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污染地下水可用于农业施肥:德国科学家通过电化学方法将硝酸盐直接转化为氨气

olivia chan

地下水作为水资源的重要组成部分,是农业灌溉以及工业和城市用水的重要来源之一。近年来,随着城市用水需求快速增长,地下水超采和污染情况日益严重,严重影响了农业灌溉用水。近日,德国科学家团队对污染地下水的再利用进行了研究。

德国博士生Phebe van Langevelde和Joule莱顿化学研究所的Marc Koper教授组建的科学家团队针对如何从污染的地下水中去除硝酸盐,同时以可持续的方式生产氨这一课题进行了研究。研究成果以论文的形式在线发表于《细胞》上,题为《电催化还原硝酸盐以实现可持续的氨生产》(Electrocatalytic Nitrate Reduction for Sustainable Ammonia Production)

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硝酸盐(NO3-)是一种污染物,来源于交通、工业和农业。环境技术专家一直在寻找一种方法将其转化为氮气,即N2。与此同时氨氮化合物NH3是由氮气制成的。NH3是化学中的重要原料,可用于生产肥料。但由氨气转化为NH3的过程需要在高压和高温下进行的,因此需要使用化石燃料,这又会带来更多的温室气体排放。

Phebe van Langevelde表示,解决这两个问题的方法是将这些过程结合起来——将硝酸盐直接转化为氨。她和她的同事一起评估了各种方案,“我们发现了新的可能性,”她说。

业内目前将硝酸盐转化为氮气的方法是利用细菌。然而,此项研究表明电化学可能是一种更便宜、更可靠的替代方法:将起始材料溶解在液体中,在液体中放置两个电极,上面涂有催化剂。当在电极上施加电压时,根据施加的催化剂,在其表面发生化学反应。

这不仅可能是去除污染水体中硝酸盐的较好方法,也可能是生产氨的环保替代品。目前以氮气为基础的耗能工艺是哈伯-博施法(Haber-Bosch)工艺,这是一项成熟的技术,已经应用了一个多世纪。但从硝酸盐出发的电化学方法可能比Haber-Bosch方法更便宜。该过程在室温下进行,由电力驱动,可以持续发电。它也是小规模的,可以在当地应用。

“这将免去储存大量原材料所带来的安全风险。前段时间黎巴嫩的贝鲁特爆炸事件就涉及到化肥的批量储存”Van Langevelde说。

尽管在电化学将硝酸盐转化为氨的方法能够实际应用之前,还需要进行更多的基础研究,例如研究合适的催化剂和副产品的形成,但这种方法在未来对于帮助恢复全球氮循环将起到重要作用。

编译/前瞻经济学人APP资讯组

参考信息:https://scitechdaily.com/polluted-water-as-a-source-of-fertilizer/

论文链接:https://doi.org/10.1016/j.joule.2020.12.025


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