L’urea (carbammide), semplicemente prodotta da ammoniaca e anidride carbonica, è una sostanza chimica molto importante per i suoi impieghi nell’industria agricola e nella produzione di polimeri.

Impieghi dell’urea

L’urea è il fertilizzante azotato più comunemente usato al mondo, infatti viene prodotta più quantità di urea di qualsiasi altro prodotto chimico organico. Contenente il 46% di N, è il fertilizzante azotato più concentrato, facilmente disponibile in granuli ad alta scorrevolezza.

Si tratta della forma di fertilizzante azotato più economica per il trasporto ed anche quella con minor rischio di ‘impaccamento”. È quindi quella favorita nei paesi in via di sviluppo.

Figura 1 Questa risaia in Thailandia è stata trattata con urea, il fertilizzante a base di azoto più utilizzato nei paesi in via di sviluppo. Per gentile concessione di Kim Dixon.

Sebbene oltre il 90% dell’urea prodotta venga utilizzata come fertilizzante, questa ha però anche altre applicazioni, ad esempio per la produzione di melamina, impiegata nelle resine melaminico-metanali. L’urea stessa viene usata nella produzione di importanti resine.

Un settore in cui l’utilizzo dell’urea è in forte crescita, è quello della riduzione dell’inquinamento atmosferico causato dai motori diesel degli autoveicoli. I motori diesel funzionano ad alte temperature, che innescano una reazione tra azoto e ossigeno provenienti dall’aria di combustione, producendo alte concentrazioni di ossido nitrico. Un modo per rimuovere questo inquinante è quello di lasciarlo reagire con ammoniaca per formare azoto.

Tuttavia non è possibile utilizzare direttamente ammoniaca, in quanto troppo volatile e velenosa. Per questo una soluzione di urea e acqua viene iniettata nei gas caldi che fuoriescono dal motore durante lo scarico. L’urea viene così termicamente decomposta in ammoniaca e anidride carbonica. Si tratta del processo inverso utilizzato per produrre l’ammoniaca:

A differenza dell’ammoniaca, l’urea è sicura e facile da manipolare.
I prodotti, ammoniaca e anidride carbonica, insieme ai gas di scarico, vengono passati immediatamente sul catalizzatore del sistema di scarico. L’ammoniaca riduce gli ossidi di azoto (principalmente ossido nitrico) che si formano nei processi di combustione in azoto. Il processo è complesso, ma la reazione generale può essere rappresentata in questo modo:

Il sistema è noto come Urea SCR (riduzione catalitica selettiva a base di urea) e può ridurre quasi a zero l’inquinamento da ossidi di azoto.

Figura 2 I serbatoi di urea sono ora di serie nella maggior parte dei nuovi autotreni, bus e mezzi diesel in molti paesi. L’urea viene aggiunta ai gas di scarico come soluzione acquosa al 32%, nota come BlueTEC. In questa foto, il rifornimento di un autobus Mercedes con formula BlueTEC (con bocchettone blu al serbatoio inferiore), e quello di diesel (nel serbatoio superiore). Per gentile concessione della Daimler AG.

Diversi i catalizzatori utilizzati: una serie è basata su ossidi metallici di transizione (per esempio quelli di vanadio e tungsteno) che usano come vettore il biossido di titanio. Un’altra serie è basata su zeoliti, nei quali 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 abbinato ad un motore elettrico che permette una guida esclusivamente elettrica anche ad alte velocità; ciò riduce significativamente la quantità di sostanze inquinanti rispetto ad un motore diesel puro. La quantità di ossidi di azoto emessi è ulteriormente ridotta grazie all’utilizzo della soluzione BlueTEC, che converte gli ossidi presenti nei gas di scarico in azoto e vapore acqueo. Per gentile concessione della Daimler AG.

Figura 4 Lo schema a lato illustra i cinque elementi chiave di un’auto nella progettazione del sistema di scarico.
1 Il catalizzatore di ossidazione viene utilizzato per rimuovere gli idrocarburi indesiderati, assicurando che siano ossidati in anidride carbonica e acqua. Il catalizzatore è solitamente a base di platino o palladio.
2 Noto come Convertitore catalitico 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 vengono lasciati passare, convertendo gran parte della miscela in azoto, anidride carbonica e vapore acqueo.
3 Filtro che intrappola il particolato (particelle di carbonio e altri solidi).
4 Serbatoio contenente la soluzione di urea.
5 Convertitore catalitico SCR, che contiene un altro catalizzatore, ad esempio un ossido di vanadio (o di tungsteno) su biossido di titanio, che permette ai gas di scarico, ancora contenenti alcuni ossidi di azoto, di reagire con l’ammoniaca formatasi dalla soluzione di urea, per produrre gas di scarico che contengono solo tracce di ossidi.
Per gentile concessione della Daimler AG.

Produzione Annuale di urea

Mondo164 milioni di tonnellate
Cina62 milioni di tonnellate
India23 milioni di tonnellate
Medio Oriente20 milioni di tonnellate
Resto dell’Asia18 milioni di tonnellate
FSU12 milioni di tonnellate
Nord America9,5 milioni di tonnellate
Europa9,5 milioni di tonnellate
Dati da Potash Corporation, 2013

Si prevede che la produzione annua globale supererà i 200 milioni di tonnellate entro il 2018 (dati da Associazione internazionale dell’industria dei fertilizzanti, 2014).

Produzione di urea

L’ammoniaca viene fatta reagire con l’anidride carbonica per produrre urea: per questo solitamente vicino ad un impianto per la produzione di ammoniaca, esiste anche un impianto per la produzione di urea (Figura 5).

L’ammoniaca e l’anidride carbonica vengono riscaldate a 450°K e 200 atm di pressione. Prima si forma il carbammato di ammonio, che poi si decompone rapidamente per formare l’urea:

Figura 5 Vista aerea di un grande impianto in Alberta, Canada, in cui viene sintetizzata l’ammoniaca e poi convertita in urea.
Per gentile concessione di Agrium Inc.

Gran parte dell’urea è prodotta in piccoli granuli (Figura 6) e venduta sotto questa forma.

Figura 6 Queste piccole sfere di urea sono note come prill (granulato o perlato). Le prill si formano spruzzando l’urea liquida attraverso una torre in cui viene pompata contro corrente aria calda (spray drier). Le prill sono leggermente più piccole dell’urea venduta in granuli e sono particolarmente utili quando il fertilizzante viene applicato a mano. Per gentile concessione di Agrium Inc.

Ultima modifica 26 gennaio 2017

Edizione italiana a cura di Francesca Caprioli e Valter Ballantini 18 ottobre 2020