Przegląd procesu Haber-Bosch

The Proces Haber-Bosch to proces, który wiąże azot z wodorem w celu wytworzenia amoniaku - kluczowego elementu w produkcji nawozów roślinnych. Proces został opracowany na początku XX wieku przez Fritza Habera, a następnie został zmodyfikowany, aby stał się przemysłowym procesem produkcji nawozów przez Carla Boscha. Proces Habera-Boscha jest uważany przez wielu naukowców i uczonych za jeden z najważniejszych osiągnięć technologicznych XX wieku.

Proces Haber-Bosch jest niezwykle ważny, ponieważ był to pierwszy z opracowanych procesów, który umożliwił masową produkcję nawozów roślinnych z powodu produkcji amoniaku. Był to również jeden z pierwszych procesów przemysłowych opracowanych z wykorzystaniem wysokiego ciśnienia do wywołania reakcji chemicznej (Rae-Dupree, 2011). Umożliwiło to rolnikom hodowanie większej ilości żywności, co z kolei umożliwiło rolnictwo w celu wspierania większej populacji. Wielu uważa proces Haber-Bosch za odpowiedzialny za prąd na Ziemi eksplozja populacji ponieważ „około połowa białka u dzisiejszych ludzi pochodzi z azotem utrwalonym w procesie Habera-Boscha” (Rae-Dupree, 2011).

Do czasu uprzemysłowienie populacja ludzka znacznie wzrosła, w wyniku czego pojawiła się potrzeba zwiększenia produkcji zbóż, a rolnictwo rozpoczęło się na nowych obszarach, takich jak Rosja, Ameryka i Australia (Morrison, 2001). Aby uprawy były bardziej produktywne na tych i innych obszarach, rolnicy zaczęli szukać sposobów dodawania azotu do gleby, a rosło wykorzystanie obornika, a później guano i kopalnych azotanów.

Na przełomie XIX i XX wieku naukowcy, głównie chemicy, zaczęli szukać sposobów opracowywania nawozów poprzez sztuczne wiązanie azotu tak, jak robią to rośliny strączkowe. 2 lipca 1909 roku Fritz Haber wytwarzał ciągły przepływ ciekłego amoniaku z wodoru i azotu gazy wprowadzane do gorącej rurki żelaznej pod ciśnieniem na katalizatorze metalicznym osmu (Morrison, 2001). Po raz pierwszy ktoś był w stanie wytworzyć amoniak w ten sposób.

Później Carl Bosch, metalurg i inżynier, pracował nad udoskonaleniem tego procesu syntezy amoniaku, aby można go było stosować na skalę światową. W 1912 r. Rozpoczęto budowę zakładu o komercyjnych zdolnościach produkcyjnych w Oppau w Niemczech. Zakład był w stanie wyprodukować tonę ciekłego amoniaku w ciągu pięciu godzin, a do 1914 r. Zakład produkował 20 ton użytecznego azotu dziennie (Morrison, 2001).

Z początkiem Pierwsza Wojna Swiatowa, wstrzymano produkcję azotu dla nawozów w zakładzie, a produkcję zmieniono na materiały wybuchowe do działań w okopach. Drugi zakład został później otwarty w Saksonii w Niemczech w celu wsparcia działań wojennych. Pod koniec wojny obie rośliny wróciły do ​​produkcji nawozów.

Proces ten działa dzisiaj podobnie jak pierwotnie przy użyciu ekstremalnie wysokiego ciśnienia w celu wymuszenia reakcji chemicznej. Działa poprzez wiązanie azotu z powietrza wodorem z gazu ziemnego w celu wytworzenia amoniaku (diagram). W procesie należy stosować wysokie ciśnienie, ponieważ cząsteczki azotu są utrzymywane razem z silnymi potrójnymi wiązaniami. Proces Habera-Boscha wykorzystuje katalizator lub pojemnik wykonany z żelaza lub rutenu o temperaturze wewnętrznej powyżej 800 F (426 C) i ciśnienie około 200 atmosfer w celu wymuszenia razem azotu i wodoru (Rae-Dupree, 2011). Następnie pierwiastki przemieszczają się z katalizatora do reaktorów przemysłowych, gdzie ostatecznie przekształcane są w płynny amoniak (Rae-Dupree, 2011). Płynny amoniak jest następnie wykorzystywany do tworzenia nawozów.

Obecnie nawozy chemiczne przyczyniają się do około połowy azotu wprowadzanego do globalnego rolnictwa, a liczba ta jest wyższa w krajach rozwiniętych.

Dziś miejsca o największym zapotrzebowaniu na te nawozy to także miejsca, w których Światowa populacja rośnie najszybciej. Niektóre badania pokazują, że około „80 procent światowego wzrostu zużycia nawozów azotowych w latach 2000–2009 pochodziło z Indii i Chin” (Mieszać, 2013).

Pomimo wzrostu w największych krajach świata, znaczny wzrost liczby ludności na świecie od czasów rozwój procesu Haber-Bosch pokazuje, jak ważne było ono dla zmian w skali globalnej populacja.

Obecny proces wiązania azotu również nie jest całkowicie wydajny, a duża ilość jest tracona po nałożeniu na pola z powodu spływu, gdy pada deszcz i naturalnego gazowania, gdy siedzi pola. Jego wytwarzanie jest również niezwykle energochłonne ze względu na ciśnienie w wysokiej temperaturze potrzebne do zerwania wiązań molekularnych azotu. Naukowcy pracują obecnie nad opracowaniem bardziej wydajnych metod ukończenia procesu i stworzeniem bardziej przyjaznych dla środowiska sposobów wspierania światowego rolnictwa i rosnącej populacji.