Phương pháp mới sản xuất amoniac

 

 

Vừa qua, các nhà nghiên cứu tại Viện Vật lý Hóa học Đại Liên thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc đã phát triển một phương pháp nhẹ nhàng hơn để tổng hợp amoniăc ở nhiệt độ và áp suất thấp hơn so với phương pháp hiện nay. Quá trình mới này hứa hẹn sẽ tiết kiệm năng lượng và giảm lượng khí thải cacbon đioxit.

 

Các nhà nghiên cứu Trung Quốc cho biết, quá trình tổng hợp mới nói trên sử dụng phương pháp tạo vòng hóa học dựa trên hydrua kim loại và imit. Quá trình này hoạt động ở áp suất khí quyển và nhiệt độ 100-350oC, khác hẳn các điều kiện trong quy trình Haber-Bosch - hiện đang được nhiều nước trên thế giới sử dụng để sản xuất amoniăc - ở áp suất 100-200 bar và nhiệt độ 350-450oC.

 

Amoniăc có vai trò quan trọng trong sản xuất phân bón nitơ, lưu trữ và vận chuyển năng lượng tái tạo. Tuy nhiên, sản xuất amoniăc hiện nay tiêu tốn rất nhiều năng lượng - khoảng 1-2% sản lượng năng lượng trên thế giới. Ngoài ra, cứ mỗi tấn NH3 được sản xuất ra sẽ đi đôi với việc phát thải 1,9 tấn CO2 vào khí quyển.

 

Vì vậy, để giải quyết những thách thức về năng lượng và môi trường, các nhà khoa học Trung Quốc đã phát triển một quy trình mới, cho phép tổng hợp NH3 từ khí nitơ, nước và năng lượng tái tạo. Đó là quy trình sử dụng các imit của kim loại kiềm và kiềm thổ làm chất mang nitơ, chất mang này giữ vai trò hợp chất trung gian hỗ trợ sản xuất NH3 thông qua quá trình tạo vòng hóa học hai giai đoạn ở điều kiện phản ứng nhẹ nhàng. Giai đoạn thứ nhất là cố định nitơ nhờ khử khí nitơ bằng các hyđrua kim loại kiềm hoặc kiềm thổ để tạo thành các imit. ở giai đoạn thứ hai, các imit được hyđro hóa để sản xuất NH3 và tái tạo các hyđrua kim loại. Hai giai đoạn này có thể được tăng tốc nhờ tác dụng xúc tác của kim loại chuyển tiếp. Quá trình tạo vòng hóa học được hỗ trợ bởi BaNH và được xúc tác bằng Ni, có thể tạo ra NH3 trong phạm vi nhiệt độ 100-350oC và ở áp suất khí quyển. Tốc độ sản xuất NH3 cao hơn một bậc so với tốc độ của quá trình xúc tác nhiệt thông thường.

 

Theo các nhà nghiên cứu Trung Quốc, đây là một giải pháp đầy hứa hẹn cho việc khai thác và lưu trữ năng lượng tái tạo một cách hiệu quả. ưu điểm của phương pháp mới là hoạt động ở áp suất khí quyển và tổng hợp NH3 theo kiểu phân tán, cục bộ.

 

Tổng hợp Amoniac dựa theo mô phỏng sấm sét

 

Các nhà nghiên cứu tại Đại học Tổng hợp Case Western Reserve, Cleveland (Mỹ), đã sáng chế phương pháp sản xuất amoniăc không dựa vào các chất xúc tác đắt tiền như trong các quá trình công nghiệp hiện nay. Đây là phương pháp điện phân, sử dụng điện tử tự do của plasma, tương tự như tia sét giữa các đám mây.

 

Ở trạng thái phân tử, khí N2 đặc biệt bền vững và thường không tham gia các phản ứng nếu không có xúc tác. Trong thiên nhiên, các phân tử N2 chỉ có thể bị phá vỡ bởi các tia sét trong các cơn giông bão, nhưng quá trình này tạo ra nitrat và nitrit mà không tạo ra amoniăc.

 

Ngày nay, amoniăc được sản xuất công nghiệp từ khí N2 bằng quy trình Haber-Bosch nhờ chất xúc tác ở nhiệt độ và áp suất cao. Quá trình này tiêu hao nhiều năng lượng, sản xuất amoniăc chiếm khoảng 2% năng lượng tiêu thụ trên thế giới. Hơn nữa, phương pháp Haber-Bosch đòi hỏi phải có nguồn nguyên liệu H2 từ nhiên liệu hóa thạch, vì vậy phát thải các khí gây hiệu ứng nhà kính và góp phần làm biến đổi khí hậu trên Trái Đất.

 

Trong nghiên cứu của mình, các nhà khoa học Mỹ nói trên đã tạo ra amoniăc bằng quá trình điện phân nước không cần xúc tác. Họ sử dụng plasma nitơ làm một trong hai điện cực của bình điện phân. Các quy trình điện hóa khác để tổng hợp amoniăc thường tạo ra đồng thời cả H2 và NH3, nhưng ở dòng điện thấp phương pháp plasma này chỉ tạo ra NH3.

 

Theo một chuyên gia điện hóa tại ĐHTH Luân Đôn (Anh), nghiên cứu trên là ví dụ rất tốt cho thấy việc sử dụng điện tử tự do trong plasma làm tác nhân phản ứng có thể trở thành công cụ hóa học mạnh mẽ như thế nào để tiến hành các phản ứng khó thực hiện về mặt nhiệt động học.

 

Tiêu thụ điện năng cao của phương pháp sản xuất amoniăc bằng plasma là nhược điểm lớn của phương pháp này, khiến cho chi phí năng lượng cao hơn đáng kể so với quy trình Haber-Bosch. Tuy nhiên, phương pháp mới sẽ rất có triển vọng nếu kết hợp với nguồn điện tái sinh như điện Mặt Trời hoặc điện gió.

 

Theo Hoahocngaynay.com