Ученые ищут более экологически чистый способ производства аммиака
На сегодняшний день аммиак широко используется как основной ингредиент при производстве удобрений и в меньшем количестве – как хладагент. И, несмотря на свою репутацию экологически чистого хладагента аммиак, при своем производстве, вносит существенный вклад в глобальные выбросы парниковых газов.
Для поиска пути сокращения негативного воздействия на окружающую среду производства аммиака, ученые из Аргоннской национальной лаборатории Министерства энергетики США объединили свои усилия.
Разработанный в начале 1900-х годов процесс производства аммиака основан на процессе Габера-Боша – это промышленный процесс, в котором атмосферный азот «связывается» путём синтеза аммиака: смесь азота и водорода пропускается через нагретый катализатор под высоким давлением. При этом за счёт высокого давления равновесие в реакции N2+3H2→2NH3 смещается в сторону аммиака. Водород для получения аммиака извлекают из метана, обрабатывая его водяным паром. Процесс Габера-Боша очень энергоёмкий: средний расход электрической энергии на производство 1 т аммиака составляет 3200 кВт·ч. Энергия затрачивается на сжатие и нагрев смеси азота и водорода и частично рассеивается в тепло при охлаждении, необходимом для конденсации и отделения аммиака. Этот процесс зависит от невозобновляемых ископаемых источников и способствует выбросам в атмосферу как двуокиси углерода, так и метана.
Ученые из Аргоннской национальной лаборатории ищут более экономичные и экологически чистые методы добычи аммиака, которые выделяют меньше углерода. Они использовали модель Argonne по парниковым газам, регулируемым выбросам и использованию энергии в технологиях (GREET) для оценки воздействия на окружающую среду производства аммиака из различных источников энергии. Затем они использовали технико-экономическую модель, чтобы оценить стоимость двух разных способов более устойчивого производства аммиака.
Первый способ позволяет избежать высвобождения некоторого количества углерода, улавливая определенный процент образующегося углерода и затем сохраняя его в геологических формациях. Этот технологический путь может быть реализован при относительно низких затратах, поскольку общая стоимость производства аммиака увеличивается всего примерно на 20%.
Второй способ – вода подвергается электролизу для получения водорода, затем он соединяется с азотом для получения аммиака. Использование возобновляемой или ядерной энергии для расщепления воды с помощью электролиза дает возможность производить аммиак практически без воздействия углерода. Тем не менее, стоимость этого метода в настоящее время выше, чем путь улавливания углерода.
Работа Argonne является одним из ряда исследований по поиску более экономичного и устойчивого способа производства аммиака.
Исследователи из Университета Нотр-Дам, штат Индиана, работают над использованием плазмы — ионизированного газа — в сочетании с катализаторами, не содержащими благородных металлов, для производства аммиака в гораздо более мягких условиях, чем в процессе Габера-Боша.
Исследователи из инженерной школы Джорджа Р. Брауна Университета Райса в Хьюстоне недавно разработали неорганический экологически чистый метод синтеза аммиака, который не оказывает негативного воздействия на окружающую среду.
Японские ученые из Токийского технологического института упростили синтез аммиака при меньшей температуре с использованием гидрида кальция и фторида в качестве катализатора.