aici pe pământ trăiesc în partea de jos a unui ocean de azot. Aproape 80% din fiecare respirație pe care o luăm este azot, iar elementul este o componentă vitală a clădirilor blocurilor de viață. Azotul este esențial pentru coloana vertebrală a proteinelor care formează schelea pe care o construiește viața și că catalizează cele mai multe reacții în celulele noastre, iar informațiile necesare pentru a construi acești biopolimeri sunt codificați în acizi nucleici, ei înșiși molecule bogate în azot.
Și totuși, în forma gazoasă abundentă, azotul rămâne direct indisponibil pentru formele de viață mai înalte, inert și nerective. Trebuie să furăm oferta noastră vitală de azot din puținele specii care au învățat trucul biochimic de a transforma azotul atmosferic în compuși mai reactivi, cum ar fi amoniacul. Sau cel puțin până la relativ recent, când unii membri deosebit de inteligenți ai speciei noastre au găsit o modalitate de a trage azotul din aer folosind o combinație de chimie și inginerie cunoscută acum sub numele de procesul Haber-Bosch.
Haber-Bosch a fost reușit sălbatic și datorită culturilor fertilizate cu producția sa de azot, este direct responsabilă pentru creșterea populației de la un miliard de oameni în 1900 la aproape opt miliarde de oameni astăzi. Complet 50% din azot din corpul tău chiar acum provin dintr-un reactor de haber-Bosch undeva, așa că noi toți depind literalmente de viața noastră. Ca miraculos ca Haber-Bosch este, totuși, nu este fără probleme, în special în această epocă de reducere a combustibililor fosili necesare pentru ao rula. Aici vom lua o scufundare profundă în Haber-Bosch și vom lua o privire la modalități de decarbonizare a industriei noastre de fixare a azotului în viitor.
Ușor de găsit, greu de utilizat
Trebuia să fie o cale mai bună. Mina de la Guano a fost o dată una dintre puținele surse de îngrășăminte. Sursa: Muzeul Mystic Seaport
Inima problemei de azot și motivul pentru care producția de amoniac este atât necesară, cât și atât de intensivă din punct de vedere energetic, provine din natura elementului în sine, în special tendința sa de a lega puternic cu ceilalți de acest gen. Azotul are trei electroni neplătiți disponibili pentru legare, iar legătura triplă care are ca rezultat azotul diatomic care reprezintă cea mai mare parte a atmosferei noastre este foarte dificil de rupt.
Aceste legături triple sunt ceea ce face azot gazos atât de inert, dar creează, de asemenea, o problemă pentru organismele care au nevoie de azot elementar pentru a supraviețui. Natura a găsit o serie de hack-uri la această problemă, prin procedee de fixare a azotului, care utilizează enzime ca catalizatori pentru a transforma azotul diatomic în amoniac sau alți compuși azotați.
Microorganismele de fixare a azotului fac ca azot biodisponibil în sus și în jos lanțul alimentar, iar pentru cea mai mare parte a istoriei umane, procesele naturale au fost singura metodă de obținere a azotului necesar pentru fertilizarea culturilor. Mina depozitelor de compuși azotați, cum ar fi saltul (azotat de potasiu) sau sub formă de Guano din dropping-urile BAT și păsări, a fost o dată sursa primară de nitrați pentru agricultură și industrie.
Dar astfel de depozite sunt relativ rare și finite, conducând la o problemă atât în ceea ce privește hrănirea unei populații mondiale care se extind rapid și le oferind produsele necesare pentru un nivel ridicat de trai. Acest lucru a condus chimiștii să caute metode de transformare a rezervelor vastă ale azotului atmosferic în amoniac utilizabilă, începând cu sfârșitul secolului al XIX-lea. Deși au existat mai mulți concurenți de succes, demonstrația de laborator a chimistului german Fritz Haber de a face amoniac din aer a devenit procesul de facto; Odată ce a fost scalat și industrializat de chimist și inginer Carl Bosch, sa născut procesul Haber-Bosch.
Sub presiune
Chimia simplă a procesului Haber-Bosch se îndreaptă complexitatea, în special atunci când este efectuată la scară industrială. Reacția generală face ca acesta să pară destul de simplu – un mic azot, un mic hidrogen și ai amoniac:
Dar problema constă în legătura triplă menționată mai sus în molecula N2, precum și în acea săgeată cu două capete în ecuație. Aceasta înseamnă că reacția poate merge în ambele sensuri, iar în funcție de condițiile de reacție, cum ar fi presiunea și temperatura, este de fapt mai probabil să funcționeze în sens invers, cu amoniac se descompune în azot și hidrogen. Conducerea reacției spre producția de amoniac este truc, asigură energia necesară pentru a descompune azotul diatomic în atmosferă. Celălalt truc este asigurarea unui hidrogen suficient, un element care nu este deosebit de abundent în atmosfera noastră.
Pentru a atinge toate aceste obiective, procesul Haber-Bosch se bazează pe căldură și presiune – o mulțime de fiecare. Procesul începe cu producția de hidrogen prin reformarea cu abur a gazelor naturale sau a metanului:
Reformarea aburului are loc ca un proces continuu, în care gazul natural și aburul supraîncălzit sunt pompate într-o cameră de reacție care conține catalizator de nichel. Ieșirea primului proces de reformator este mai departeau reacționat pentru a îndepărta monoxidul de carbon și metan nereacționat și scrubbed oricăror compuși conținând sulf și dioxid de carbon, până rămâne nimic, dar azot și hidrogen.
