Ультразвук для производства удобрений

Химики и инженеры из Университета Глазго изобрели недорогое устройство, которое может производить удобрение, используя только звуковые волны, воду и воздух.

По их словам, в будущем этот процесс можно будет масштабировать, чтобы позволить отдельным фермерам производить собственные удобрения по мере необходимости.

Это, в свою очередь, может сократить углеродный след сельскохозяйственного сектора, который в настоящее время опирается на сложные, дорогие и работающие на ископаемом топливе заводы для крупномасштабного производства удобрений, таких как аммиак. Процесс Габера-Боша, который является движущей силой большей части промышленного производства аммиака, создает около 2 % годовых выбросов углерода в мире.

В новой статье, опубликованной в журнале Cell Reports Physical Science, группа ученых описывает, как им удалось превратить азот из воздуха, которым мы дышим, в нитрат.

Их процесс начинается с барботирования воздуха через деионизированную воду в течение нескольких минут для растворения азота и кислорода. Затем они используют сфокусированные волны ультразвука для создания крошечных пузырьков в воде, которые колеблются в ультразвуковом поле.

Когда пузырьки колеблются, они нагреваются. Газы внутри них могут достигать температуры 5 тыс. °C — такой же горячей, как поверхность Солнца — во время повторяющихся ультразвуковых сжатий под давлением. Экстремальные условия внутри пузырьков разрывают молекулы азота и соединяют их с кислородом, в конечном итоге производя молекулы нитрата.

Команда экспериментировала с различными методами использования ультразвука для производства нитрата, используя высокоскоростную камеру для наблюдения за колебаниями и схлопываниями пузырьков. Они обнаружили, что 4 миллисекундных всплеска ультразвука, производимые каждые 80 миллисекунд, давали наилучшие результаты.

В своих лабораторных испытаниях они смогли получить около 40 микромолярной концентрации нитрата в 20 мл воды в течение 8 мин. Хотя это все еще относительно низкая концентрация, команда говорит, что эти результаты предполагают, что процесс можно оптимизировать и масштабировать для получения более полезных для сельского хозяйства количеств в будущих испытаниях.

Профессор Саймс поручил своему коллеге доктору Лукману Юсуфу, ведущему автору статьи, построить работающую систему производства нитрата как можно дешевле с использованием готовых компонентов. Доктору удалось построить работающую демонстрационную установку размером с банку кофейных зерен примерно за 20 фунтов стерлингов (чуть более 2 тысяч рос. руб.).

Команда признает, что их прототип в настоящее время потребляет пропорционально больше энергии, чем процесс Габера-Боша, и что необходимы дальнейшие исследования, чтобы продемонстрировать, что производимый им нитрат можно эффективно использовать для выращивания растений.