A amônia desempenha um papel crítico na sustentação da produção de alimentos para a crescente população mundial, mas produzi-la responde por cerca de 2% do consumo global de energia e 1,4% das emissões de dióxido de carbono. Engenheiros da Rice University desenvolveram um projeto de reator revolucionário que poderia descarbonizar a produção de amônia e, ao mesmo tempo, mitigar a poluição da água.

Em um estudo publicado na Nature Catalysis , uma equipe de engenheiros da Rice liderada por Haotian Wang descreve o desenvolvimento de um novo sistema de reator que converte nitratos — poluentes comuns encontrados em águas residuais industriais e escoamento agrícola — em amônia, um produto químico vital usado não apenas em fertilizantes, mas também em uma ampla gama de produtos industriais e comerciais, de produtos de limpeza doméstica a plásticos, explosivos e até mesmo combustível.

Atualmente, a amônia é um dos produtos químicos mais amplamente produzidos no mundo, com demanda global ultrapassando 180 milhões de toneladas anualmente. A principal maneira de fazer amônia é o processo Haber-Bosh, que envolve uma reação entre hidrogênio e nitrogênio que ocorre sob condições de alta temperatura e pressão e depende de infraestrutura centralizada em larga escala.

Uma alternativa a esse processo é a síntese eletroquímica, que envolve o uso de eletricidade para impulsionar reações químicas.

"A eletroquímica pode ocorrer em temperatura ambiente, é mais receptiva a formatos escaláveis para diferentes sistemas de infraestrutura e tem a capacidade de ser alimentada por energia renovável descentralizada", disse Feng-Yang Chen, estudante de pós-graduação da Rice e principal autor do estudo.

"No entanto, o desafio atual para essa tecnologia é que grandes quantidades de aditivos químicos são necessárias durante o processo de conversão eletroquímica. O reator que desenvolvemos usa íons recicláveis e um sistema de três câmaras para melhorar a eficiência da reação."

Uma das principais inovações está no uso de um eletrólito sólido poroso, que elimina a necessidade de altas concentrações de eletrólitos de suporte — um problema que dificultou tentativas anteriores de converter nitratos em amônia de forma sustentável. Além disso, alimentar o processo de conversão com energia renovável essencialmente tornaria a produção de amônia neutra em carbono.

"Conduzimos experimentos nos quais fizemos fluir água contaminada com nitrato através deste reator e medimos a quantidade de amônia produzida e a pureza da água tratada", disse Chen, que está fazendo doutorado em engenharia química e biomolecular sob a supervisão de Wang.

O novo sistema de reator torna possível uma via de conversão eletroquímica de nitrato para amônia que eliminaria a necessidade de desnitrificação — o processo pelo qual as estações de tratamento de águas residuais removem nitratos da água contaminada, gerando nitrogênio que é alimentado no processo Haber-Bosch. Além de contornar as rotas tradicionais de desnitrificação e Haber-Bosch, essa abordagem fornece um método eficaz de descontaminação da água.

"O nitrato é um dos poluentes prioritários que mais frequentemente viola os padrões de água potável, e é uma preocupação significativa em cidades em crescimento, à medida que terras agrícolas com suprimentos de água subterrânea contaminados por nitrato são convertidas em desenvolvimento urbano ", disse Pedro Alvarez, professor George R. Brown de Engenharia Civil e Ambiental, diretor do Centro de Pesquisa em Engenharia de Nanosistemas para Tratamento de Água Habilitado por Nanotecnologia e do Instituto de Pesquisa e Empreendedorismo em Tecnologias de Água da Rice.

De acordo com Alvarez, "a remoção convencional de nitrato no tratamento de água potável envolve troca iônica ou filtração por membrana por osmose reversa, que gera salmouras e transfere o problema do nitrato de uma fase para outra".

"A inovação do Professor Wang é muito oportuna e importante, pois oferece uma solução que elimina a toxicidade do nitrato e a responsabilidade associada sem a necessidade de adicionar produtos químicos de tratamento", disse Alvarez.

As implicações deste trabalho vão além da produção de amônia. O design do reator e a avaliação técnico-econômica que o acompanha podem ajudar a informar pesquisas futuras sobre outros processos químicos ecologicamente corretos, potencialmente transformando a maneira como as indústrias abordam os desafios ambientais.

"Nossas descobertas sugerem um método novo e mais ecológico de lidar com a poluição da água e a produção de amônia, o que pode influenciar a maneira como as indústrias e comunidades lidam com esses desafios", disse Wang, professor associado de engenharia química e biomolecular, ciência dos materiais e nanoengenharia e química na Rice.

"Se quisermos descarbonizar a rede e atingir metas de zero emissões líquidas até 2050, há uma necessidade urgente de desenvolver formas alternativas de produzir amônia de forma sustentável."