04.05.2022 - Rice University

Un procédé rizicole pour éliminer l'ammoniac des eaux usées

Le ruthénium et le cuivre catalysent un moyen plus écologique de produire un produit chimique essentiel

Un soupçon d'atomes de ruthénium sur une maille de nanofils de cuivre pourrait être un pas vers une révolution dans l'industrie mondiale de l'ammoniac, qui serait également bénéfique pour l'environnement.

Des collaborateurs de la George R. Brown School of Engineering de l'université Rice, de l'université d'État de l'Arizona et du Pacific Northwest National Laboratory ont mis au point le catalyseur haute performance qui peut, avec une efficacité proche de 100 %, extraire de l'ammoniac et de l'ammoniac solide - c'est-à-dire de l'engrais - à partir de faibles niveaux de nitrates, très répandus dans les eaux usées industrielles et les eaux souterraines polluées.

Une étude dirigée par Haotian Wang, ingénieur chimiste et biomoléculaire de l'université Rice, montre que le processus convertit des niveaux de nitrates de 2 000 parties par million en ammoniac, suivi d'un processus efficace de stripage des gaz pour la collecte des produits ammoniacaux. Les teneurs en azote restantes après ces traitements peuvent être ramenées à des niveaux "potables" tels que définis par l'Organisation mondiale de la santé.

"Nous avons réalisé un processus complet de dénitrification de l'eau", a déclaré Feng-Yang Chen, étudiant diplômé. "Avec un traitement supplémentaire de l'eau sur d'autres contaminants, nous pouvons potentiellement transformer les eaux usées industrielles en eau potable."

Chen est l'un des trois auteurs principaux de l'article publié dans Nature Nanotechnology.

L'étude montre une alternative prometteuse vers des processus efficaces pour une industrie qui dépend d'un processus à forte intensité énergétique pour produire plus de 170 millions de tonnes d'ammoniac par an.

Les chercheurs savaient, grâce à des études antérieures, que les atomes de ruthénium sont des champions de la catalyse des eaux usées riches en nitrates. Leur astuce a consisté à les combiner avec du cuivre qui supprime la réaction d'évolution de l'hydrogène, un moyen de produire de l'hydrogène à partir de l'eau qui, dans ce cas, constitue un effet secondaire indésirable.

"Nous savions que le ruthénium était un bon métal candidat pour la réduction des nitrates, mais nous savions aussi qu'il y avait un gros problème, à savoir qu'il pouvait facilement avoir une réaction concurrente, qui est le dégagement d'hydrogène", a déclaré Chen. "Lorsque nous appliquions du courant, un grand nombre d'électrons allaient simplement se transformer en hydrogène, ce qui n'est pas le produit que nous voulons."

"Nous avons emprunté un concept à d'autres domaines comme la réduction du dioxyde de carbone, qui utilise le cuivre pour supprimer l'évolution de l'hydrogène", a ajouté Wang. "Ensuite, nous avons dû trouver un moyen de combiner organiquement le ruthénium et le cuivre. Il s'avère que la dispersion d'atomes de ruthénium uniques dans la matrice de cuivre fonctionne le mieux."

L'équipe a utilisé des calculs de théorie fonctionnelle de la densité pour expliquer pourquoi les atomes de ruthénium rendent le chemin chimique qui relie le nitrate et l'ammoniac plus facile à traverser, selon l'auteur co-correspondant Christopher Muhich, professeur adjoint de génie chimique à l'Arizona State.

"Lorsqu'il n'y a que du ruthénium, l'eau se met en travers du chemin", a déclaré Muhich. "Lorsqu'il n'y a que du cuivre, il n'y a pas assez d'eau pour fournir des atomes d'hydrogène. Mais sur les sites à ruthénium unique, l'eau ne rivalise pas aussi bien, fournissant juste assez d'hydrogène sans prendre de place pour que le nitrate réagisse."

Le procédé fonctionne à température ambiante et à la pression ambiante, et à ce que les chercheurs appellent un courant de réduction du nitrate "pertinent pour l'industrie" de 1 ampère par centimètre carré, soit la quantité d'électricité nécessaire pour maximiser le taux de catalyse. Cela devrait permettre une mise à l'échelle facile, a déclaré Chen.

"Je pense que le potentiel est énorme, mais il a été ignoré parce qu'il était difficile pour les études précédentes d'atteindre une telle densité de courant tout en maintenant une bonne sélectivité du produit, en particulier à de faibles concentrations de nitrate", a-t-il déclaré. "Mais nous sommes en train de le démontrer. Je suis convaincu que nous aurons l'occasion de pousser ce procédé vers des applications industrielles, notamment parce qu'il ne nécessite pas de grandes infrastructures."

L'un des principaux avantages du procédé est la réduction des émissions de dioxyde de carbone provenant de la production industrielle traditionnelle d'ammoniac. Celles-ci ne sont pas négligeables, puisqu'elles représentent 1,4 % des émissions annuelles mondiales, ont noté les chercheurs.

"Bien que nous ayons compris que la conversion des déchets de nitrate en ammoniac pourrait ne pas être en mesure de remplacer entièrement l'industrie de l'ammoniac existante à court terme, nous pensons que ce procédé pourrait contribuer de manière significative à la production décentralisée d'ammoniac, en particulier dans les endroits où les sources de nitrate sont élevées", a déclaré Wang.

Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.

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