Воздушные удобрения

Иллюстрация Петра Перевезенцева

Сельскому хозяйству нужен аммиак. Он — природный гербицид, подавляющий рост сорняков. Он — нейтрализатор кислых почв. Наконец, его соли — отличные азотные удобрения питающие растения. Аммиака нужно много, поэтому заводы, его производящие, не простаивают и дают 183 миллиона тонн NH₃ в год.

Промышленный синтез аммиака происходит по знаменитой схеме Габера—Боша: из азота и водорода на катализаторе. Азот берут из воздуха, благо его там много (78% по объему). А водород получают конверсией метана из природного газа. Катализатор на основе железа, температура (от 350 до 450°C) и высокое давление (150–200 бар) — таков знаменитый процесс промышленного синтеза аммиака, который потребляет 5% всего природного газа, добываемого в мире.

Этот процесс, работающий уже более ста лет, всех устраивал, пока США и Израиль не напали на Иран и не начались перебои с поставками природного газа по всему миру. Замаячили дефицит минеральных удобрений перед посевной и перспектива голода. В такие отчаянные минуты начинаешь задумываться об альтернативе.

А между тем альтернативный способ получения аммиака, менее энергоемкий и более экологичный, уже давно ищут исследователи. В последнее время внимание ученых сосредоточено на электрохимическом катализе. В этом направлении работают разные лаборатории, которые выяснили, что, если применять контролируемые электрохимические потенциалы, азот может гидрироваться при более низких температурах и давлениях, чем в процессе Габера—Боша.

Что же касается водорода, то его источником и носителем в электрохимическом синтезе может быть обычная вода. И не просто вода, а микрокапли воды, в которых на твердой подложке-катализаторе образуются активные радикалы H· и ·OH и протекают спонтанные окислительно-восстановительные процессы. Эти явления, открытые учеными, позволяют использовать воду и атмосферный азот для производства аммиака. И первые пилотные установки уже появились.

Вот что придумала команда ученых из Стэнфордского университета, возглавляемая Сяовэй Сун (Science Advances). Они сделали сетку из проволоки (оксид меди), напылили на нее чернила на основе раствора этанола (6:4) с интересным составом, в который входят катализатор магнетит Fe₃O₄ и нафион (nafion), полимеризованный фторуглеродный виниловый эфир, содержащий сульфогруппы. Всё это высушили, а потом эту катализаторную сетку еще и выпекали в автоклаве при температуре меньше 200°С, чтобы катализатор и полимер надежно прицепились к сетке.

Напомню, что нафион известен как великолепный мембранный материал, который обладает высокой ионной проводимостью и избирательно поглощает воду. Его получение запатентовала американская фирма DuPont в 1964 году. Позднее аналогичные полимерно-электронные мембраны стали выпускать и в России под названием МФ-4СК.

Вот как это работает на открытом воздухе, при обычной температуре и атмосферном давлении. Капли атмосферной влаги попадают на сетку — либо благодаря ветру, либо с помощью вентилятора. Нафион поглощает воду, и внутри мембраны начинается движение ионов водорода, а на катализаторе расшатываются молекулы атмосферного азота.

В результате образуется аммиак, который легко покидает мембрану и растворяется в воде, конденсирующейся на холодной стенке после мембраны. Получившийся раствор аммиака можно направлять в оросительную систему. Вот такая электрохимия под открытым небом.

Исследователи испытали свою опытную портативную установку на 9 площадках — в теплицах и в открытом поле. Оказалось, что чем больше влажность, тем выше был выход аммиака в тестах. Поэтому исследователи разработали дополнительную систему распыления с насосом, которая подает воду в процесс, рециркулирует ее и снова распыляет в воздух.

В лаборатории опытная установка давала до 500 мл аммиака в час. Понятно, что в полевых условиях производительность была похуже — 20 мл/ч. Не так много, но оказалось, что сетка производит достаточно аммиака в течение двух часов, чтобы удобрять растения в теплице.

Однако Сонг и его коллеги уверены, что эти показатели можно значительно увеличить, если за дело возьмутся опытные инженеры. Ученые надеются, что через два-три года установка будет готова к продаже. И тогда фермеры смогут сами производить важное азотное удобрение прямо в поле и теплице. Снизится зависимость от природного газа, исчезнут транспортные расходы на перевозку аммиака, да и природа вздохнет с облегчением — против такого аммиака она не возражает.