在当今瞬息万变的世界里，可持续的解决方案不仅仅是受欢迎的，而是势在必行。美国西北大学和加拿大多伦多大学合作的最新研究体现了这种范式转变，揭示了一种将尿素生产与废水反硝化（denitrification）相结合的开创性方法。这种双重过程不仅为农业带来了更可持续的未来，还为废水管理提供了务实的方法。

挑战和解决方案

    农业是数十亿人的生命线，长期以来一直依赖合成氮肥来提高作物产量。生产这些肥料的传统方法依赖于能源和碳密集型工艺，大大增加了温室气体排放。此外，它们会产生富含硝酸盐的废水，这是一种环境污染物，可导致水体富营养化，影响水生生态系统。最近的研究通过引入一种电气化共电解方法（electrified co-electrolysis method）为这两个挑战提供了解决方案，该方法将硝酸盐和二氧化碳转化为尿素，有效地将有问题的副产品转化为有价值的商品。

废水反硝化：环境生命线

    反硝化，将硝酸盐和亚硝酸盐还原为无害的氮气，是这项研究的一个重要特征。这种创新的工艺不是仅仅处理废水，而且利用其硝酸盐含量作为尿素生产的原材料来回收废水。

    这种方法具有双重好处：首先，通过显著降低废水中的硝酸盐水平，它有助于防止有害的环境影响，因为硝酸盐导致的藻华，藻华会消耗水中的氧气来导致其他水生生物窒息。其次，通过将这些硝酸盐引向尿素生产，它将废物流转化为必不可少的农产品。

催化变化

    这一研究的核心是使用由锌和铜组成的混合催化剂。研究人员发现，这种组合，特别是以1份锌与20份铜的比例，优化了尿素生产过程的效率。这种混合物促进了中继催化机制（relay catalysis mechanism），稳定了尿素形成所必需的中间体，并在废水级硝酸盐浓度下实现了显著的75%的Faradaic效率(Faradaic效率是衡量系统将提供给它的能源用于特定预期反应或任务的效率，值越高，系统浪费的能源越少)。

通过生命周期评估重新定义排放

    全面的生命周期评估为这种新方法的环境影响提供了更深入的见解。当与传统方法对比时，这项技术的电化学路线展示了温室气体排放的大幅减少。具体而言，发现这项技术每千克尿素的排放量仅为0.28千克二氧化碳当量，而使用常规手段时，每千克二氧化碳排放量高达1.8千克二氧化碳当量。该评估不仅考虑了过程本身的直接排放，还考虑了从原材料提取到最终产品处置的包含因素。

    此外，当与风能或太阳能等可再生能源相结合时，新工艺的排放量可以进一步减少，凸显其无与伦比的可持续性潜力。

新的经济视野

    该技术的经济前景同样有希望。处理设施通常承受着管理硝酸盐污染径流的成本和挑战的负担，现在有了潜在的创收渠道。通过将废品转化为具有市场价值的尿素，这些设施可以见证从成本密集型处理工艺到有利可图的生产系统的重大转变，特别是考虑到全球尿素需求是1000亿美元的产业。

    此外，传统的反硝化过程通常依赖于添加化学品，但这种新方法可能会消除这些添加剂的使用，从而带来进一步的节约，并确保更环保的方法。

展望

    虽然这项研究标志着在可持续农业和废水管理方面取得了重大进展，但仍有待进一步研究和确认。下一阶段将涉及对流程进行微调，以适应现实世界的情况，包括解决通常在废水处理环境中发现的杂质带来的挑战。

    从本质上讲，这项合作研究不仅为尿素生产提供了一种更可持续的方法，而且还提出了一种全面的废水处理方法。当世界努力应对粮食安全和环境保护的相互交织的挑战时，这种综合解决方案提供了一个有吸引力的解决方案。

论文：Yuting Luo et al, Selective electrochemical synthesis of urea from nitrate and CO2 via relay catalysis on hybrid catalysts, Nature Catalysis (2023)

可能相关的国内研究机构：华东理工大学，大连理工大学

国内相关企业：湖北宜化，河南心连心，四川泸天化