זול יותר, נקי יותר, ירוק יותר: מדענים מפתחים דרך חדשה לייצור אמוניה

טמפרטורה נמוכה, שיטה רגנרטיבית חוסכת אנרגיה ויוצרת ביעילות כימיקל נפוץ.

בין הכימיקלים הרבים שאנו משתמשים בהם מדי יום, אמוניה היא אחד הגרועים ביותר לאטמוספירה. הכימיקל המבוסס על חנקן המשמש בדשן, צבעים, חומרי נפץ ומוצרים רבים אחרים מדורג במקום השני רק למלט מבחינת פליטת פחמן, בשל הטמפרטורות הגבוהות והאנרגיה הדרושים לייצורו.

אבל על ידי שיפור של תגובה אלקטרוכימית ידועה ותזמורת "סימפוניה" של אטומי ליתיום, חנקן ומימן, המהנדסים של אוניברסיטת אילינוי בשיקגו בראשות Meenesh Singh פיתחו תהליך ייצור אמוניה חדש שעומד בכמה יעדים ירוקים.

התהליך, הנקרא סינתזת אמוניה בתיווך ליתיום, משלב גז חנקן ונוזל תורם מימן כמו אתנול עם אלקטרודת ליתיום טעונה. במקום לפצח מולקולות גז חנקן בטמפרטורה ובלחץ גבוהים, אטומי חנקן נדבקים לליתיום, ואז מתאחדים עם מימן כדי ליצור את מולקולת האמוניה.

התגובה פועלת בטמפרטורות נמוכות, והיא גם רגנרטיבית, משחזרת את החומרים המקוריים בכל מחזור של ייצור אמוניה.

המדע שמאחורי התהליך

"יש שתי לולאות שקורות. האחד הוא חידוש מקור המימן והשני הוא חידוש הליתיום", אמר סינג, פרופסור חבר להנדסה כימית ב-UIC. "יש סימפוניה בתגובה הזו, בגלל התהליך המחזורי. מה שעשינו היה להבין את הסימפוניה הזו בצורה טובה יותר ולנסות לווסת אותה בצורה מאוד יעילה, כדי שנוכל ליצור תהודה ולגרום לה לנוע מהר יותר".

התהליך, המתואר במאמר שפורסם והוצג על השער של ACS Applied Materials & ממשקים, הוא החידוש האחרון מהמעבדה של סינג בחיפוש אחר אמוניה נקייה יותר. בעבר, קבוצתו פיתחה שיטות לסנתז של הכימיקל באמצעות אור שמש ומי שפכים ויצרה מסך רשת נחושת מחושמל שמפחית את כמות האנרגיה הדרושה לייצור אמוניה.

ההתקדמות האחרונה שלהם בנויה על תגובה שהיא כמעט לא חדשה. מדענים יודעים על זה כמעט מאה שנה.

"את הגישה המבוססת על ליתיום ניתן למצוא למעשה בכל ספר לימוד בכימיה אורגנית. זה מאוד ידוע" אמר סינג. "אבל לגרום למחזור הזה להתנהל ביעילות ובסלקטיביות מספיק כדי לעמוד ביעדים סבירים מבחינה כלכלית הייתה תרומתנו."

יעדים אלה כוללים יעילות אנרגטית גבוהה ועלות נמוכה. אם יוגדל, התהליך יפיק אמוניה בכ-450 דולר לטון, וזה זול ב-60% מגישות קודמות מבוססות ליתיום ושיטות ירוקות מוצעות אחרות, לפי סינג.

אבל הסלקטיביות היא גם חשובה, שכן ניסיונות רבים להפוך את ייצור האמוניה לנקות יותר הסתיימו ביצירת כמויות גדולות של גז מימן לא רצוי במקום זאת.

יתרונות סביבתיים ופוטנציאל דלק מימן

התוצאות של קבוצת סינג הן מהראשונות שהשיגו רמות של סלקטיביות ושימוש באנרגיה שיכולות לעמוד בתקני משרד האנרגיה לייצור אמוניה בקנה מידה תעשייתי. סינג אמר גם כי התהליך, שניתן לבצע בכור מודולרי, יכול להתבצע אפילו ירוק יותר על ידי הפעלתו באמצעות חשמל מפאנלים סולאריים או מקורות מתחדשים אחרים והזנת התגובה באוויר ובמים.

התהליך גם יכול לעזור לעמוד ביעד אנרגיה נוסף – השימוש במימן כדלק. הגעה למטרה זו נבלמה על ידי קשיי הובלת הנוזל הדליק ביותר.

"אתה רוצה שיווצר מימן, יועבר ויועבר לתחנות שאיבת מימן, שם ניתן להזין מימן למכוניות. אבל זה מאוד מסוכן, "אמר סינג. "אמוניה יכולה לתפקד כנשא של מימן. זה מאוד זול ובטוח להובלה, וביעד אפשר להמיר אמוניה בחזרה למימן”.

נכון לעכשיו, המדענים משתפים פעולה עם ה-General Ammonia Co. כדי לנסות ולהגדיל את תהליך סינתזת האמוניה בתיווך ליתיום במפעל באזור שיקגו. המשרד לניהול טכנולוגיה של UIC הגיש פטנט על התהליך.

המחקר מומן על ידי מענקים מ-General Ammonia Co. מחברי המאמר הם Nishithan C. Kani ואישיטה גויאל מ-UIC, Joseph A. Gauthier מאוניברסיטת Texas Tech ו- Windom Shields ו- Mitchell Shields of General Ammonia Co.