Entwicklung einer effizienten Produktionstechnik für einen neuartigen „grünen“ Dünger

Ein rein mechanisches Verfahren kann einen neuartigen, nachhaltigeren Dünger auf umweltfreundlichere Weise herstellen. Das ist das Ergebnis eines an DESYs Lichtquelle PETRA III optimierten Verfahrens. Ein internationales Team nutzte PETRA III, um die Produktionsmethode zu optimieren, die eine Adaption einer alten Technik ist: Durch Mahlen zweier gemeinsamer Zutaten, Harnstoff und Gips, stellen die Wissenschaftler eine neue feste Verbindung her, die langsam zwei chemische Elemente freisetzt, die für die Bodendüngung entscheidend sind: Stickstoff, und Kalzium.

Die Mahlmethode ist schnell, effizient und sauber – ebenso wie das Düngeprodukt, das das Potenzial hat, die Stickstoffbelastung zu reduzieren, die Wassersysteme verschmutzt und zum Klimawandel beiträgt. Die Wissenschaftler fanden auch heraus, dass ihr Prozess skalierbar ist; daher könnte es möglicherweise industriell implementiert werden. Die Ergebnisse von DESY-Wissenschaftlern; das Ruđer Bošković Institut (IRB) in Zagreb, Kroatien; und der Lehigh University in den USA wurden in der Zeitschrift veröffentlicht Grüne Chemie. Der neue Dünger muss noch im Feld getestet werden.

Wissenschaftler von DESY und IRB arbeiten seit mehreren Jahren zusammen, um die Grundlagen mechanischer Methoden zur Initiierung chemischer Reaktionen zu erforschen. Diese als Mechanochemie bezeichnete Verarbeitungsmethode verwendet verschiedene mechanische Eingaben wie Komprimieren, Vibrieren oder in diesem Fall Mahlen, um die chemische Umwandlung zu erreichen. „Die Mechanochemie ist eine ziemlich alte Technik“, sagt Martin Etter, Beamline-Wissenschaftler an der P02.1-Beamline von PETRA III. „Seit Jahrtausenden mahlen wir Dinge, zum Beispiel Getreide für Brot. Erst jetzt fangen wir an, diese mechanochemischen Prozesse intensiver mit Röntgenstrahlen zu betrachten und zu sehen, wie wir diese Prozesse nutzen können, um sie zu initiieren chemische Reaktionen.“

Etters Strahlrohr ist eines der wenigen weltweit, an dem Mechanochemie routinemäßig durchgeführt und mit Röntgenstrahlen aus einem Synchrotron analysiert werden kann. Etter hat jahrelang die Beamline entwickelt und mit Anwendern an der Feinabstimmung von Methoden zur Analyse und Optimierung mechanochemischer Reaktionen gearbeitet. Das Ergebnis ist ein weltweit renommierter Experimentaufbau, der zur Untersuchung vieler Arten von Reaktionen verwendet wurde, die für die Materialwissenschaften, die industrielle Katalyse und die grüne Chemie wichtig sind.

„Tatsächlich ist DESYs Mechanochemie-Aufbau wahrscheinlich der beste der Welt“, sagt Krunoslav Užarević vom IRB in Zagreb. „An wenigen Orten kann man den Fortschritt mechanochemischer Reaktionen so gut verfolgen wie hier bei DESY. Ohne die Expertise von Martin Etter und diesen PETRA-III-Aufbau wäre dieses Ergebnis praktisch unmöglich gewesen.“

Für dieses Ergebnis hat sich die Mechanochemie-Kollaboration mit Jonas Baltrusaitis, Professor für Chemieingenieurwesen an der Lehigh University, zusammengetan. Das Team nutzte den P02.1-Aufbau, um Einblick in Parameter zu gewinnen, die den Mahlprozess bestimmen, um die Reaktionsbedingungen für die Herstellung des Zieldüngers zu optimieren. Der Aufbau an PETRA III erlaubt durch Bestrahlung des Mahlgefäßes mit Synchrotronstrahlung einen direkten Einblick in die Entwicklung des Reaktionsgemisches. Das bedeutet, dass die Reaktion beobachtet werden kann, ohne das Verfahren zu stoppen. Die Forscher konnten so die genauen Reaktionswege bestimmen und den Ausstoß und die Reinheit des Produkts analysieren, was ihnen half, das mechanische Verfahren im laufenden Betrieb zu verfeinern. Sie fanden ein Verfahren, das eine 100-prozentige Umwandlung der Ausgangsstoffe in den Zieldünger ermöglichte.

