純機(jī)械方法可以以更少污染的方式生產(chǎn)一種新型、更可持續(xù)的肥料。這是在 DESY 的光源 PETRA III 上優(yōu)化的方法的結(jié)果。一個國際團(tuán)隊使用 PETRA III 優(yōu)化生產(chǎn)方法，這是一種古老技術(shù)的改編：通過研磨兩種常見成分，尿素和石膏，科學(xué)家們生產(chǎn)出一種新的固體化合物，它可以緩慢釋放兩種對土壤施肥至關(guān)重要的化學(xué)元素，氮，和鈣。碾磨方法快速、高效、清潔——化肥產(chǎn)品也是如此，它有可能減少污染水系統(tǒng)并導(dǎo)致氣候變化的氮污染?？茖W(xué)家們還發(fā)現(xiàn)他們的過程是可擴(kuò)展的。因此，它有可能在工業(yè)上實施。DESY科學(xué)家的結(jié)果;克羅地亞薩格勒布的 Ru?er Boškovi? 研究所 (IRB);和美國利哈伊大學(xué)已發(fā)表在《綠色化學(xué)》雜志上。新肥料仍需在田間試驗。
幾年來，DESY 和 IRB 的科學(xué)家們一直在合作探索引發(fā)化學(xué)反應(yīng)的機(jī)械方法的基本原理。這種稱為機(jī)械化學(xué)的加工方法使用各種機(jī)械輸入，例如壓縮、振動，或者在本例中為銑削，以實現(xiàn)化學(xué)轉(zhuǎn)化。“機(jī)械化學(xué)是一項相當(dāng)古老的技術(shù)，”PETRA III P02.1 光束線的光束線科學(xué)家 Martin Etter 說。“幾千年來，我們一直在碾磨東西，例如，用谷物做面包。直到現(xiàn)在我們才開始使用 X 射線更深入地研究這些機(jī)械化學(xué)過程，并了解我們?nèi)绾问褂眠@些過程來引發(fā)化學(xué)反應(yīng)。”
Etter 的光束線是世界上少數(shù)幾個可以使用同步加速器的 X 射線常規(guī)執(zhí)行和分析機(jī)械化學(xué)的光束線之一。Etter 花費(fèi)數(shù)年時間開發(fā)光束線，并與用戶合作微調(diào)分析和優(yōu)化機(jī)械化學(xué)反應(yīng)的方法。結(jié)果是一個實驗裝置，已用于研究對材料科學(xué)、工業(yè)催化和綠色化學(xué)很重要的多種類型的反應(yīng)。
“實際上，DESY 的機(jī)械化學(xué)裝置可能是世界上最好的，”薩格勒布 IRB 的 Krunoslav U?arevi? 說。“在少數(shù)地方，可以像在 DESY 一樣監(jiān)測機(jī)械化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)展。如果沒有 Martin Etter 的專業(yè)知識和 PETRA III 設(shè)置，幾乎不可能實現(xiàn)這一結(jié)果。”
對于這一結(jié)果，機(jī)械化學(xué)合作與利哈伊大學(xué)化學(xué)工程教授 Jonas Baltrusaitis 合作。該團(tuán)隊使用 P02.1 設(shè)置來深入了解控制研磨過程的參數(shù)，以優(yōu)化制備目標(biāo)肥料的反應(yīng)條件。PETRA III 的設(shè)置允許通過向研磨容器施加同步加速器輻射直接了解反應(yīng)混合物的演變。這意味著可以在不停止程序的情況下觀察反應(yīng)。因此，研究人員可以確定確切的反應(yīng)途徑并分析產(chǎn)品的產(chǎn)量和純度，這有助于他們即時改進(jìn)機(jī)械程序。他們發(fā)現(xiàn)了一種可以將起始材料 100% 轉(zhuǎn)化為目標(biāo)肥料的程序。
該最終產(chǎn)物被稱為“共晶體”，一種具有晶體結(jié)構(gòu)的固體，包含兩種不同的化學(xué)物質(zhì)，通過重復(fù)模式中較弱的分子間相互作用來穩(wěn)定。“可以將共晶體視為樂高結(jié)構(gòu)，”埃特說。“你有兩種兩塊磚，用這兩塊磚組成一個重復(fù)的圖案。” 在這種情況下，“磚”是從石膏和尿素中提取的硫酸鈣。通過研磨過程，尿素和硫酸鈣相互結(jié)合。
“就其本身而言，尿素會形成一種結(jié)合非常弱的晶體，很容易分解并很容易釋放出氮，”Baltrusaitis 說。“但是通過這種機(jī)械化學(xué)過程的硫酸鈣，你會得到一個更堅固、釋放緩慢的共晶體。” 這種共晶體的優(yōu)點(diǎn)是它的化學(xué)鍵足夠弱，可以釋放氮和鈣，但又足夠強(qiáng)，可以防止兩種元素同時被釋放。
這種釋放方法是肥料的巨大優(yōu)勢。一方面，他們避免了自 1960 年代以來使用的氮肥的主要缺點(diǎn)之一。“出于糧食安全的原因，化肥的現(xiàn)狀是盡可能多地向作物傾倒氮和磷，”Baltrusaitis 說。超過 2 億噸的肥料是通過具有百年歷史的 Haber-Bosch 工藝生產(chǎn)的，該工藝將大氣中的氮捕獲到尿素晶體中。其中，只有大約 47% 被地面實際吸收，其余的被沖走并可能對水系統(tǒng)造成大規(guī)模破壞。在北海和墨西哥灣，大量的“死區(qū)”正在增長，其中過量肥料喂養(yǎng)的藻類大量吸收水中所有可用的氧氣，從而殺死海洋生物。
此外，普通肥料的生產(chǎn)是能源密集型的，每年通過 Haber-Bosch 工藝消耗全球天然氣供應(yīng)的 4%。新方法提供了減少這種依賴的機(jī)會。“如果你將這些尿素材料的效率提高 50%，你需要通過 Haber-Bosch 生產(chǎn)更少的尿素，以及所有相關(guān)的能源消耗問題，例如天然氣需求，”Baltrusaitis 說。研磨過程快速且非常有效，產(chǎn)生純肥料，除水外沒有任何廢物副產(chǎn)物。“我們不僅提出了一種功能更好的肥料，”Baltrusaitis 說，“我們還展示了一種綠色合成方法。”
雖然 PETRA III 分析涉及毫克化肥，但由 Baltrusaitis 和 U?arevi? 領(lǐng)導(dǎo)的研究小組在 PETRA 獲取的數(shù)據(jù)的幫助下設(shè)法擴(kuò)大了他們的程序。到目前為止，他們可以以相同的程序和效率生產(chǎn)數(shù)百克的肥料。作為下一步，該團(tuán)隊計劃繼續(xù)擴(kuò)大規(guī)模，以制作該流程的實際原理驗證工業(yè)版本。Baltrusaitis 已經(jīng)在努力擴(kuò)大和測試共晶肥料，以在現(xiàn)實條件下應(yīng)用。
“除了產(chǎn)品之外，機(jī)械化學(xué)過程幾乎不會產(chǎn)生不需要的副產(chǎn)品或廢物，”來自 IRB 的 U?arevi? 說。“我們樂觀地認(rèn)為它在世界范圍內(nèi)具有強(qiáng)大的應(yīng)用潛力。”
克羅地亞薩格勒布的 Ru?er Boškovi? Institut、美國伯利恒(賓夕法尼亞州)的 Lehigh 大學(xué)、化學(xué)公司 ICL Group、薩格勒布大學(xué)和 DESY 參與了這項研究。
