Akira Takahashi (Chercheur) et des collaborateurs institutionnels ont découvert que le pigment bleu bleu de Prusse a une capacité d'adsorption plus élevée que les adsorbants d'ammoniac courants, et contrôlé la structure du bleu de Prusse pour synthétiser des analogues du bleu de Prusse avec une capacité d'adsorption d'ammoniac plus élevée.

Le bleu de Prusse est un pigment utilisé depuis la nuit des temps. Dans la présente étude, les chercheurs ont découvert que le bleu de Prusse adsorbe plus d'ammoniac que les adsorbants courants tels que la zéolite et le charbon actif. Dans des analogues avec les ions métalliques inclus dans le bleu de Prusse remplacés par d'autres ions métalliques et plus de défauts, la quantité d'ammoniac absorbée a augmenté. Par ailleurs, tandis que les adsorbants d'ammoniac courants ont une faible capacité d'adsorption pour l'ammoniac à faible concentration, Le bleu de Prusse était capable d'adsorber l'ammoniac à faible concentration dans l'air à des "niveaux inodores". Il a également été confirmé que les analogues du bleu de Prusse peuvent libérer de l'ammoniac une fois adsorbés, les rendant réutilisables.

Cette technologie devrait être utilisée comme contre-mesure contre les odeurs d'ammoniac dans les maisons de soins, une technologie de suppression de la génération PM 2,5, et une technologie pour éliminer l'ammoniac dans le carburant hydrogène.

Les détails de cette technologie seront publiés dans une revue de chimie américaine, Journal de l'American Chemical Society .

L'ammoniac est la substance chimique la plus produite au monde, avec ses utilisations principales comme matière première pour les produits chimiques tels que les engrais et les fibres. Encore, l'ammoniac est aussi une substance malodorante, et de l'urine, par exemple, se décompose en ammoniac et provoque une mauvaise odeur. Aussi, l'ammoniac dans l'atmosphère est une substance causale des particules fines PM 2,5, On pense qu'il provient principalement de l'ammoniac se dissipant de l'agriculture et de l'industrie de l'élevage. Par conséquent, une technologie pour éliminer l'ammoniac dilué contenu dans l'atmosphère est nécessaire. En outre, si de l'ammoniac est contenu dans l'hydrogène fourni à une pile à combustible, il a un effet néfaste sur la capacité de production d'énergie de la pile à combustible, ainsi, les normes internationales sur l'hydrogène pour les véhicules à pile à combustible exigent une concentration d'ammoniac inférieure à 0,1 ppm. Surtout au Japon, le gouvernement fait avancer le développement de la technologie pour fabriquer de l'hydrogène à partir d'ammoniac, une technologie permettant d'éliminer l'ammoniac du carburant hydrogène est donc cruciale.

Actuellement, charbon actif, zéolite, et les résines échangeuses d'ions sont utilisées comme adsorbants d'ammoniac courants. Cependant, ces adsorbants présentent des problèmes tels que des difficultés de réutilisation, faible capacité d'adsorption pour l'ammoniac à faible concentration, et des prix élevés. Donc, il y a eu une demande pour des adsorbants d'ammoniac réutilisables et à bas prix qui démontrent une capacité d'adsorption élevée même pour l'ammoniac à faible concentration.

Récemment, polymères de coordination poreux composés d'ions métalliques et de petites molécules, avec de fins réseaux spatiaux à l'intérieur, ont attiré l'attention en tant que nouveaux matériaux pour l'adsorption et la récupération de gaz. AIST a mené des travaux de recherche et de développement sur l'élimination des substances nocives à l'aide de polymères de coordination poreux. En particulier, AIST a avancé le développement en utilisant des polymères de coordination poreux, c'est-à-dire des complexes de type bleu de Prusse, pour adsorber le césium radioactif avec un rendement élevé, et les utiliser dans une technologie de réduction de volume pour la contamination d'origine végétale.

Dans la présente étude, les chercheurs ont utilisé la structure des analogues du bleu de Prusse et du bleu de Prusse pour développer une technologie d'élimination du gaz ammoniac, tout en poursuivant l'amélioration de la capacité d'adsorption de l'ammoniac par un contrôle structurel au niveau atomique.

Le bleu de Prusse est un pigment bleu avec une histoire de plus de 300 ans, et a été utilisé pour la peinture par Vincent van Gogh, Katsushika Hokusai, et d'autres. Le bleu de Prusse a une structure dans laquelle les ions fer (Fe) et les ions hexacyanoferrate ([Fe(CN) 6 ]) sont connectés en trois dimensions, avec environ 0,5 nanomètre (nm) d'espaces microscopiques (sites interstitiels) qui peuvent capturer l'ammoniac (Fig 1 (a)). La structure du bleu de Prusse peut être contrôlée à l'échelle atomique, par exemple en remplaçant les ions fer par d'autres ions métalliques ou en créant des défauts où les ions hexacyanoferrate ([Fe(CN) 6 ]) sont manquants (Fig. 1 (b)). Dans la présente étude, les chercheurs se sont concentrés sur le fait que les ions métalliques exposés dans ces défauts (sites vacants) forment facilement des liaisons de coordination avec les molécules, et étudié si le bleu de Prusse insoluble avec des défauts est capable d'adsorption à haute densité de l'ammoniac ou non. Afin d'augmenter au maximum le nombre de sites vacants, une méthode a été mise au point pour augmenter le nombre de défauts, tout en réduisant la teneur en ions alcalins susceptibles d'induire les sites interstitiels. Les chercheurs ont ainsi créé un analogue du bleu de Prusse à substitution cobalt (Co[Co(CN) 6 ] 0,60 , CoHCC) et un analogue du bleu de Prusse à substitution cuivre (Cu[Fe(CN) 6 ] 0,50 , CuHCF) et évalué leur capacité d'adsorption d'ammoniac avec le bleu de Prusse.

