地表下造肥料

美國麻省理工學院的科學家在一項新研究中利用地球地下的自然熱量和壓力將氨轉化為肥料。之前，這一過程主要依賴高耗能的反應器來產生高溫和高壓。研究者通過混合含氮的水與富含鐵的巖石來產生氨，而不需要任何能量輸入或二氧化碳排放。這一新方法可能提供了一種比現有方法更可持續的替代方案，理論上可以生產出足夠用242萬年的氨。相關研究1月22日發表于《焦耳》。

這個想法源于20世紀80年代人們在西非馬里觀察到的一種不尋常的地質現象。當地居民發現了一口充滿氫氣的井，科學家后來將其追溯到地表下的水—巖石化學反應。

“這是一個‘頓悟’的時刻。”論文通訊作者、麻省理工學院的Iwnetim Abate說，“我們也許可以把地球當作一個工廠，利用它的熱量和壓力，就能以更清潔的方式生產氨等有價值的化學物質。”

氨是化肥的關鍵成分，未來有望成為清潔燃料。但今天的工業氨生產是能源密集型的，消耗了全球約2%的能源，每生產一噸（2204磅）的氨，就會釋放約2.4噸（5291磅）的二氧化碳，使其成為化工行業最大的二氧化碳排放源。

為了測試“地球工廠”，Abate團隊建立了一個模擬地下環境的巖石—水反應系統。他們將合成的富含鐵的礦物暴露在含氮的水中，引發化學反應，氧化巖石并產生氨，該團隊將其稱為“地質氨”。該過程不需要能量輸入，不排放二氧化碳，甚至能在環境條件下工作。

然后，研究小組用橄欖石（一種天然含鐵巖石）交換了合成礦物，以更好地模擬自然場景。他們通過添加銅催化劑并將溫度調至300°C（572°F）進一步優化了這一過程。在21小時內，每噸橄欖石（2204.6磅）生產了約1.8千克（4磅）氨，證明了該方法的可行性和可持續性。

Abate說：“這些巖石遍布世界各地，所以這種方法可以在全球范圍內廣泛應用。”但還有一些復雜問題需要解決。具體實施將涉及在地球深處鉆入富含鐵的巖石，注入含氮的水，并要解決巖石如何破裂、膨脹以及氣體和液體相互作用等復雜問題。Abate正在努力擴大試驗規模，包括在2026年之前通過他聯合創立的阿迪斯能源公司進行中試。

這個想法的經濟前景令人鼓舞。生產地質氨的成本約為每千克0.55美元，而傳統方法的價格為0.40至0.80美元。這項研究也可能為解決廢水污染開辟新的途徑。

“氮被認為是廢水中的污染物，去除它們需要花費金錢和能源。”論文第一作者、麻省理工學院的Yifan Gao說，“但我們或許可以利用廢水生產氨。這是一個雙贏的策略。”將廢水處理與氨生產結合起來，每千克氨可以產生3.82美元的額外利潤。

“氨對生命非常重要。”論文通訊作者、麻省理工學院的李巨說。除了微生物之外，地球上產生氨的唯一自然方式是通過閃電擊中氮氣。“這就是為什么當你思考生命的起源時，氨的地質生產是非常有趣的。”

相關論文信息：

http://doi.org/10.1016/j.joule.2024.12.006