Un réacteur produit de l'ammoniac vert et de l'eau purifiée
Un nouveau système de réacteur pourrait décarboniser la production d'ammoniac et traiter l'eau contaminée par les nitrates
L'Ammoniac joue un rôle essentiel dans le maintien de la production alimentaire pour la population mondiale croissante, mais sa fabrication représente environ 2 % de la consommation mondiale d'énergie et 1,4 % des émissions de dioxyde de carbone. Les ingénieurs de l'université Rice ont mis au point un réacteur révolutionnaire qui pourrait décarboniser la production d'ammoniac tout en atténuant la pollution de l'eau.
Haotian Wang (à gauche) et Feng-Yang Chen
Photo by Jeff Fitlow/Rice University
Dans une étude, une équipe d'ingénieurs de Rice dirigée par Haotian Wang a décrit le développement d'un nouveau système de réacteur qui convertit les nitrates - des polluants courants que l'on trouve dans les eaux usées industrielles et les eaux de ruissellement agricoles - en ammoniac, un produit chimique essentiel utilisé non seulement dans les engrais, mais aussi dans une large gamme de produits industriels et commerciaux, des nettoyants ménagers aux plastiques, aux explosifs et même aux carburants.
Actuellement, l'ammoniac est l'un des produits chimiques les plus produits dans le monde, avec une demande globale dépassant les 180 millions de tonnes par an. La principale méthode de fabrication de l'ammoniac est le procédé Haber-Bosh, qui implique une réaction entre l'hydrogène et l'azote dans des conditions de température et de pression élevées et qui dépend d'une infrastructure centralisée à grande échelle. Une alternative à ce procédé est la synthèse électrochimique, qui implique l'utilisation de l'électricité pour conduire les réactions chimiques.
"L'électrochimie peut se produire à température ambiante, se prête mieux à des formats évolutifs pour différents systèmes d'infrastructure et peut être alimentée par des énergies renouvelables décentralisées", explique Feng-Yang Chen, étudiant diplômé de l'université Rice et auteur principal de l'étude. "Cependant, le défi actuel de cette technologie est que de grandes quantités d'additifs chimiques sont nécessaires au cours du processus de conversion électrochimique. Le réacteur que nous avons développé utilise des ions recyclables et un système à trois chambres pour améliorer l'efficacité de la réaction".
L'une des principales innovations réside dans l'utilisation d'un électrolyte solide poreux, qui élimine la nécessité de concentrations élevées d'électrolytes de soutien - un problème qui a entravé les tentatives précédentes de conversion durable des nitrates en ammoniac. En outre, le fait d'alimenter le processus de conversion avec de l'énergie renouvelable rendrait la production d'ammoniac neutre en carbone.
"Nous avons mené des expériences au cours desquelles nous avons fait circuler de l'eau contaminée par des nitrates dans ce réacteur et nous avons mesuré la quantité d'ammoniac produite et la pureté de l'eau traitée", explique Chen, qui prépare un doctorat en génie chimique et biomoléculaire sous la direction de Wang. "Nous avons découvert que notre nouveau système de réacteur pouvait transformer l'eau contaminée par les nitrates en ammoniac pur et en eau propre de manière très efficace, sans qu'il soit nécessaire d'utiliser des produits chimiques supplémentaires. En termes simples, vous mettez les eaux usées à l'intérieur et vous obtenez de l'ammoniac pur et de l'eau purifiée à l'extérieur.
Le nouveau système de réacteur permet une conversion électrochimique des nitrates en ammoniac qui éliminerait le besoin de dénitrification ⎯ le processus par lequel les stations d'épuration des eaux usées éliminent les nitrates de l'eau contaminée, générant de l'azote qui est introduit dans le processus Haber-Bosch. En plus de contourner les voies traditionnelles de dénitrification et de Haber-Bosch, cette approche constitue une méthode efficace de décontamination de l'eau.
"Le nitrate est l'un des polluants prioritaires qui enfreignent le plus souvent les normes relatives à l'eau potable, et c'est un problème important dans les villes en expansion, car les terres agricoles dont les nappes phréatiques sont contaminées par le nitrate sont converties en zones urbaines", a déclaré Pedro Alvarez, professeur George R. Brown d'ingénierie civile et environnementale, directeur du Centre de recherche en ingénierie des nanosystèmes pour le traitement de l'eau basé sur les nanotechnologies (NEWT) et de l'Institut de recherche et d'entrepreneuriat sur les technologies de l'eau (WaTER) à Rice.
Selon M. Alvarez, "l'élimination conventionnelle des nitrates dans le traitement de l'eau potable implique l'échange d'ions ou la filtration membranaire par osmose inverse, qui génère des saumures et transfère le problème des nitrates d'une phase à l'autre".
"L'innovation du professeur Wang est très opportune et importante, car elle offre une solution qui élimine la toxicité des nitrates et la responsabilité qui y est associée sans qu'il soit nécessaire d'ajouter des produits chimiques de traitement", a déclaré M. Alvarez.
Les implications de ces travaux vont au-delà de la production d'ammoniac. La conception du réacteur et l'évaluation technico-économique qui l'accompagne peuvent contribuer à orienter les recherches sur d'autres procédés chimiques respectueux de l'environnement, ce qui pourrait transformer la manière dont les industries relèvent les défis environnementaux.
"Nos résultats suggèrent une nouvelle méthode plus écologique pour lutter contre la pollution de l'eau et la production d'ammoniac, ce qui pourrait influencer la manière dont les industries et les communautés gèrent ces défis", a déclaré M. Wang, professeur associé d'ingénierie chimique et biomoléculaire, de science des matériaux et de nano-ingénierie, et de chimie à l'université de Rice. "Si nous voulons décarboniser le réseau et atteindre les objectifs de zéro émission nette d'ici 2050, il est urgent de développer d'autres moyens de produire de l'ammoniac de manière durable.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
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