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암모니아는 세계에서 가장 많이 생산되는 화합물 중 하나이며 비료, 화학 합성 및 에너지 저장과 같은 분야에서 널리 사용됩니다. 암모니아에 대한 전 세계 수요는 연간 1억 8천만 톤에 이릅니다. 생산 과정에서 사용되는 높은 온도와 압력, 그리고 원료로 수소를 광범위하게 사용하기 때문에 암모니아 생산은 전 세계 이산화탄소 배출량의 1.4%를 차지하며 매년 전 세계 에너지의 2%를 소비합니다. 동시에 농업 및 산업 공정에서 유출되는 질산염은 수자원을 오염시킬 수 있습니다.

높은 에너지 소비와 비친환경 암모니아 생산 문제를 어떻게 해결합니까? 'Nature Catalytic' 최신호에는 질산염이 함유된 폐수를 암모니아와 정제수로 전환할 수 있는 새로운 전기화학적 암모니아 생산 방법이 소개됐다.

현재 암모니아 생산은 주로 Haber-Bosch 공정에 의존합니다. 생성된 암모니아 용액은 지지 전해질(염)과 혼합된 후 매우 높은 농도에 도달해야 하며, 그런 다음 암모니아 제품을 얻기 위해 분리됩니다. 미국 라이스대학교 왕하오티안(Wang Haotian) 교수팀은 폐수를 암모니아와 정제수로 변환할 수 있는 3챔버 전기화학 장치를 설계했다. 이 폐수는 장치로 공급되어 다공성 고체 전해질 층을 통해 흘러 질산염 용액을 물과 암모니아 가스로 변환합니다. 암모니아 가스가 생성되는 동안 질산염 오염물질이 물에서 제거되므로 추가 정화 단계가 필요하지 않습니다.

이 공정은 효율적이며 추가 지원 전해질 없이 산업 폐수에서 일반적인 질산염 농도(2,000ppm, 2000ppm)로 정제수와 암모니아를 생산합니다.

연구팀은 또한 이 기술에 대한 기술경제적 평가(TEA)를 실시한 결과, 현재 전기화학적 암모니아 합성 비용이 전통적인 하버-보쉬 공정보다 여전히 높지만 질산염 폐수 처리의 잠재적 이익이 이를 고려하면 이 One 기술은 명백한 경쟁 우위를 보여줍니다. Wang Haotian 교수는 “우리 기술은 암모니아의 녹색 합성에 대한 새로운 가능성을 제공하고 지구 질소 순환의 균형을 달성하는 데 도움이 됩니다.”라고 강조했습니다.

연구팀은 현재의 혁신적인 암모니아 생산 장치가 보다 친환경적인 암모니아 생산 방식을 달성하고 폐수 처리에 도움이 될 수 있다고 믿습니다. 그들은 또한 이러한 실험이 실험실 환경을 기반으로 했으며 실제 환경에서 이러한 장치의 적용 가능성을 평가하기 위해 향후 연구가 필요하다고 언급했습니다.