Novo reator pode mais que triplicar o rendimento de um dos produtos químicos mais valiosos do mundo
Um novo reator pode transformar águas residuais em água potável — e também gerar um dos produtos químicos mais procurados do mundo.
O novo reator, descrito em 12 de agosto na revista Catálise da Naturezaproduz gás amônia a partir de água contaminada com íons nitrato.
A amônia (NH3) é um produto químico industrial extremamente importante. É um dos principais componentes em fertilizantes e também vital em processos de fabricação química. Mais de 180 milhões de toneladas (163 milhões de toneladas métricas) são produzidas anualmente, principalmente pelo processo Haber-Bosch de 100 anos, uma reação de alta temperatura e alta pressão entre hidrogênio e nitrogênio. Esta reação química sozinha usa aproximadamente 2% da energia mundial, de acordo com o estudo.
O nitrato, por outro lado, polui rios e córregos quando o excesso de escoamento de terras agrícolas fertilizadas entra em cursos de água locais. Os nitratos devastam os ecossistemas aquáticos e, em níveis mais altos na água potável, podem representam riscos à saúde. Para ser segura para beber, a água deve ser cuidadosamente tratada para remover nitratos.
Os tratamentos comerciais existentes usam bactérias para converter íons nitrato diretamente em nitrogênio, mas esse procedimento é caro e também produz óxido nitroso, que, libra por libra, é 265 vezes mais potente como gás de efeito estufa do que o dióxido de carbono.
Para evitar esse impacto climático, os cientistas estão trabalhando em maneiras de converter nitrato em amônia usando eletricidade, mas os primeiros sistemas têm enfrentado reações colaterais indesejadas.
Nesses dispositivos, há uma extremidade positiva e negativa, com uma diferença de carga entre as duas. Reações químicas ocorrem em ambas. A água é dividida em gás oxigênio e íons hidrogênio na extremidade negativa do reator, enquanto uma segunda reação converte nitratos em amônia e íons hidroxila (OH-) na extremidade positiva.
Infelizmente, os íons de hidrogênio produzidos em um lado tendem a se difundir para o outro, onde reagem quimicamente para formar hidrogênio. Como até mesmo a água altamente poluída ainda tem pequenas concentrações de nitrato, essa reação de hidrogênio acaba dominando e impede que a reação principal de nitrato para amônia ocorra de forma eficiente. Cientistas tentaram contornar isso colocando aditivos na mistura, mas isso é impraticável para aplicações do mundo real em tratamento de água.
No novo estudo, os pesquisadores contornaram esse problema em parte adicionando uma câmara intermediária, criando um reator de três câmaras, segundo o primeiro autor do estudo. Feng Yang Chenum pesquisador da Rice University no Texas, disse à Live Science por e-mail. Na primeira câmara, o nitrato é convertido em gás amônia e íons hidroxila. Eles se combinam com íons de sódio já presentes na água para formar hidróxido de sódio. Conforme a água limpa sai da primeira câmara e é bombeada para a câmara do meio com esse hidróxido de sódio, o gás amônia recém-formado é borbulhado para fora. Enquanto isso, na terceira câmara, os íons de hidrogênio produzidos pela divisão da água se difundem pela célula para a câmara do meio. Aqui, os íons de hidrogênio e hidroxila do hidróxido de sódio se combinam para formar água. Os íons de sódio restantes então retornam da câmara do meio para a primeira câmara para repetir o ciclo.
Crucialmente, nenhum íon de hidrogênio chega ao outro lado do reator para interferir na reação do nitrato. Em um teste de 10 dias, mais de 90% da corrente elétrica na célula da equipe de pesquisa alimentou a produção de amônia, em comparação com cerca de 20% para os sistemas anteriores.
O design de Wang ainda é experimental e eles ainda precisam resolver vários problemas antes que a tecnologia possa ser lançada comercialmente.
Um dos grandes desafios é garantir que a reação ainda possa ocorrer na presença de impurezas, como íons de magnésio e cálcio, que geralmente são encontrados na água, disse Chen.
