L’urea (carbammide), prontamente prodotta da ammoniaca e anidride carbonica, è una sostanza chimica molto importante nell’industria agricola e dei polimeri.
Usi dell’urea
L’urea è il fertilizzante azotato più usato al mondo e infatti viene prodotta in massa più urea di qualsiasi altro prodotto chimico organico. Contenendo il 46% di N, è il fertilizzante azotato più concentrato, ed è facilmente disponibile come prills (granuli) a flusso libero. È la forma più economica di fertilizzante azotato da trasportare ed è anche quella che ha meno probabilità di “addensarsi”. È quindi favorito nei paesi in via di sviluppo.
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Figura 1 Questa risaia in Thailandia è stata trattata con urea, il fertilizzante contenente azoto più usato nei paesi in via di sviluppo. Per gentile concessione di Kim Dixon. |
Mentre oltre il 90% dell’urea prodotta è usata come fertilizzante, ha altri usi, che includono la fabbricazione della melamina, usata nelle resine melammina-metanale. L’urea stessa forma anche importanti resine.
Un uso sempre più importante dell’urea è nella riduzione dell’inquinamento atmosferico dei motori diesel di automobili, autobus e camion. I motori diesel funzionano ad alte temperature e l’azoto e l’ossigeno dell’aria possono reagire insieme in queste condizioni per produrre alte concentrazioni di ossido nitrico. Un modo per rimuovere questo inquinante è quello di farlo reagire con l’ammoniaca per formare azoto.
Tuttavia non è possibile usare direttamente l’ammoniaca perché è troppo volatile ed è velenosa. Invece una soluzione di urea in acqua viene iniettata nei gas caldi che escono dal motore nello scarico. L’urea viene decomposta termicamente in ammoniaca e anidride carbonica. Questo è l’inverso del processo usato per fare l’ammoniaca:
A differenza dell’ammoniaca, l’urea è sicura e facile da maneggiare.
I prodotti, ammoniaca e anidride carbonica, insieme ai gas di scarico, sono passati immediatamente su un catalizzatore nel sistema di scarico. L’ammoniaca riduce gli ossidi di azoto (principalmente l’ossido nitrico), formati nei processi di combustione, ad azoto. Il processo è complesso ma la reazione complessiva può essere rappresentata così:
Il sistema è noto come Urea SCR (riduzione catalitica selettiva a base di urea) e può ridurre l’inquinamento da ossidi di azoto quasi a zero.
| Figura 2 I serbatoi di urea sono ora un equipaggiamento standard per la maggior parte dei nuovi camion, autobus e automobili diesel in molti paesi. L’urea viene aggiunta ai gas di scarico come soluzione acquosa al 32%, spesso conosciuta come BlueTEC. In questa foto, un autobus Mercedes viene riempito con soluzione BlueTEC (con l’ugello blu al serbatoio inferiore) e diesel (il serbatoio superiore). Per gentile concessione di Daimler AG. |
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Sono stati utilizzati diversi catalizzatori. Una serie è basata su ossidi di metalli di transizione (per esempio quelli di vanadio e tungsteno) su un supporto, il biossido di titanio. Un’altra serie è basata su zeoliti, in cui alcuni dei cationi sono stati scambiati con un metallo come il rame.
| Figura 3 Una Mercedes-Benz Classe E E300 BlueTEC Hybrid. Il motore diesel è combinato con un motore elettrico che permette una guida puramente elettrica anche a velocità elevate, il che riduce significativamente la quantità di inquinanti rispetto a un motore diesel puro. La quantità di ossidi di azoto emessi è ulteriormente ridotta grazie all’uso della soluzione BlueTEC, che converte gli ossidi nello scarico in azoto e vapore acqueo. Per gentile concessione di Daimler AG. |
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Figura 4 Un diagramma a linee dell’auto sopra illustra cinque elementi chiave nella progettazione del sistema di scarico. 1 Il catalizzatore di ossidazione è usato per rimuovere gli idrocarburi indesiderati, assicurando che siano ossidati ad anidride carbonica e acqua. Il catalizzatore è solitamente a base di platino o palladio. 2 Noto come catalizzatore NOx, contiene ossido di alluminio sulla cui superficie sono presenti platino e ossido di bario. Esso intrappola gli ossidi di azoto. Quando il solido è saturo di ossidi, gli idrocarburi incombusti sono lasciati passare, convertendo gran parte della miscela in azoto, anidride carbonica e vapore acqueo. 3 Un filtro che trattiene il particolato (piccoli pezzi di carbonio e altri solidi). 4 Un serbatoio contenente la soluzione di urea. 5 Il convertitore catalitico SCR che contiene un altro catalizzatore, per esempio un ossido di vanadio (o tungsteno) su biossido di titanio, che permette ai gas di scarico, contenenti ancora alcuni ossidi di azoto, di reagire con l’ammoniaca formata dalla soluzione di urea, per produrre gas di scarico con solo tracce degli ossidi. Per gentile concessione di Daimler AG. |
Produzione annuale di urea1
| Mondo | 164 milioni di tonnellate | |
| Cina | 62 milioni di tonnellate | |
| India | 23 milioni di tonnellate | |
| Medio Oriente | 20 milioni di tonnellate | |
| Resto dell’Asia | 18 milioni di tonnellate | |
| FSU | 12 milioni di tonnellate | |
| Nord America | 9.5 milioni di tonnellate | |
| Europa | 9.5 milioni di tonnellate |
Si prevede che la produzione annuale globale aumenterà fino a oltre 200 milioni di tonnellate entro il 20182.
1. Potash Corporation, 2013
2. International Fertilizer Industry Association, 2014
Produzione di urea
L’ammoniaca reagisce con il biossido di carbonio per produrre urea. L’urea è sempre prodotta vicino a un impianto di ammoniaca (Figura 5).
Ammonia e anidride carbonica sono riscaldate insieme a 450 K e 200 atm di pressione. Prima si forma il carbammato di ammonio, che si decompone rapidamente per formare urea:
Figura 5 Una vista aerea di un grande impianto in Alberta, Canada, in cui l’ammoniaca viene sintetizzata
e poi convertita in urea.
Per gentile concessione di Agrium Inc.
Molto dell’urea viene prilled (Figura 6) e venduto in quella forma.
| Figura 6 Queste piccole sfere di urea sono note come prills. I prilli si formano spruzzando urea fusa giù per una torre in cui viene pompata aria. Sono leggermente più piccole dell’urea venduta come granuli e sono particolarmente utili quando il fertilizzante viene applicato a mano. Per gentile concessione di Agrium Inc. |
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