Cele două sunt apoi gazele furajeri pompat într-o cameră de reacție cu pereți grele într-un raport de trei molecule de hidrogen la fiecare moleculă de azot. Vasul reactor trebuie să fie extrem de robust, deoarece condițiile optime pentru a conduce reacția la finalizare sunt o temperatură de 450 ° C și o presiune de 300 de ori atmosferică. Cheia reacției este catalizatorul în interiorul reactorului, dintre care majoritatea sunt pe bază de fier sub formă de pulbere. Catalizatorul permite azot și hidrogen pentru a se lega în amoniac, care este îndepărtat prin condensarea acestuia într-o stare lichidă.
Lucru la îndemână despre Haber-Bosch este ceea ce a adus Bosch la masa: scalabilitate. Plante de amoniac pot fi masive, și sunt adesea co-localizate cu alte plante chimice care utilizarea amoniacului ca materii prime pentru procesele lor. aproximativ 80% din amoniacul produs prin procedeul Haber-Bosch este destinat pentru utilizări agricole, fie aplicate direct pe sol ca un lichid, sau la fabricarea îngrășămintelor peletizat. Amoniacul este, de asemenea, un ingredient în sute de alte produse, de la explozivi la textile la coloranți, în valoare de peste 230 de milioane de tone produse la nivel mondial în 2018.
Schematică a procesului de Haber-Bosch. Sursa: de Palma et al, CC-BY
Mai curat și mai ecologice?
Între utilizarea metanului atât ca materie primă și combustibil, Haber-Bosch este un proces foarte murdar din punct de vedere ecologic. La nivel mondial, Haber-Bosch consumă aproape 5% din producția de gaze naturale, și este responsabil pentru aproximativ 2% din totalul ofertei de energie mondială. atunci există CO2 procesul produce; în timp ce o mulțime de acesta este capturat și vândut ca un produs secundar util, producția de amoniac a produs ceva de genul 450 de milioane de tone de CO2 în 2010, sau aproximativ 1% din totalul emisiilor la nivel mondial. se adaugă în faptul că ceva de genul 50% din producția de alimente este absolut dependentă de amoniac, și ai o țintă copt pentru decarbonizarea.
O modalitate de a bate Haber-Bosch de pe piedestal amoniac este de pârghie procesele electrolitice. In cel mai simplu caz, electroliza poate fi utilizată pentru a crea materia primă de hidrogen din apa, mai degrabă decât de metan. În timp ce încă ar fi nevoie probabil de gaze naturale pentru a genera presiunile și temperaturile necesare pentru sinteza amoniacului, acest lucru ar elimina cel puțin metan ca materie primă. și în cazul în care celulele electrolitice pot fi alimentate din surse regenerabile, precum energia eoliană sau solară, o astfel de abordare hibrid ar putea merge un drum lung pentru curățarea Haber-Bosch.
Dar unii cercetători se uita la un proces complet electrolitic, care va face producția de amoniac mult mai verde decât chiar și abordarea hibridă. Intr-un document recent, o echipa de la Universitatea Monash din Australia detaliază un proces electrolitic, care utilizări chimie similară cu cea în baterii de litiu pentru a face amoniac într-un mod complet diferit, una care ar putea elimina cele mai multe dintre aspectele mai murdare ale Haber-Bosch.
Procedeul utilizează un electrolit care conține litiu într-o celulă mică electrochimică; atunci când curentul este aplicat celulei, azotul atmosferic dizolvat în combinele de electrolit cu litiu pentru a face nitrura de litiu (Li3N) la catodul celulei. nitrura de litiu arata foarte mult ca amoniac, cu trei atomi de litiu în picioare pentru cele trei hidrogenilor și un fel de acte ca o schele pe care la amoniac construi. Tot ceea ce rămâne este de a înlocui atomii de litiu cu hidrogen – un feat ușor de zis decât de făcut.
Secretul minciunilor de proces într-o clasă de substanțe chimice numite fosfoniu, care sunt molecule încărcate pozitiv cu fosfor la centru. Sarea fosfoniu folosită de echipa Monash sa dovedit a fi eficiente la care transportă protoni din anodul celulei la nitrura de litiu, care a acceptat cu ușurință donare. dar au, de asemenea, a constatat că molecula fosfoniu ar putea merge prin procesul din nou, iau un proton la anozii și livrarea l nitrura de litiu la catod. În acest fel, toți cei trei atomi de litiu în nitrura de litiu sunt înlocuite cu hidrogen, în amoniac produs la temperatura camerei fără metan ca materie primă. Procesul Monash pare promițătoare. Într-un test de 20 de ore, în condiții de laborator, o celulă mică a produs 53 nanomoli de amoniac pe secundă pentru fiecare centimetru pătrat de suprafață de electrod și a făcut-o cu o eficiență electrică de 69%.
În cazul în care metoda se poate dovedi, aceasta are o mulțime de avantaje față de Haber-Bosch. șef printre acestea este lipsa de temperaturi și presiuni ridicate, precum și faptul că totul ar putea rula pe nimic altceva decât energie electrică din surse regenerabile. Există, de asemenea, posibilitatea ca acest lucru ar putea fi cheia, producția de amoniac distribuite mai mici; mai degrabă decât bazându-se pe un număr relativ mic de plante industriale centralizate, producția de amoniac ar putea fi miniaturizat și a adus mai aproape de punctul de utilizare.
Exista o multime de obstacole pentru a depasi cu procesul Monash, desigur. bazându-se pe lItium electroliți într-o lume în care SEV și alte dispozitive alimentate cu baterii sunt deja întinse limitele extracției de litiu pare inechitate și faptul că minierea de litiu este în mare măsură dependentă de combustibilii fosili, cel puțin pentru moment, acționează potențialul verde al electroliticului Și amoniac. Totuși, este o dezvoltare interesantă și una care poate păstra lumea hrănit și alimentată într-un mod mai curat și mai ecologic.