전기화학적 방법은 질소 순환 경제를 지원합니다

산업 폐기물이 단순히 감소하는 데 그치지 않고 유용한 것으로 전환되는 세상을 상상해보세요. 이런 종류의 순환 경제는 이미 탄소를 위해 진행 중입니다. 이제 세인트루이스에 있는 워싱턴 대학교의 에너지, 환경 및 화학 공학 연구자들은 산성비의 핵심 성분인 유해한 일산화질소를 비료 생산에서 금속 가공에 이르기까지 일상적인 용도로 사용되는 귀중한 질산으로 전환하는 유망한 경로를 개발했습니다.

WashU의 McKelvey School of Engineering에서 Lauren and Lee Fixel Distinguished Professor인 Feng Jiao와 공동 연구자들은 일산화질소(NO) 배출물을 고순도 농축 질산(HNO 3 )으로 전환하는 방법을 개발했습니다. 이 새로운 공정은 최소한의 인프라로 주변 온도에 가까운 조건에서 작동하여 경제적, 환경적 이점이 있는 산업용 질소 폐기물에 대한 경제적으로 실행 가능한 솔루션을 제공합니다. 이 연구는 4월 3일 Nature Catalysis 에 게재되었습니다.

"우리는 독성 폐기물 가스인 NO를 귀중한 질산으로 전환하는 전기화학적 접근 방식을 개발했습니다." Jiao가 말했습니다.

"우리의 주요 동기는 대량의 질산이 금속 광석을 용해하는 데 사용되어 상당한 배출을 유발하는 광산에서 발생하는 NO 폐기물 가스를 처리하는 것입니다. 우리 기술은 현장에서 NO를 질산으로 전환하여 즉시 재사용할 수 있게 하여 보다 지속 가능하고 순환적인 프로세스를 만듭니다."

혁신적인 전기화학적 공정은 NO 산화를 위한 저비용 탄소 기반 촉매를 사용합니다. McKelvey Engineering의 에너지, 환경 및 화학 공학 교수인 Gang Wu가 개발한 단일 금속 산소 환원 촉매와 결합하면 이 공정은 화학 첨가제나 추가 정제 단계 없이 NO를 HNO 3 로 전환하는 데 낮은 에너지 소비로 작동합니다.

전기화학적 산화 시스템은 "플러그 앤 플레이" 방식으로 설계되었으며, 귀금속과 같은 인프라나 값비싼 원자재에 대한 막대한 투자 없이 현장에서 건설되었다고 Jiao는 말합니다. 소규모 또는 중규모 운영에 유연하고 사용자 정의가 가능하며, 거의 실온에서 작동하여 높은 작동 온도가 필요한 가장 널리 퍼진 NO 처리 방법과 비교했을 때 에너지 사용, 비용 및 환경 영향을 크게 줄입니다.

이 시스템은 순수 NO를 사용할 때 90% 이상의 패러데이 효율을 달성합니다. NO 농도가 낮더라도 이 시스템은 70% 이상의 패러데이 효율을 유지하므로 다양한 산업 폐기물 흐름에 적응할 수 있습니다. 전해질 첨가제나 하류 정제 없이 NO와 물에서 농축된 고순도 HNO 3 (중량 기준 최대 32%)를 직접 합성하면 NO 폐가스를 가치화하는 전기화학적 경로가 확립되어 지속 가능한 오염 완화와 화학 ​​제조가 진행됩니다.

Jiao는 채굴 외에도 이 접근 방식이 더 광범위한 산업적 응용 분야와 강력한 상업적 잠재력을 가질 수 있다고 언급했으며, Jiao와 그의 협력자들은 자세한 기술 경제 분석에서 이를 입증했으며, 이 분석은 그들의 공정이 기존 HNO 3 제조 방법에 비해 에너지 소비가 낮고 비용이 절감된다는 것을 보여주었습니다. 산업 오염 물질을 귀중한 화학 제품으로 전환하는 것은 좋은 사업일 뿐만 아니라 환경에도 좋다고 Jiao는 말했습니다.

"저희 시스템에서 나오는 질산은 광산 응용 분야나 다른 화학 공정에 직접 사용할 수 있습니다." Jiao가 말했습니다. "저희는 이미 저희 출력에서 ​​매우 인상적인 효율성과 순도를 달성했습니다. 앞으로는 실용적인 응용 분야로 확장하는 동시에 그 수치를 더욱 개선하기 위해 노력할 것입니다. 저희는 이 기술을 질소 순환 경제로 구축하여 더 효율적이고 지속 가능한 농업, 제조 및 기타 여러 가지로의 문을 여는 방법을 모색하고 있습니다."

이 연구는 세인트루이스의 워싱턴 대학교, 캘거리 대학교의 캐나다 퍼스트 연구 우수성 기금 프로그램 및 지속 가능한 저탄소 비전통적 자원에 대한 글로벌 연구 이니셔티브의 지원을 받았습니다. 또한 캘거리 대학교와 컴퓨트 캐나다의 계산 리소스에서 제공하는 지원으로 부분적으로 가능해졌습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/04/250403122809.htm