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摘要：大约100年前，大规模合成氨成为可能。由人类活动所产生的含氮化合物也与氨的产量成比增长，上升了10倍，使含氮化合物成为最难恢复的环境污染源之一。针对这一问题，日本产综研计划建立一项技术，使人类能够在维持工业活动的同时，不向环境释放含氮化合物。该技术并非单纯地使含氮化合物无害化，而是通过科技的力量在地球上打造氮循环系统。

关键字：氮循环系统、氮资源循环、氨循环、氨回收利用、燃料氨

“地球红线”（Planetary Boundary）对超过警戒值的含氮废物敲响了警钟

随着工业发展，物质生活不断丰富，人类活动所导致的环境污染物排放也日渐增加。“地球红线”显示了地球能够容许的最高界限。根据“地球红线”，含氮化合物已经超过了地球环境所能容忍的极限，甚至比二氧化碳（CO₂）和磷超出的还要多，已成为全球性的严峻挑战。

“地球红线”所显示的地球状态

有人这样评价氮有关的社会问题：“在过去的100年里，地球上的含氮化合物产量大约增加了10倍。氨是典型的含氮化合物，被用作肥料和化工产品的原料，作为废气或废水排放时，它会引起恶臭、PM2.5、富营养化和硝酸盐污染等各种环境问题。因此，欧盟已经制定了含氮废料的减排目标，联合国环境规划署（UNEP）也呼吁减少含氮废物的排放。日本目前虽然还没有严格的限制，但也不能袖手旁观。我们应当着眼未来20年乃至30年，尽快建立创新的氮循环技术。”

产综研旨在通过技术手段，维持目前的工业活动，在无需大量减少人类所使用的氨的总量的前提下保护地球环境。

从氨的普鲁士蓝吸附到回收再利用

研究团队正在尝试实现新的氮循环系统，将工业活动所排放的危险含氮化合物转化为氨，分离和回收后再次用于工业活动，从而构建氨循环。其核心技术是2016年发现的蓝色颜料普鲁士蓝对氨的吸附作用。

氨是造成恶臭的原因之一。普鲁士蓝不仅可以吸附高浓度的氨，还可以吸附人类嗅觉难以察觉的低浓度氨。研究团队采用普鲁士蓝吸附剂进行了示范试验，结果发现，普鲁士蓝不仅去除了养猪场的恶臭，还有效地改善了育肥环境。

目前，研究已进入下一阶段，正在主要推进两项研究。

其中一项研究是将废气转化为资源，相关负责人愉快地表示：“我们从2019年开始在养猪场的堆肥设施中进行示范实验。这项新研究的主题是把从废气中吸附的氨进行清洗和回收，从而实现再利用。团队正在多角度地研究吸附材料的耐久性、清洗方法和回收方法等问题。一直支持我们这一系列示范试验的养殖农户，起初最关心的只是去除猪舍臭味的问题，但现在他们对环境问题也产生了兴趣，开始听他们谈起希望自己生产高氮肥料的需求。”

正在进行示范实验的养猪场

氨可以以较低成本进行工业合成，因此，如果再利用相比直接购买全新品没有更多优势，便难以普及。在氨的回收地点附近根据需求量进行再利用，这种“地产地销”模式可能正是氮循环系统的一种形式。开发出能够满足农户各种需求的技术，包括将氨用于肥料、燃料，乃至其他用途，成为了当务之急。

从污水和工业废水中回收资源

在开发废气回收技术的同时，从废水中回收氨的技术也在开发当中。这方面的研究目前已处于使用工业废水进行示范实验的阶段。

“我们在原子尺度上改变普鲁士蓝的构成，分别为废气和废水制造不同类型的普鲁士蓝。污水和工业废水中除了铵离子外还含有各种其他离子。采用我们开发的材料，即使其他离子浓度很高，也可以选择性地回收氨。我们认为，如果在现有的污水处理设施中安装氨气吸附装置，就能够降低活性污泥槽的负荷。”

目前，研究团队正在根据回收之后的再利用方式分别制作合适的材料，同时开发能够在水中稳定发挥效果的装置。

描绘氮资源循环的完整蓝图

仅通过分离和回收并不能实现氮资源循环，还需对新的氮循环系统所需的每一项技术进行研究，包括将NO_x等氮化合物转化为氨的技术，将N₂O分解并进行无害化处理的技术，以及能将氨作为燃料或原料的燃烧技术等等。

“学科融合让我们的努力不仅有机会被周围的研究人员所了解，更有机会被整个研究所看到，所以我们现在能够描绘出比以往更完整的氮循环蓝图。特别是燃料氨，它在使用过程中不排放二氧化碳，属于脱碳燃料，是一个社会需求量很大的应用场景。我觉得扩大合作伙伴的队伍十分重要。”

养猪场氮回收负责人表示：“作为一名研究人员，我的目标是将基础研究与社会实践联系起来。现在我的研究正好能把产综研发现的有趣材料和各种实际问题的解决相联系，从帮助生产现场解决困难，到解决地球环境问题，能够进行这样的研究，我感到非常充实。”

“关于氮循环的研究，要做的事情还有很多，现在我们面临着人手不够的状况。目前竞争对手还比较少，所以说现在是一个比较有趣的时期，能发现许多解决社会问题的方法。氮循环技术在未来无疑将越来越重要。关于含氮化合物，目前有很多人是带着具体的困难而来。我们希望能帮助人们解决这些问题，同时积累技术，最终实现循环。”

为了实现保护地球、防止含氮化合物污染这一远大目标，产综研正凭借科技的力量稳步前进。

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