Karbon ve nitrojen atomlarıyla sinerji içinde çalışan tek bir gümüş atomu, tarım ve madencilik gibi endüstrilerden sudaki kirletici nitrojenli atıkları verimli bir şekilde kullanıma hazır sıvı gübreye dönüştürebilir.
Tipik olarak, biyolojik iyileştirme gibi günümüzde kullanılan yollar ve teknolojiler, hiçbir değeri olmayan nitrojene dönüştürülen yüksek konsantrasyonlarda nitrojenli atık içeren kaynakları hedef alır. Buradaki zorluk, atık sudaki nitrat ve nitrit gibi düşük konsantrasyonlu azotlu atıkların yüksek değerli amonyak bazlı ürünlere verimli bir şekilde dönüştürülmesi olmuştur. Gümüş, karbon ve nitrojenin sinerjisinin katalitik büyüsünü ördüğü yer burasıdır.
Araştırmacılar, gümüş atomlarını, mükemmel bir sinerjiyle, kirletici nitratı doğrudan gübre olarak kullanılabilecek amonyuma dönüştürmek için bir dizi karmaşık katalitik adımı koreografisini yapan bir karbon ve nitrojen destek matrisine hassas bir şekilde ördüler.
N-atık döngüsünün kapatılması
Azotlu atıkların kaynağında uzaklaştırılması ve değerli bir ürüne dönüştürülmesi NOx’in kapatılmasına yardımcı olurX (hava kirletici, nitrojen bazlı gazlar), nitrat ve nitrit döngüsü oluşturarak atıkların sudaki yaşam ve insan sağlığı üzerinde olumsuz etkilerinin olduğu ortama karışmasını engeller.
Karbon Bilimi ve İnovasyon Mükemmeliyet Merkezi ile New South Wales Üniversitesi Kimya Mühendisliği Okulu ve Mineraller ve Enerji Kaynakları Mühendisliği Okulu’ndan araştırmacılar araştırmayı yürüttü ve 2017’de yayınladı. Uygulamalı Kataliz B: Çevre ve Enerji.
UNSW Kimya Mühendisliği Okulu ve makalenin baş yazarı Dr. Thanh Son Bui, “Çalışmamız, atık nitratı son derece düşük miktarda gümüş atomu kullanarak değerli amonyağa dönüştürmek için karbon bazlı malzemelerin atom seviyesinde nasıl tasarlanabileceğini gösteriyor” diyor.
Merkez Baş Araştırmacısı Dr. Rahman Daiyan şunları söylüyor: “Döngüsel ekonomi yarattığımız için, bu teknoloji sadece değerli gübre son ürünüyle ilgili değil. Piyasa değeri de olan nitrat ve nitriti azaltıyoruz. Yani, nitrojenin bu atık formlarını azaltmamanın çevresel bir cezası ve maliyeti var.
“Örneğin, patlayıcıların kullanımıyla buraya ulaşan bir madenin atık barajındaki nitrat, nitrit konsantrasyonu yüksek olabilir ve atık barajları binlerce kilometre karelik (büyük bir şehir büyüklüğünde bir alan) olabilir.
“Eğer tedavi edilmezse, su yollarına kaçma riskinin yanı sıra, nitrat ve nitrit, karbondioksitten 290 kat daha güçlü olan nitröz oksit (gülme gazı) gibi daha güçlü sera gazlarından bazılarına dönüşebilir.
“Azot ve nitriti azaltmak ve çevre sorununu çözmek bugünün bir sorunudur. Bu yarının bir sorunu değildir ve teknolojimizin ekonomisinin anlam kazanmaya başladığı yer burasıdır” diyor.
Goldilocks anından önceki deneme yanılma
Araştırmacılar onlarca yıldır nitrojen gazından amonyak elde etmek için katalitik sistemler kullanıyor ancak nitrojenin stabil ve çözünmez olması, amonyağa dönüşmesini zorlaştırıyor. Ayrıca verimler genellikle düşüktür ve güvenilmezdir.
Araştırmacılar ancak son birkaç yıldır dikkatlerini amonyağa alternatif bir yol olarak nitrat ve nitritlerin potansiyeline yönelttiler çünkü bu nitrojen formları daha reaktif ve çözünür.
Merkezin Baş Araştırmacısı Dr. Emma Lovell, “Araştırmamızın benzersiz yönü, atık sudaki düşük nitrat konsantrasyonlarını hedeflememizi sağlayan katalizörümüzün atomik tasarımıdır. Azotun bir kısmını çıkararak ve bunları tek gümüş atomlarıyla değiştirerek ayarladığımız bir karbon-nitrojen destek yapısıyla başlıyoruz” diyor.
“Katalizörümüzün maliyetini nasıl en aza indirebileceğimize ve performansını en üst düzeye çıkarabileceğimize baktık. Karbon ucuz ve bol. Katalizördeki gümüş miktarı, katalizörün yalnızca %0,1’ini oluşturuyor, ancak karbon ve nitrojenle sinerji içinde çalışan bu birkaç gümüş atomu, katalizörü oldukça seçici hale getirerek, aksi takdirde gübrelerden, kentsel atıklardan ve madencilik faaliyetlerinden kaynaklanan akışla çevreye girecek olan nitratın tamamen dönüştürülmesine olanak tanır” diyor Dr. Lovell.
İşin zor kısmı doğru miktarda gümüş bulmaktı: Çok fazla gümüş ve gümüş çok atomlu kümeler oluşturmaya başlar ve hidrojen üretirsiniz. Çok az olursa nitratı amonyuma kadar dönüştürme yeteneğinizi kaybedersiniz. Bir Goldilocks miktarı var ve bunu başarmak, karbon-nitrojen desteğindeki kesin konumlarda doğru miktarda gümüş elde ettiğimizden emin olmak için sistemin hassas kontrolünü gerektiriyordu.
Dr. Lovell, “Üretimin kesin doğasına rağmen, kolayca yapılabilen ve ölçeklenebilir bir katalizörümüz var” diyor.
Dr. Daiyan, “Ancak, katalitik tasarıma paralel olarak ele alınması gereken zorluklardan biri, daha geniş sistem mühendisliği ve teknolojiyi belirli bir endüstriye uygulayabilmektir” diyor.
“Bu şirketlere özgü teknolojileri ölçeklendirmenin ve riski biraz daha azaltmanın yollarını bulmak için orada bulunan potansiyel ticari şirketlere bakmamız ve her yolun ekonomik uygulanabilirliğini anlamak için bazı tekno-ekonomik modeller çalıştırmamız gerekiyor. Potansiyeli olan birkaç ticari yol belirledik.”
