Un seul atome d'argent travaillant en synergie avec des atomes de carbone et d'azote peut convertir efficacement les déchets azotés polluants présents dans l'eau provenant d'industries telles que l'agriculture et l'exploitation minière en engrais liquide prêt à l'emploi.
Généralement, les voies et technologies utilisées aujourd’hui, telles que la décontamination biologique, ciblent des sources présentant de fortes concentrations de déchets azotés qui sont convertis en azote, qui n’a aucune valeur. Le défi a été de convertir efficacement la faible concentration de déchets azotés tels que les nitrates et les nitrites présents dans les eaux usées en produits à base d'ammoniac de grande valeur. Et c’est là que la synergie de l’argent, du carbone et de l’azote tisse sa magie catalytique.
Les chercheurs ont tissé avec précision des atomes d’argent dans une matrice de support de carbone et d’azote qui, avec une synergie parfaite, chorégraphie une série d’étapes catalytiques complexes pour convertir le nitrate polluant en ammonium pouvant être utilisé directement comme engrais.
Boucler la boucle des déchets N
L'élimination des déchets azotés à la source et leur conversion en un produit précieux aident à fermer le NO.x (polluant atmosphérique, gaz à base d'azote), les nitrates et les nitrites en boucle et empêche les déchets de pénétrer dans l'environnement où ils auraient des effets néfastes sur la vie aquatique et la santé humaine.
Des chercheurs du Centre d'excellence pour la science et l'innovation du carbone et de l'École de génie chimique et de l'École d'ingénierie des ressources minérales et énergétiques de l'Université de Nouvelle-Galles du Sud ont mené la recherche et l'ont publiée dans Catalyse appliquée B : Environnement et énergie.
« Notre travail montre comment des matériaux à base de carbone peuvent être modifiés au niveau atomique pour transformer les déchets de nitrate en ammoniac précieux en utilisant des quantités extrêmement faibles d'atomes d'argent », explique le Dr Thanh Son Bui, de l'École de génie chimique de l'UNSW et auteur principal de l'article.
L'enquêteur en chef du Centre, le Dr Rahman Daiyan, déclare : « Parce que nous créons cette économie circulaire, cette technologie ne concerne pas seulement le produit final d'engrais valorisé. Nous réduisons les nitrates et les nitrites pour lesquels il existe également une valeur marchande.
« Par exemple, la concentration de nitrates et de nitrites dans le barrage à résidus d'une mine, qui y parvient grâce à l'utilisation d'explosifs, peut être élevée et les barrages à résidus peuvent s'étendre sur des milliers de kilomètres carrés, soit une superficie de la taille d'une grande ville.
« S'ils ne sont pas traités, outre le risque de fuite dans les cours d'eau, les nitrates et les nitrites peuvent se transformer en certains des gaz à effet de serre les plus puissants, comme l'oxyde nitreux (gaz hilarant), qui est 290 fois plus puissant que le dioxyde de carbone.
« Réduire l'azote et les nitrites et résoudre le problème environnemental est un problème d'aujourd'hui. Ce n'est pas un problème de demain et c'est là que l'aspect économique de notre technologie commence à prendre tout son sens », dit-il.
Les essais et erreurs avant le moment Boucle d’or
Pendant des décennies, les chercheurs ont utilisé des systèmes catalytiques pour fabriquer de l’ammoniac à partir de l’azote gazeux, mais l’azote est stable et insoluble, ce qui rend difficile sa conversion en ammoniac. De plus, les rendements sont généralement faibles et peu fiables.
Ce n’est qu’au cours des dernières années que les chercheurs se sont intéressés au potentiel des nitrates et des nitrites comme voie alternative à l’ammoniac, car ces formes d’azote sont plus réactives et solubles.
« L'aspect unique de notre recherche est la conception atomique de notre catalyseur qui nous permet de cibler les faibles concentrations de nitrate dans les eaux usées. Nous commençons par une structure de support carbone-azote que nous ajustons en éliminant une partie de l'azote et en le remplaçant par des atomes d'argent uniques », explique la chercheuse en chef du centre, la Dre Emma Lovell.
« Nous avons étudié comment minimiser le coût et maximiser les performances de notre catalyseur. Le carbone est bon marché et abondant. La quantité d'argent dans le catalyseur ne représente que 0,1 % du catalyseur, mais ces quelques atomes d'argent, travaillant en synergie avec le carbone et l'azote, rendent le catalyseur très sélectif, permettant la conversion complète du nitrate qui autrement pénétrerait dans l'environnement sous forme de ruissellement d'engrais, de déchets urbains et d'activités minières », explique le Dr Lovell.
La partie la plus délicate a été de trouver la bonne quantité d’argent : trop d’argent et l’argent commence à former des amas de plusieurs atomes et vous produisez de l’hydrogène. Trop peu et vous perdez la capacité de convertir le nitrate en ammonium. Il existe une quantité de Boucle d'or et pour y parvenir, il a fallu un contrôle précis du système pour garantir que nous obtenions la bonne quantité d'argent aux endroits précis du support carbone-azote.
« Malgré la nature précise de la fabrication, nous disposons d'un catalyseur facile à fabriquer et évolutif », explique le Dr Lovell.
« Un défi, cependant, qui doit être relevé parallèlement à la conception catalytique concerne l'ingénierie des systèmes au sens large et la capacité d'appliquer la technologie à une industrie spécifique », explique le Dr Daiyan.
« Nous devons examiner les entreprises commerciales potentielles existantes pour trouver des moyens de développer les technologies spécifiques à ces entreprises et de réduire un peu plus les risques, et d'exécuter des modèles technico-économiques pour comprendre la viabilité économique de chaque voie. Nous avons identifié quelques voies commerciales présentant un potentiel. »
