Ammoniak (NH3) ist mit einem weltweiten Bedarf von über 180 Millionen Tonnen eine der meistproduzierten Chemikalien der Welt. Das stechend riechende Gas bildet den Ausgangsstoff für zahlreiche weitere Stickstoffverbindungen, von Düngemitteln über Kunststoffe, Reinigungsmittel und Kraftstoffe bis hin zu Sprengstoffen. Erzeugt wird die Chemikalie üblicherweise mit dem Haber-Bosch-Verfahren. Dabei reagieren Wasserstoff und Stickstoff bei hohem Druck und hoher Temperatur miteinander. Allerdings ist das Verfahren sehr energieaufwendig. So ist die Ammoniakproduktion für zwei Prozent des weltweiten Energieverbrauchs und 1,4 Prozent der Kohlendioxidemissionen verantwortlich.
Elektrochemische Reaktion
Ein Team um Feng-Yang Chen von der Rice University in Houston in Texas hat nun ein umweltfreundlicheres Verfahren entwickelt, bei dem Ammoniak mit elektrochemischen Methoden aus nitratbelasteten Abwässern gewonnen wird. „Die Elektrochemie findet bei Raumtemperatur statt, lässt sich besser für verschiedene Infrastruktursysteme skalieren und kann mit dezentraler erneuerbarer Energie betrieben werden“, erklärt Chen. „Die derzeitige Herausforderung für diese Technologie besteht jedoch darin, dass während des elektrochemischen Umwandlungsprozesses große Mengen an chemischen Zusatzstoffen benötigt werden. Der von uns entwickelte Reaktor nutzt wiederverwertbare Ionen und ein Drei-Kammer-System, um die Effizienz der Reaktion zu verbessern.“
Der von Chens Team entwickelte Reaktor wandelt Nitrat (NO3–) aus Abwässern in Ammoniak (NH3) um. Bei früheren, ähnlichen Ansätzen war es notwendig, dem Wasser hohe Konzentrationen an Elektrolyten zuzusetzen, damit die erwünschte Reaktion abläuft und unerwünschte Nebenreaktionen reduziert werden. Chen und sein Team hingegen nutzen einen porösen Festelektrolyten, der aus leitfähigen Polymeren aufgebaut ist und in einer eigenen Kammer zwischen Anode und Kathode platziert wird. „Das ermöglicht eine effiziente Nitratreduktionsreaktion ohne unterstützende Elektrolyte“, erklärt das Forschungsteam.
Reines Ammoniak und sauberes Wasser
Um die Nützlichkeit ihres Reaktorsystems zu testen, leiteten die Forschenden nitratbelastetes Wasser durch den Reaktor und maßen die Menge des erzeugten Ammoniaks. Zudem erfassten sie, wie sauber das Wasser nach der Reaktion war. „Wir haben festgestellt, dass unser neuartiges Reaktorsystem nitratbelastetes Wasser sehr effizient in reines Ammoniak und sauberes Wasser umwandeln kann, ohne dass zusätzliche Chemikalien benötigt werden. Einfach ausgedrückt: Man gibt Abwasser hinein und erhält reines Ammoniak und gereinigtes Wasser heraus“, sagt Chen. Dabei genügten Nitratkonzentrationen von etwa 2000 Teilen pro Million (ppm), wie sie üblicherweise in Industrieabwässern vorkommen.