D'abord, les chercheurs ont évalué la quantité d'adsorption dans l'ammoniac pur en tant que performance de base des adsorbants. La figure 2 montre les relations entre la pression d'ammoniac et les quantités d'adsorption lorsque le bleu de Prusse, CoHCC, et CuHCF ont été placés dans de l'ammoniac respectivement. Il montre également les données des types avec la plus grande quantité d'adsorption à partir d'un document évaluant et comparant divers produits pour les adsorbants courants tels que les résines échangeuses d'ions, zéolite, et charbon actif). La quantité d'adsorption d'ammoniac du bleu de Prusse était de 12,4 mol (211 g)/kg à 1 atm, une valeur plus élevée que les adsorbants courants. Cela correspond à l'adsorption de 11 molécules d'ammoniac par maille élémentaire de bleu de Prusse d'un volume d'environ 1 nm ³ . Par ailleurs, les analogues CoHCC et CuHCF ont montré des quantités d'adsorption élevées de 21,9 mol (373 g)/kg et 20,6 mol (351 g)/kg respectivement. Le CoHCC en particulier avait une quantité d'adsorption d'ammoniac de 16,2 molécules par cellule unitaire, adsorbant 93 pour cent de la quantité d'adsorption maximale estimée de 17,6 molécules.

Prochain, les chercheurs ont placé un film de bleu de Prusse dans un laboratoire habituel montrant une concentration d'ammoniac de 0,015 ppm, et examiné le comportement d'adsorption de l'ammoniac dilué. Par conséquent, la quantité d'adsorption d'ammoniac du film bleu de Prusse augmente avec le temps, montrant une quantité d'adsorption de 0,3 mol (5,1 g)/kg (Fig. 3 (a)). Cela signifie que l'ammoniac à concentration diluée contenu dans l'atmosphère a été adsorbé et piégé dans l'espace fin du bleu de Prusse qui correspond à 1 partie sur 700, 000, 000 par conversion de volume. On pense que le bleu de Prusse peut adsorber un tel ammoniac dilué car l'ammoniac adsorbé (NH 3 ) réagit avec l'eau du bleu de Prusse pour former un ion ammonium (NH 4 ⁺ ), est stabilisé, et est piégé à l'intérieur du bleu de Prusse sans être relâché dans l'air. La capacité d'adsorption d'ammoniac de la résine échangeuse d'ions (Amberlyst) et de la zéolithe dans une pièce, où l'ammoniac de la même concentration est contenu. La zéolite n'adsorbait pratiquement pas d'ammoniac. La résine échangeuse d'ions a montré une capacité d'adsorption similaire à celle du bleu de Prusse, mais c'est extrêmement cher. Ces faits indiquaient la supériorité du bleu de Prusse.

Par ailleurs, afin de vérifier que l'ammoniac est adsorbé par le bleu de Prusse assez rapidement, les chercheurs ont rempli un tube fin de bleu de Prusse, et laisser passer de l'air contenant environ 1 ppm d'ammoniac à une vitesse telle que le bleu de Prusse et l'air soient en contact pendant 2 millisecondes seulement. Comme le montre la figure 3 (b), après que de l'air avec une concentration d'ammoniac de 0,86 ppm ait traversé le tube, il a diminué à 0,036 ppm, adsorbant et éliminant 96 pour cent de l'ammoniac. En outre, dans les tests effectués de la même manière, le CuHCF et le CoHCC ont tous deux adsorbé et éliminé plus de 90 pour cent de l'ammoniac.

Finalement, les chercheurs ont vérifié si les analogues nouvellement fabriqués pouvaient être utilisés à plusieurs reprises comme adsorbants. Par conséquent, dans les applications qui éliminent l'ammoniac dilué de l'atmosphère, l'ammoniac adsorbé a été désorbé par rinçage du CuHCF avec un acide dilué, et le CuHCF s'est avéré réutilisable comme adsorbant. Aussi, dans les applications de stockage d'ammoniac pur, CoHCC était capable d'une utilisation répétée.

Les analogues du bleu de Prusse utilisés dans cette étude sont similaires aux matériaux utilisés jusqu'à présent comme adsorbants radioactifs au césium, et il existe une variété de techniques de formation pour les adsorbants radioactifs au césium, tels que les granulés et les non-tissés supportant un absorbant. AIST poursuivra le développement afin que le bleu de Prusse et ses analogues puissent être utilisés comme adsorbants d'ammoniac, comme le développement de non-tissés supportant le bleu de Prusse pour les installer sur des ventilateurs dans des installations susceptibles de dissiper l'ammoniac, y compris dans les porcheries et les bâtiments de compostage, et éliminer l'ammoniac qui peut provoquer des mauvaises odeurs et des PM 2,5, et le développement de tuyaux d'évacuation des gaz revêtus de bleu de Prusse sur leur surface interne qui peuvent être installés dans les stations d'hydrogène pour éliminer l'ammoniac. En outre, L'AIST envisage de rechercher des entreprises pour la recherche conjointe et le transfert de technologie, et vise à l'utilisation pratique de l'élimination de l'ammoniac et du stockage de l'ammoniac.