Akira Takahashi (Investigador) y colaboradores institucionales han descubierto que el pigmento azul azul de Prusia tiene una mayor capacidad de adsorción que los adsorbentes de amoníaco comunes. y controló la estructura del azul de Prusia para sintetizar análogos del azul de Prusia con mayor capacidad de adsorción de amoníaco.

El azul de Prusia es un pigmento utilizado desde los primeros tiempos. En el presente estudio, los investigadores encontraron que el azul de Prusia adsorbe más amoníaco que los adsorbentes comunes como la zeolita y el carbón activado. En analogía con los iones metálicos incluidos en el azul de Prusia reemplazados por otros iones metálicos y más defectos, la cantidad de amoniaco absorbido aumentó. Es más, mientras que los adsorbentes de amoníaco comunes tienen baja capacidad de adsorción para amoníaco de baja concentración, El azul de Prusia pudo adsorber amoniaco de baja concentración en el aire a "niveles inodoros". También se confirmó que los análogos del azul de Prusia pueden liberar amoníaco una vez adsorbidos. haciéndolos reutilizables.

Se espera que esta tecnología se utilice como una medida contra el olor a amoníaco en residencias de ancianos, una tecnología para la supresión de la generación PM 2.5, y una tecnología para eliminar el amoníaco en el combustible de hidrógeno.

Los detalles de esta tecnología se publicarán en una revista estadounidense de química, Revista de la Sociedad Química Estadounidense .

El amoníaco es la sustancia química más producida en el mundo, con sus principales usos como materia prima de productos químicos como fertilizantes y fibras. Todavía, El amoníaco también es una sustancia maloliente, y orina, por ejemplo, se descompone en amoniaco y causa mal olor. También, el amoníaco en la atmósfera es una sustancia causante de las partículas finas PM 2.5, se cree que se origina principalmente a partir del amoníaco que se disipa en la agricultura y la industria ganadera. Por lo tanto, Se requiere una tecnología para eliminar el amoníaco diluido contenido en la atmósfera. Además, si el hidrógeno suministrado a una pila de combustible contiene amoniaco, tiene un efecto adverso sobre la capacidad de generación de energía de la pila de combustible, por lo que las normas internacionales sobre hidrógeno para vehículos con pilas de combustible requieren una concentración de amoniaco de menos de 0,1 ppm. Particularmente en Japón, el gobierno está avanzando en el desarrollo de tecnología para producir hidrógeno a partir de amoníaco, por lo que una tecnología para eliminar el amoníaco del combustible de hidrógeno es crucial.

En la actualidad, Carbón activado, zeolita y las resinas de intercambio iónico se utilizan como adsorbentes de amoniaco habituales. Sin embargo, Estos adsorbentes tienen problemas como dificultad para reutilizarlos, baja capacidad de adsorción para amoniaco de baja concentración, y precios altos. Entonces, Ha habido demanda de adsorbentes de amoníaco reutilizables y de bajo precio que demuestren una alta capacidad de adsorción incluso para amoníaco de baja concentración.

Recientemente, polímeros de coordinación porosos compuestos de iones metálicos y moléculas pequeñas, con finas redes espaciales en el interior, han ganado atención como nuevos materiales para la adsorción y recuperación de gases. AIST ha realizado investigación y desarrollo de la eliminación de sustancias nocivas utilizando polímeros de coordinación porosos. En particular, AIST tiene un desarrollo avanzado utilizando polímeros de coordinación porosos, es decir, complejos de tipo azul de Prusia, para adsorber cesio radiactivo con alta eficiencia, y utilícelos en una tecnología de reducción de volumen para la contaminación de origen vegetal.

En el presente estudio, Los investigadores utilizaron la estructura de los análogos del azul de Prusia y del azul de Prusia para desarrollar una tecnología de eliminación de gas amoniaco. al mismo tiempo que persigue la mejora de la capacidad de adsorción de amoniaco mediante el control estructural a nivel atómico.

El azul de Prusia es un pigmento azul con más de 300 años de historia, y fue utilizado para pintar por Vincent van Gogh, Katsushika Hokusai, y otros. El azul de Prusia tiene una estructura en la que los iones de hierro (Fe) y los iones de hexacianoferrato ([Fe (CN) ₆ ]) están conectados en tres dimensiones, con espacios microscópicos de aproximadamente 0,5 nanómetros (nm) (sitios intersticiales) que pueden capturar amoníaco (Fig. 1 (a)). La estructura del azul de Prusia se puede controlar a escala atómica, por ejemplo, reemplazando los iones de hierro con otros iones metálicos o creando defectos donde los iones de hexacianoferrato ([Fe (CN) ₆ ]) faltan (Fig. 1 (b)). En el presente estudio, los investigadores se centraron en el hecho de que los iones metálicos expuestos en estos defectos (sitios vacantes) forman fácilmente enlaces de coordinación con moléculas, e investigó si el azul de Prusia insoluble con defectos es capaz de adsorción de amoníaco a alta densidad o no. Para aumentar al máximo los lugares vacantes, se ideó un método para aumentar el número de defectos, mientras se reduce el contenido de iones de metales alcalinos que probablemente induzcan los sitios intersticiales. De este modo, los investigadores crearon un análogo del azul de Prusia sustituido con cobalto (Co [Co (CN) ₆ ] _0,60 , CoHCC) y un análogo de azul de Prusia sustituido con cobre (Cu [Fe (CN) ₆ ] _0,50 , CuHCF) y evaluaron su capacidad de adsorción de amoniaco junto con el azul de Prusia.

