Мочевину из человеческой мочи и сточных вод удалось превратить в гидразин с помощью электричества и хлорида натрия. Гидразин используют при производстве ракетного топлива , лекарств и в других отраслях, а также изучают для топливных элементов и систем хранения энергии. Новый электрохимический метод работает с доступным азотсодержащим сырьём и позволяет обойти часть реагентов, необходимых в традиционном производстве.
Промышленные способы получения гидразина десятилетиями опираются на аммиак или производные мочевины. В таких процессах применяют сильные окислители, в том числе гипохлорит натрия и перекись водорода. Их производство требует много энергии, а хранение и перевозка усложняются высокой химической активностью веществ. Дополнительные потери дают побочные реакции, которые уменьшают выход нужного продукта.
В новой схеме мочевину помещают в водный раствор хлорида натрия и пропускают электрический ток. Реакции идут на поверхности электрода, где из хлорид-ионов образуются активные частицы хлора. Отдельно производить и затем добавлять большие количества сильных окислителей не требуется.
Мочевину выбрали прежде всего из-за доступности. Вещество содержится в человеческой моче и попадает в сточные воды, поэтому для опытов подошло не только чистое лабораторное сырьё. Исследователи проверили чистую мочевину, богатые мочевиной сточные воды и человеческую мочу. Во всех случаях установка производила гидразин.
Сам процесс проходит в несколько стадий. На платиновом электроде появляются адсорбированные атомы хлора. Они реагируют с мочевиной и образуют N-хлормочевину, промежуточное соединение на пути к гидразину. Условия реакции подобраны так, чтобы меньше хлора уходило в молекулярную форму, а азотсодержащие вещества реже распадались с образованием молекулярного азота.
Затем N-хлормочевина покидает участок электрода с высоким потенциалом и продолжает превращение в щелочной среде. Молекула теряет протон и перестраивается, а гидроксид магния ускоряет последующие реакции. В результате образуется гидразин. Разделение электрохимической и последующей химической стадий уменьшает вероятность того, что уже полученный продукт снова окислится до азота.
В проточном электролизёре система работала при плотности тока 100 мА/см². Фарадеевская эффективность образования гидразина достигла 60,1%. Эта величина отражает, какая доля прошедшего через систему электрического заряда пошла именно на нужную реакцию, а не на побочные процессы. Скорость производства составила 1,04 ммоль гидразина на квадратный сантиметр электрода в час. Установка сохраняла стабильную работу более 240 часов.
Лабораторные показатели пока не означают готовности к промышленному выпуску. При длительной работе в системе накапливаются соли, а выделение гидразина из реакционной смеси требует дополнительной энергии. Слишком дорогая очистка способна свести на нет часть выгоды, которую даёт сама электрохимическая реакция.
Дальше исследователи планируют снизить стоимость процесса, упростить отделение гидразина и наладить непрерывную циркуляцию электролита. Отдельно предстоит доработать каталитическую стадию и конструкцию реактора. Электролиз можно питать электричеством из возобновляемых источников , но практическая эффективность будет зависеть от энергозатрат всей цепочки, включая очистку конечного продукта.