Vervuild water als bron voor kunstmest
Het lijkt mogelijk te zijn om nitraat uit grondwater te halen en tegelijk op een duurzame manier ammoniak te produceren, schrijven promovendus Phebe van Langevelde en hoogleraar Marc Koper van het Leids Instituut voor Chemie in Joule (26 januari). Samen met een Duitse collega deden ze een literatuuronderzoek naar de mogelijkheden.
Twee vliegen in één klap
Nitraat is een vervuilende stof, met verkeer, industrie en landbouw als bronnen. Het is een stikstofverbinding: NO3-. Milieutechnologen zoeken naar een methode om het af te breken tot stikstofgas: N2. Maar dat blijkt lastig. Ammoniak, de stikstofverbinding NH3, is een belangrijke grondstof in de chemie, onder andere voor de productie van kunstmest. Het wordt gemaakt uit stikstofgas. Maar dat proces, dat verloopt onder hoge druk en temperatuur, vereist inzet van fossiele brandstoffen.
Een oplossing om beide problemen te omzeilen zou zijn om de twee processen te combineren en nitraat direct in ammoniak om te zetten, vertelt Phebe van Langevelde. Met haar collega’s zette de mogelijkheden daarvoor op een rij. ‘Dat totaalplaatje is nieuw’, zegt ze.
Bacteriën versus elektrochemie
De huidige methode om nitraat om te zetten in stikstofgas maakt gebruik van bacteriën. Elektrochemie kan een goedkoper en robuuster alternatief zijn. De uitgangsstof is daarbij opgelost in vloeistof waarin twee elektroden hangen, bekleed met een katalysator. Als je spanning op de elektroden zet, vinden aan de oppervlakten van de elektroden chemische reacties plaats, afhankelijk van de gebruikte katalysator. ‘Het lukt tot nu toe niet goed om nitraat op deze manier om te zetten in zuiver stikstofgas. Er ontstaan te veel andere producten’, vertelt Van Langevelde. ‘Het blijkt veel makkelijker om nitraat om te zetten in ammoniak. Daarvoor zijn de laatste jaren geschikte katalysatoren ontworpen met nieuwe materialen.’
Duurzaam en veilig
Dat is misschien niet alleen een betere manier om verontreinigd water van nitraat te ontdoen, maar ook een milieuvriendelijk alternatief voor de productie van ammoniak. Het huidige, energievretende proces met stikstofgas als uitgangsstof is het al meer dan een eeuw oude en uitontwikkelde Haber-Boschproces. Dat zal zich moeilijk laten vervangen. Maar de elektrochemische aanpak met nitraat als uitgangsstof zou goedkoper kunnen zijn dan de Haber-Boschmethode. Het proces verloopt bij kamertemperatuur en gebruikt slechts elektriciteit, die je op een duurzame manier kunt opwekken. Het is bovendien veel kleinschaliger en je zou het lokaal kunnen toepassen. ‘Dan hoef je geen grote hoeveelheden producten op te slaan met alle veiligheidsrisico’s van dien’, zegt Van Langevelde. ‘Bij de explosie in Beiroet bijvoorbeeld ging het om bulkopslag van kunstmest.’
Aanvullend onderzoek
Voordat we de elektrochemische omzetting van nitraat in ammoniak in de praktijk kunnen toepassen, is nog wel aanvullend fundamenteel onderzoek nodig, tekent ze aan, bijvoorbeeld naar geschikte katalysatoren en naar bijproducten. En de vraag is nog: welke afvalstromen zijn geschikt? Afval van kerncentrales en industrie zijn mogelijkheden, maar daar zitten andere stoffen in die het proces kunnen verstoren. ‘En in verontreinigd grondwater is de hoeveelheid nitraat te klein voor deze toepassing. Daar zou een extra stap nodig zijn om het nitraat te concentreren. Er zijn dus nog wat barrières te overwinnen, maar de aanpak lijkt veelbelovend. Dit kan wellicht bijdragen aan herstel van de verstoorde stikstofcyclus op aarde.’