Gli ingegneri della Georgia Tech stanno lavorando per rendere i fertilizzanti più sostenibili, dalla produzione al riutilizzo produttivo del deflusso dopo l'applicazione, e un paio di nuovi studi offrono strade promettenti ad entrambe le estremità del processo.
In un articolo, i ricercatori hanno svelato come l’azoto, l’acqua, il carbonio e la luce possono interagire con un catalizzatore per produrre ammoniaca a temperatura e pressione ambiente, un approccio molto meno dispendioso in termini energetici rispetto alla pratica attuale. Il secondo articolo descrive un catalizzatore stabile in grado di riconvertire i fertilizzanti di scarto in azoto non inquinante che un giorno potrebbe essere utilizzato per produrre nuovo fertilizzante.
Resta ancora molto da fare su entrambi i processi, ma l'autrice senior degli articoli, Marta Hatzell, ha affermato che rappresentano un passo verso un ciclo più sostenibile che soddisfa comunque le esigenze di una popolazione mondiale in crescita.
"Spesso pensiamo che sarebbe bello non dover utilizzare fertilizzanti sintetici per l'agricoltura, ma ciò non è realistico nel breve termine, considerando quanto la crescita delle piante dipende dai fertilizzanti sintetici e quanto cibo ha bisogno la popolazione mondiale", ha affermato Hatzell, associato. professore alla George W. Woodruff School of Mechanical Engineering. "L'idea è che forse un giorno si potrebbero produrre, catturare e riciclare i fertilizzanti sul posto."
L’ammoniaca ricca di azoto è un fertilizzante essenziale nella produzione alimentare globale. La sua creazione richiede tuttavia una notevole quantità di energia basata sul petrolio e può essere realizzata solo in circa 100 strutture su larga scala in tutto il mondo.
Hatzell e i suoi colleghi della Georgia Tech hanno scoperto l'importante ruolo delle molecole chiamate radicali del carbonio per un approccio a bassa energia che utilizza un catalizzatore reattivo alla luce per fondere l'azoto e l'idrogeno nell'ammoniaca. Hanno riportato i loro risultati nel Journal of American Chemical Society Au (JACS Au ).
Le reazioni fotochimiche sono promettenti perché potrebbero utilizzare l’energia solare invece dei combustibili fossili e offrire un approccio più decentralizzato alla produzione di ammoniaca. Tipicamente, la reazione necessaria richiede temperature intorno ai 400° Celsius e 100 volte la normale pressione atmosferica. Creare un processo a pressione e temperatura ambiente, intorno ai 25° C, sarebbe notevolmente più semplice.
Il team, che comprendeva ricercatori della Scuola di ingegneria chimica e biomolecolare e della Scuola di ingegneria civile e ambientale, ha utilizzato strumenti di spettroscopia per dimostrare che la luce interagisce con il fotocatalizzatore per produrre molecole di carbonio ad alta energia chiamate radicali di carbonio.
"Abbiamo scoperto, sorprendentemente, che l'azoto non reagisce direttamente alle basse temperature. È davvero necessaria la presenza di radicali di carbonio per favorire il processo di fissazione dell'azoto", ha affermato Hatzell.
"Per noi era davvero importante provare a identificare quel percorso di reazione, perché senza una chiara comprensione di come l'azoto e l'acqua determinano la formazione di ammoniaca, non possiamo davvero progettare sistemi e progettare nuovi materiali", ha continuato.
"Mappando questo percorso di reazione e comprendendo tutti i possibili processi catalitici che possono aver luogo, ora possiamo progettare meglio i reattori e progettare meglio i materiali per accelerare il processo."
Il team ha utilizzato il biossido di titanio come fotocatalizzatore in questi esperimenti perché è ben studiato e ampiamente utile, ma Hatzell ha affermato che altri materiali potrebbero rivelarsi più efficaci nell'innescare la creazione di ammoniaca in una reazione fotochimica. Questa nuova comprensione può aiutare gli scienziati a iniziare a ottimizzare il processo.
Il secondo studio del laboratorio di Hatzell, pubblicato su ACS Energy Letters —sta lavorando all'estremità opposta del ciclo di vita del fertilizzante. Quantità significative di azoto vengono sprecate quando si applica il fertilizzante alle colture:forse fino all’80% non viene metabolizzato dalle piante. Questi rifiuti di nitrati spesso finiscono per inquinare le falde acquifere.
Hatzell ha lavorato con altri ingegneri meccanici e ricercatori della Georgia Tech in due laboratori nazionali per creare una lega di palladio-rame che riduce i nitrati in azoto, che può essere rilasciato in modo innocuo nell'aria o, un giorno, utilizzato per alimentare processi come la reazione fotochimica nel JACS Au studio per creare nuovo fertilizzante ammoniacale.
"Non solo il nostro catalizzatore è buono, ma è anche stabile per un periodo di tempo molto lungo", ha detto Hatzell. "Molti ricercatori hanno ideato catalizzatori che ottengono una buona conversione, ma i catalizzatori non sono stabili. Abbiamo creato un materiale in lega altamente ordinato che è efficace, efficiente e anche stabile, il che significa che sarebbe in grado di lavorare con questi flussi di rifiuti."
Entrambi gli studi sono il risultato di una concentrazione di competenze nel College of Engineering che lavora per fare progressi in questo settore. Includono contributi di ricercatori come A.J. Medford, Seung Woo Lee e Carsten Sievers.
Fanno anche parte di uno sforzo più ampio, guidato da Hatzell e altri di Tech, che mira a ridurre l'inquinamento da azoto e creare invece un'economia circolare dell'azoto catturando, riciclando e producendo fertilizzanti decarbonizzati a base di azoto.
"Con questo centro decennale, stiamo lavorando per sviluppare tutti questi singoli processi e tecnologie", ha affermato Hatzell. "Poi scopriremo come metterli insieme e sperimentarli negli impianti di trattamento delle acque reflue e nei siti agricoli."
Ulteriori informazioni: Po-Wei Huang et al, Formazione di radicali centrati sull'azoto indotti dal carbonio sul biossido di titanio sotto illuminazione, JACS Au (2023). DOI:10.1021/jacsau.3c00556
Jeonghoon Lim et al, Elettrocatalizzatori PdCu ordinati atomicamente per la riduzione elettrochimica selettiva e stabile dei nitrati, Lettere energetiche ACS (2023). DOI:10.1021/acsenergylett.3c01672
Informazioni sul giornale: Lettere sull'energia ACS
Fornito dal Georgia Institute of Technology