Dieses Endprodukt ist als „Cokristall“ bekannt, ein Feststoff mit einer Kristallstruktur aus zwei verschiedenen Chemikalien, die durch schwächere intermolekulare Wechselwirkungen in wiederholten Mustern stabilisiert wird. „Kokristalle können wie LEGO-Strukturen gesehen werden“, sagt Etter. „Sie haben Sätze von zwei Arten von zwei Steinen, und mit diesen zwei Steinen machen Sie ein sich wiederholendes Muster.“ In diesem Fall sind die „Ziegel“ Calciumsulfat, das aus dem Gips und dem Harnstoff stammt. Durch den Mahlvorgang werden Harnstoff und Calciumsulfat miteinander verbunden.

„Harnstoff allein sorgt für einen sehr schwach gebundenen Kristall, der leicht auseinanderfällt und seinen Stickstoff zu schnell freisetzt“, sagt Baltrusaitis. „Aber mit dem Calciumsulfat durch diesen mechanochemischen Prozess erhält man einen viel robusteren Kokristall mit langsamer Freisetzung.“ Der Vorteil dieses Kokristalls besteht darin, dass seine chemischen Bindungen schwach genug sind, um Stickstoff und Kalzium freizusetzen, aber stark genug, um zu verhindern, dass die beiden Elemente gleichzeitig freigesetzt werden.

Diese Freisetzungsmethode ist der große Vorteil des Düngers. Zum einen haben sie einen der größten Nachteile der seit den 1960er Jahren verwendeten Stickstoffdünger vermieden. „Der Status quo bei Düngemitteln besteht aus Gründen der Ernährungssicherheit darin, so viel Stickstoff und Phosphor wie möglich auf die Pflanzen zu kippen“, sagt Baltrusaitis. Über 200 Millionen Tonnen Düngemittel werden nach dem mehr als hundert Jahre alten Haber-Bosch-Verfahren hergestellt, das atmosphärischen Stickstoff in Harnstoffkristalle einschließt. Davon werden nur etwa 47 Prozent tatsächlich vom Boden absorbiert, während der Rest weggespült wird und möglicherweise massive Störungen in Wassersystemen verursacht. In der Nordsee und im Golf von Mexiko wachsen riesige „tote Zonen“, in denen Algenblüten, die mit überschüssigem Dünger gefüttert werden, den gesamten verfügbaren Sauerstoff im Wasser absorbieren und so das Leben im Meer töten.

Darüber hinaus ist die Herstellung herkömmlicher Düngemittel energieintensiv und verbraucht jedes Jahr vier Prozent des weltweiten Erdgasvorrats über das Haber-Bosch-Verfahren. Die neue Methode bietet eine Möglichkeit, diese Abhängigkeit zu reduzieren. „Wenn Sie die Effizienz dieser Harnstoffmaterialien um 50 Prozent steigern, müssen Sie weniger Harnstoff über Haber-Bosch herstellen, mit all den damit verbundenen Energieverbrauchsproblemen wie dem Erdgasbedarf“, sagt Baltrusaitis. Das Mahlverfahren ist schnell und sehr effizient, was zu einem reinen Düngemittel ohne Nebenprodukte außer Wasser führt. „Wir schlagen nicht nur einen besser funktionierenden Dünger vor“, sagt Baltrusaitis, „wir demonstrieren auch eine umweltfreundliche Synthesemethode.“

Während es bei der Analyse von PETRA III um Milligramm Düngemittel ging, ist es dem Forschungsteam um Baltrusaitis und Užarević gelungen, ihre Verfahren mit Hilfe der bei PETRA gesammelten Daten zu erweitern. Bisher können sie mit dem gleichen Verfahren und der gleichen Effizienz Hunderte von Gramm Düngemittel produzieren. Als nächsten Schritt plant das Team, die Skalierung fortzusetzen, um eine tatsächliche industrielle Version des Prozesses zum Nachweis des Prinzips zu erstellen. Baltrusaitis arbeitet bereits an einem solchen Scale-up und Testen von Kokristalldünger für die Anwendung unter realen Bedingungen.

„Über das Produkt hinaus erzeugt der mechanochemische Prozess praktisch keine unerwünschten Nebenprodukte oder Abfälle“, sagt Užarević vom IRB. „Wir sind optimistisch, dass es weltweit ein starkes Anwendungspotenzial dafür gibt.“