Primero, los investigadores evaluaron la cantidad de adsorción en amoníaco puro como el rendimiento básico de los adsorbentes. La Figura 2 muestra las relaciones entre la presión de amoníaco y las cantidades de adsorción cuando el azul de Prusia, CoHCC, y CuHCF se colocaron en amoniaco respectivamente. También muestra los datos de los tipos con mayor cantidad de adsorción de un documento que evalúa y compara varios productos para los adsorbentes comunes, como las resinas de intercambio iónico, zeolita y carbón activado). La cantidad de adsorción de amoníaco del azul de Prusia fue de 12,4 mol (211 g) / kg a 1 atm, un valor más alto que los adsorbentes comunes. Esto corresponde a la adsorción de 11 moléculas de amoníaco por celda unitaria de azul de Prusia con un volumen de aproximadamente 1 nm. ³ . Es más, los análogos CoHCC y CuHCF mostraron altas cantidades de adsorción de 21,9 mol (373 g) / kg y 20,6 mol (351 g) / kg respectivamente. CoHCC en particular tenía una cantidad de adsorción de amoniaco de 16,2 moléculas por unidad de celda, adsorbiendo el 93 por ciento de la cantidad máxima de adsorción estimada de 17,6 moléculas.

Próximo, los investigadores colocaron una película de azul de Prusia en un laboratorio habitual que mostraba una concentración de amoniaco de 0,015 ppm, y examinó el comportamiento de adsorción del amoniaco diluido. Como resultado, la cantidad de adsorción de amoníaco de la película de azul de Prusia aumentó con el tiempo, mostrando una cantidad de adsorción de 0,3 mol (5,1 g) / kg (Fig. 3 (a)). Esto significa que el amoníaco en concentración diluida contenido en la atmósfera fue adsorbido y atrapado en el espacio fino de azul de Prusia que corresponde a 1 parte en 700, 000, 000 por conversión de volumen. Se cree que el azul de Prusia puede adsorber tal amoníaco diluido porque adsorbió amoníaco (NH ₃ ) reacciona con agua en azul de Prusia para formar un ion amonio (NH ₄ ⁺ ), está estabilizado, y queda atrapado dentro del azul de Prusia sin volver a ser liberado en el aire. La capacidad de adsorción de amoníaco de la resina de intercambio iónico (Amberlyst) y la zeolita en una habitación, donde se contiene amoniaco de la misma concentración. La zeolita no adsorbió casi nada de amoníaco. La resina de intercambio iónico mostró una capacidad de adsorción similar a la del azul de Prusia, pero es extremadamente caro. Estos hechos indicaron la superioridad del azul de Prusia.

Es más, para comprobar que el amoniaco es adsorbido por el azul de Prusia con la suficiente rapidez, los investigadores llenaron un tubo delgado con azul de Prusia, y deje pasar el aire que contiene aproximadamente 1 ppm de amoníaco a una velocidad tal que el azul de Prusia y el aire estuvieran en contacto solo durante 2 milisegundos. Como se muestra en la Fig.3 (b), después de que haya pasado aire con una concentración de amoniaco de 0,86 ppm a través del tubo, disminuyó a 0.036 ppm, adsorber y eliminar el 96 por ciento del amoníaco. Además, en las pruebas realizadas de la misma forma, tanto el CuHCF como el CoHCC adsorbieron y eliminaron más del 90 por ciento del amoníaco.

Finalmente, los investigadores comprobaron si los análogos recién fabricados podían utilizarse repetidamente como adsorbentes. Como resultado, en aplicaciones que eliminan el amoníaco diluido de la atmósfera, el amoníaco adsorbido se desorbió enjuagando CuHCF con un ácido diluido, y se encontró que el CuHCF era reutilizable como adsorbente. También, en aplicaciones para almacenar amoniaco puro, CoHCC fue capaz de usarse repetidamente.

Los análogos del azul de Prusia utilizados en este estudio son similares a los materiales utilizados como adsorbentes de cesio radiactivo hasta ahora. y hay una variedad de técnicas de formación para los adsorbentes de cesio radiactivos, tales como gránulos y telas no tejidas que soportan un absorbente. AIST continuará desarrollándose para que el azul de Prusia y sus análogos puedan usarse como adsorbentes de amoníaco, como el desarrollo de telas no tejidas que soporten el azul de Prusia para instalarlas en ventiladores en instalaciones que tienen potencial de disipación de amoníaco, incluso en gallineros y edificios de compostaje, y eliminar el amoniaco que puede causar malos olores y PM 2.5, y el desarrollo de tubos de ventilación de gas recubiertos con azul de Prusia en su superficie interior que se pueden instalar en estaciones de hidrógeno para eliminar el amoníaco. Además, AIST tiene previsto buscar empresas para la investigación conjunta y la transferencia de tecnología, y tiene como objetivo el uso práctico de la eliminación y el almacenamiento de amoníaco.