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Ammoniak ist eine der am häufigsten produzierten Verbindungen der Welt und wird häufig in Bereichen wie Düngemitteln, chemischer Synthese und Energiespeicherung eingesetzt. Der weltweite Bedarf an Ammoniak erreicht 180 Millionen Tonnen pro Jahr. Aufgrund der hohen Temperatur und des hohen Drucks im Produktionsprozess und der umfangreichen Verwendung von Wasserstoff als Rohstoff trägt die Ammoniakproduktion 1,4 % zu den weltweiten Kohlendioxidemissionen bei und verbraucht jedes Jahr 2 % der weltweiten Energie. Gleichzeitig kann Nitratabfluss aus landwirtschaftlichen und industriellen Prozessen die Wasserressourcen verunreinigen.

Wie lässt sich das Problem des hohen Energieverbrauchs und der nicht umweltfreundlichen Ammoniakproduktion lösen? Die neueste Ausgabe von „Nature Catalysis“ berichtet über ein neues elektrochemisches Verfahren zur Ammoniakproduktion, das nitrathaltiges Abwasser in Ammoniak und gereinigtes Wasser umwandeln kann. Man kann sagen, dass es zwei Fliegen mit einer Klappe schlägt.

Die Ammoniakproduktion erfolgt heute hauptsächlich nach dem Haber-Bosch-Verfahren. Die erzeugte Ammoniaklösung muss nach dem Mischen mit einem Grundelektrolyten (Salz) eine sehr hohe Konzentration erreichen, die dann abgetrennt wird, um das Ammoniakprodukt zu erhalten. Das Team von Professor Wang Haotian von der Rice University in den USA hat ein elektrochemisches Dreikammergerät entwickelt, das Abwasser in Ammoniak und gereinigtes Wasser umwandeln kann. Dieses Abwasser wird dem Gerät zugeführt und durchströmt eine poröse Festelektrolytschicht, wobei die Nitratlösung in Wasser und Ammoniakgas umgewandelt wird. Nitratverunreinigungen werden aus dem Wasser entfernt, während Ammoniakgas erzeugt wird, sodass keine weiteren Reinigungsschritte erforderlich sind.

Das Verfahren ist effizient und erzeugt gereinigtes Wasser und Ammoniak mit Nitratkonzentrationen, die in Industrieabwässern üblich sind (2.000 Teile pro Million, 2.000 ppm), ohne dass zusätzliche Grundelektrolyte erforderlich sind.

Das Forschungsteam führte auch eine technisch-ökonomische Bewertung (TEA) dieser Technologie durch, die zeigte, dass die aktuellen Kosten der elektrochemischen Ammoniaksynthese zwar immer noch höher sind als die des traditionellen Haber-Bosch-Verfahrens, die potenziellen Gewinne der Nitratabwasserbehandlung jedoch höher sind Unter Berücksichtigung dieser One-Technologie ergeben sich offensichtliche Wettbewerbsvorteile. „Unsere Technologie bietet neue Möglichkeiten für die umweltfreundliche Synthese von Ammoniak und trägt dazu bei, ein Gleichgewicht im globalen Stickstoffkreislauf zu erreichen“, betonte Professor Wang Haotian.

Das Forschungsteam ist davon überzeugt, dass das aktuelle innovative Gerät zur Ammoniakproduktion eine umweltfreundlichere Art der Ammoniakproduktion ermöglichen und die Abwasseraufbereitung unterstützen kann. Sie erwähnten auch, dass diese Experimente auf einer Laborumgebung basierten und zukünftige Forschung erforderlich sei, um die Anwendbarkeit dieser Geräte in realen Umgebungen zu bewerten.