En rent mekanisk metod kan producera ett nytt, mer hållbart gödselmedel på ett mindre förorenande sätt. Det är resultatet av en metod optimerad vid DESYs ljuskälla PETRA III. Ett internationellt team använde PETRA III för att optimera produktionsmetoden som är en anpassning av en uråldrig teknik:genom att mala två vanliga ingredienser, urea och gips, producerar forskarna en ny fast förening som långsamt frigör två kemiska element som är avgörande för markgödsling:kväve, och kalcium.

Malningsmetoden är snabb, effektiv och ren – liksom gödselprodukten, som har potential att minska kväveföroreningarna som förorenar vattensystem och bidrar till klimatförändringar. Forskarna fann också att deras process är skalbar; därför skulle det potentiellt kunna implementeras industriellt. Resultaten av forskare från DESY; Ruđer Bošković Institute (IRB) i Zagreb, Kroatien; och Lehigh University i USA har publicerats i tidskriften Green Chemistry . Det nya gödselmedlet behöver fortfarande testas i fält.

I flera år har forskare från DESY och IRB samarbetat för att utforska grunderna för mekaniska metoder för att initiera kemiska reaktioner. Denna bearbetningsmetod, som kallas mekanokemi, använder olika mekaniska insatser, såsom komprimering, vibrering eller, i det här fallet, fräsning, för att uppnå den kemiska omvandlingen. "Mekanokemi är en ganska gammal teknik", säger Martin Etter, strållinjeforskare vid P02.1 strållinjen vid PETRA III. "I tusentals år har vi malt saker, till exempel spannmål till bröd. Det är först nu som vi börjar titta mer intensivt på dessa mekanokemiska processer med röntgenstrålar och se hur vi kan använda dessa processer för att initiera kemiska reaktioner."

Etters strållinje är en av få i världen där mekanokemi kan utföras rutinmässigt och analyseras med hjälp av röntgenstrålar från en synkrotron. Etter har ägnat år åt att utveckla strållinjen och arbeta med användare för att finjustera metoder för att analysera och optimera mekanokemiska reaktioner. Resultatet har blivit en globalt känd experimentuppsättning som har använts för att studera många typer av reaktioner som är viktiga för materialvetenskap, industriell katalys och grön kemi.

"I verkligheten är DESYs mekanokemi-inställning förmodligen den bästa i världen", säger Krunoslav Užarević från IRB i Zagreb. "På få ställen kan man övervaka utvecklingen av mekanokemiska reaktioner så väl som här på DESY. Det skulle ha varit praktiskt taget omöjligt att uppnå detta resultat utan Martin Etters expertis och denna PETRA III-installation."

För detta resultat samarbetade mekanokemisamarbetet med Jonas Baltrusaitis, professor i kemiteknik vid Lehigh University. Teamet använde P02.1-inställningen för att få insikt i parametrar som styr malningsprocessen, för att optimera reaktionsförhållandena för att förbereda målgödselmedlet. Inställningen vid PETRA III möjliggör direkt insikt i reaktionsblandningens utveckling genom att applicera synkrotronstrålning på malningskärlet. Detta innebär att reaktionen kan observeras utan att stoppa proceduren. Forskarna kunde på så sätt fastställa de exakta reaktionsvägarna och analyserade produktens produktion och renhet, vilket hjälpte dem att förfina den mekaniska proceduren i farten. De hittade en procedur som möjliggjorde 100 % omvandling av utgångsmaterialen till målgödselmedlet.

Den slutprodukten är känd som "samkristall", en fast substans med en kristallstruktur som består av två olika kemikalier som stabiliseras av svagare intermolekylära interaktioner i upprepade mönster. "Kokristaller kan ses som LEGO-strukturer", säger Etter. "Du har uppsättningar av två sorters två tegelstenar, och med dessa två tegelstenar gör du ett återkommande mönster." I det här fallet är "tegelstenarna" kalciumsulfat som härrör från gipsen och urean. Genom malningsprocessen binds urea och kalciumsulfat till varandra.

"I sig själv ger urea en mycket svagt bunden kristall som lätt faller isär och släpper ut sitt kväve för lätt", säger Baltrusaitis. "Men med kalciumsulfatet genom denna mekanokemiska process får du en mycket mer robust samkristall med långsam frisättning." Fördelen med denna samkristall är att dess kemiska bindningar är tillräckligt svaga för att frigöra kväve och kalcium men tillräckligt starka för att förhindra att de två elementen släpps lös på en gång.

Den metoden för utsläpp är den stora fördelen med gödselmedlet. För det första har de undvikit en av de stora nackdelarna med de kvävegödselmedel som används sedan 1960-talet. "Status quo i gödselmedel, av livsmedelssäkerhetsskäl, är att dumpa så mycket kväve och fosfor på grödor som möjligt", säger Baltrusaitis. Över 200 miljoner ton gödselmedel produceras via den mer än ett hundraåriga Haber–Bosch-processen, som fångar in atmosfäriskt kväve i ureakristaller. Av detta absorberas faktiskt bara cirka 47 procent av marken, medan resten sköljs bort och orsakar potentiellt massiva störningar i vattensystem. I Nordsjön och Mexikanska golfen växer massiva "döda zoner", där algblomningar som matas av överskott av gödningsmedel absorberar allt tillgängligt syre i vattnet och därmed dödar havets liv.

Dessutom är produktionen av vanliga gödselmedel energikrävande och förbrukar varje år fyra procent av den globala naturgasförsörjningen via Haber–Bosch-processen. Den nya metoden ger en möjlighet att minska det beroendet. "Om du ökar effektiviteten hos dessa ureamaterial med 50 procent, måste du göra mindre urea via Haber–Bosch, med alla relaterade energiförbrukningsproblem som efterfrågan på naturgas", säger Baltrusaitis. Fräsproceduren är snabb och mycket effektiv, vilket resulterar i ett rent gödningsmedel utan några biprodukter avfall förutom vatten. "Vi föreslår inte bara ett bättre fungerande gödselmedel", säger Baltrusaitis, "vi demonstrerar också en grön syntesmetod."

Medan PETRA III-analysen involverade milligram gödselmedel, har forskargruppen under ledning av Baltrusaitis och Užarević lyckats skala upp sina procedurer med hjälp av data från PETRA. Än så länge kan de, med samma procedur och effektivitet, producera hundratals gram gödningsmedel. Som ett nästa steg planerar teamet att fortsätta skala upp, för att göra en verklig proof-of-principe industriell version av processen. Baltrusaitis arbetar redan med en sådan uppskalning och testning av kokristallgödsel för applicering i verkliga förhållanden.

"Utöver produkten genererar den mekanokemiska processen praktiskt taget inga oönskade biprodukter eller avfall", säger Užarević från IRB. "Vi är optimistiska att det finns en stark tillämpningspotential för det runt om i världen." + Utforska vidare

Ny produktionsmetod gör ett viktigt gödningselement på ett mer hållbart sätt