonnellate di fertilizzante vengono prodotte attraverso il secolare processo Haber-Bosch, che intrappola l'azoto atmosferico nei cristalli di urea. Di questo, solo il 47 percento circa viene effettivamente assorbito dal suolo, mentre il resto viene dilavato via e causando potenzialmente enormi interruzioni nei sistemi idrici. Nel Mare del Nord e nel Golfo del Messico stanno crescendo enormi "zone morte", in cui le fioriture algali alimentate da fertilizzanti in eccesso assorbono tutto l'ossigeno disponibile nell'acqua e quindi uccidono la vita marina.

Inoltre, la produzione di fertilizzanti comuni è ad alta intensità energetica, consumando ogni anno il quattro per cento della fornitura globale di gas naturale attraverso il processo Haber-Bosch. Il nuovo metodo offre l'opportunità di ridurre tale dipendenza. "Se si aumenta l'efficienza di quei materiali a base di urea del 50 per cento, è necessario produrre meno urea tramite Haber-Bosch, con tutti i relativi problemi di consumo energetico come la domanda di gas naturale", afferma Baltrusaitis. La procedura di macinazione è veloce e molto efficiente, risultando in un fertilizzante puro senza sottoprodotti di scarto tranne l'acqua. "Non solo stiamo proponendo un fertilizzante che funzioni meglio", afferma Baltrusaitis, "stiamo anche dimostrando un metodo di sintesi verde".

Mentre l'analisi PETRA III ha coinvolto milligrammi di fertilizzante, il team di ricerca guidato da Baltrusaitis e Užarević è riuscito a scalare le proprie procedure con l'aiuto dei dati raccolti da PETRA. Finora possono, con la stessa procedura ed efficienza, produrre centinaia di grammi di fertilizzante. Come passaggio successivo, il team prevede di continuare a crescere, al fine di realizzare una versione industriale del processo di prova di principio. Baltrusaitis sta già lavorando a un tale ampliamento e test del fertilizzante a base di cocristalli per l'applicazione in condizioni reali.

"Oltre al prodotto, il processo meccanochimico non genera praticamente sottoprodotti o rifiuti indesiderati", afferma Užarević dell'IRB. "Siamo ottimisti sul fatto che ci sia un forte potenziale applicativo in tutto il mondo". + Esplora ulteriormente

Il nuovo metodo di produzione rende l'elemento fertilizzante vitale in modo più sostenibile