Вместо того, чтобы использовать энергоемкие реакторы для создания высоких температур и давления, исследователи обращаются к подземному теплу и силам Земли для производства аммиака, необходимого для удобрений. В исследовании, опубликованном в журнале Joule, издательства Cell Press, ученые сообщают, что им удалось получить аммиак, смешивая воду, насыщенную азотом, с богатыми железом породами — без каких-либо затрат энергии или выбросов CO2. Этот новый метод потенциально может стать более устойчивой альтернативой существующим способам, теоретически позволяя производить достаточное количество аммиака в течение 2,42 миллиона лет.
В основе этой идеи лежит необычное геологическое явление, обнаруженное в 1980-х годах в Мали, Западная Африка. Местные жители обнаружили скважину, из которой шел поток водорода. Позже ученые установили, что это результат химической реакции между водой и породой под поверхностью Земли. Старший автор исследования, Ивенетим Абате из Массачусетского технологического института (MIT), отмечает, что это был момент озарения, и что, возможно, удастся использовать Землю как фабрику, используя ее тепло и давление для производства ценных химических веществ, таких как аммиак, более экологичным способом.
Аммиак является ключевым компонентом удобрений, а в будущем может стать чистым топливом. Однако современное промышленное производство аммиака крайне энергозатратно. Оно потребляет около 2% мировой энергии и приводит к выбросу примерно 2,4 тонны CO2 на каждую тонну произведенного аммиака, что делает его главным источником выбросов CO2 в химической промышленности.
Чтобы проверить свою идею «земной фабрики», Абате и его команда создали систему реакции породы и воды, имитирующую подземную среду Земли. Они подвергли синтетические минералы, богатые железом, воздействию воды, насыщенной азотом, вызвав химическую реакцию, которая окислила породу и привела к образованию аммиака, который команда назвала «геологическим аммиаком». Процесс не требовал затрат энергии, не выделял CO2 и даже работал при обычных условиях.
Затем команда заменила синтетический минерал оливином, природной породой, богатой железом, чтобы лучше имитировать реальные условия. Далее они оптимизировали процесс, добавив медный катализатор и повысив температуру до 300°C. В течение 21 часа они получили около 1,8 кг аммиака на тонну оливина, продемонстрировав практическую осуществимость и устойчивость метода.
Абате утверждает, что эти породы есть по всему миру, поэтому метод можно широко адаптировать. Однако, предстоит решить ещё много сложных задач. Реализация потребует бурения глубоко в богатые железом породы, закачки воды, насыщенной азотом, и решения сложных вопросов, связанных с тем, как породы трескаются, расширяются и взаимодействуют с газами и жидкостями.
Экономические перспективы идеи обнадеживают. Производство геологического аммиака обходится примерно в 0,55 доллара США за килограмм, что сопоставимо с традиционными методами, стоимость которых составляет от 0,40 до 0,80 доллара США. Исследование также может открыть новые пути решения проблемы загрязнения сточных вод.
Первый автор исследования, Ифань Гао из MIT, отмечает, что источники азота считаются загрязняющими веществами в сточных водах, и их удаление требует затрат денег и энергии. Но можно использовать сточные воды для производства аммиака. Это беспроигрышная стратегия. Интеграция очистки сточных вод с производством аммиака может принести дополнительную прибыль в размере 3,82 доллара США за килограмм аммиака.
Старший автор исследования, Ю Ли из MIT, напоминает, что аммиак очень важен для жизни. Помимо микробов, единственный другой естественный способ производства аммиака на Земле — это удар молнии в газообразный азот. Поэтому геологическое производство аммиака весьма интересно с точки зрения происхождения жизни.
