Nieuwe productiemethode maakt vitaal kunstmestelement duurzamer

Ureum is een essentieel element dat in alles voorkomt, van meststoffen tot huidverzorgingsproducten. Grootschalige productie van ureum, dat van nature een product is van menselijke urine, is een enorme onderneming, goed voor ongeveer 2% van het wereldwijde energieverbruik en de uitstoot van vandaag.

Decennialang hebben wetenschappers en ingenieurs geprobeerd dit proces energiezuiniger te maken, aangezien de vraag naar kunstmest toeneemt met de toenemende bevolking. Een internationaal onderzoeksteam met wetenschappers en ingenieurs van de Universiteit van Texas in Austin heeft een nieuwe methode bedacht om ureum te maken die milieuvriendelijker is dan het huidige proces en genoeg produceert om te kunnen concurreren met energie-intensieve industriële methoden.

Het maken van ureum omvat tegenwoordig een thermisch proces in twee stappen dat hoge niveaus van hitte en druk vereist onder gecontroleerde ruwe omgevingen. Maar dit nieuwe proces vereist slechts één stap en is gebaseerd op een concept dat elektrokatalyse wordt genoemd en waarbij elektriciteit – en mogelijk zonlicht – wordt gebruikt om chemische reacties in een oplossing bij kamertemperatuur onder omgevingsomstandigheden op gang te brengen.

“Over de hele wereld moeten we de uitstoot verlagen. Daarom willen we deze duurzamere routes ontwikkelen om ureum te produceren met behulp van elektrokatalyse in plaats van dit energie-intensieve proces in twee stappen”, zegt Guihua Yu, universitair hoofddocent materiaalkunde in de Cockrell Walker Department of Mechanical Engineering van de School of Engineering, die mede leiding gaf aan het team dat een nieuw mijlpaaldocument publiceerde over het proces in Natuur Duurzaamheid.

Tegenwoordig wordt synthetisch ureum voornamelijk geproduceerd via de Haber-Bosch-methode – die bekend staat als een van de grootste uitvindingen van de 20e eeuw omdat het massaproductie van kunstmest mogelijk maakte en de wereldwijde voedselvoorziening hielp vergroten. Het combineert stikstof en waterstof om ammoniak te maken, dat zich vervolgens bindt met koolstofdioxide om ureum te maken. Dit proces in twee stappen vereist verwarming tot 400 of 500 graden Fahrenheit om de reactie uit te voeren, waarbij enorme hoeveelheden energie worden gebruikt en onderweg aanzienlijke emissies worden geproduceerd.

Het produceren van ureum door middel van elektrokatalyse is een alternatief proces dat duurzamer en energiezuiniger is. Deze methode heeft historisch gezien echter niet genoeg geproduceerd om het levensvatbaar te maken. Het creëerde te veel bijproducten en vereiste veel energie om de bindingen van de moleculaire bouwstenen te verbreken om de reactie op gang te brengen.

Het vinden van de juiste elementen of katalysatoren om een ​​efficiënte chemische reactie te creëren was de grootste uitdaging. Het UT-team gebruikte nitraat, in plaats van de typische stikstof, om zich te binden met koolstofdioxide. En de katalysatoroplossing bestaat uit indiumhydroxide-nanomaterialen.

Deze zeer efficiënte elektrokatalysator van nanomateriaal heeft “hoge selectiviteit”, zei Yu, wat betekent dat hij alleen produceert wat de onderzoekers willen dat hij produceert, niet een heleboel bijproducten. En het zorgt voor een hogere opbrengst aan ureum dan eerdere pogingen met elektrokatalyse.

“Het kost veel minder energie om de bindingen van nitraat te verbreken in vergelijking met stikstof, en dat zorgt voor een veel hogere opbrengst aan ureum,” zei Yu.

Yu ziet deze formule als toepasbaar op groot- en kleinschalig gebruik. Elektrokatalytische apparaten kunnen door individuen worden bediend en aan individuele boerderijen worden verkocht, zodat ze hun eigen ureum voor de bodem kunnen genereren. En de hoop is om alternatieve oplossingen te bieden voor grootschalige industriële processen om het energieverbruik te verminderen, wat een rol kan spelen in een duurzamere toekomst, aangezien de bevolking en de vraag naar ureum zeker zullen groeien.

De volgende stappen in dit proces zijn het verder verbeteren van de opbrengst en selectiviteit, evenals een prototype apparaat dat de productie kan opschalen. En het onderzoeksteam probeert een manier te vinden om het proces aan te drijven met behulp van zonne-energie in plaats van directe elektriciteit.