هابر بوش وتخضير إنتاج الأمونيا

ونحن هنا على الأرض ويعيش في الجزء السفلي من محيط من النيتروجين. ما يقرب من 80٪ من كل نفس نأخذ هي النيتروجين، والعنصر هو عنصر حيوي من اللبنات الأساسية للحياة. النيتروجين أمر بالغ الأهمية لالعمود الفقري من البروتينات التي تشكل سقالة أن توقف الحياة على والتي تحفز التفاعلات لا تعد ولا تحصى في خلايانا، والمعلومات اللازمة لبناء هذه البوليمرات الحيوية يتم ترميز في الأحماض النووية، أنفسهم جزيئات النيتروجين الغنية.

وحتى الآن، في شكل غازي الوفيرة، لا يزال النيتروجين غير متوفرة مباشرة إلى أشكال الحياة العليا، unusably خامل وخامل. لا بد لنا من سرقة لدينا امدادات حيوية من النيتروجين من الأنواع القليلة التي تعلمت خدعة البيوكيميائية تحويل النيتروجين في الغلاف الجوي إلى مركبات أكثر تفاعلية مثل الأمونيا. أو على الأقل حتى وقت قريب نسبيا، عندما وجدت اثنين من أعضاء ذكي ولا سيما من جنسنا وسيلة لسحب النيتروجين من الهواء باستخدام مزيج من الكيمياء والهندسة التي تعرف الآن باسم عملية هابر بوش.

وقد هابر بوش ناجحة بعنف، وذلك بفضل المحاصيل المخصبة مع انتاجها النيتروجينية، هي المسؤولة مباشرة عن تزايد السكان من مليار نسمة في عام 1900 إلى ما يقرب من ثمانية مليارات من الناس اليوم. تماما 50٪ من النيتروجين في جسمك الآن ربما جاء من المفاعل في مكان ما هابر بوش، لذلك علينا جميعا تعتمد حرفيا على ذلك لحياتنا. كما معجزة كما هابر بوش هو، على الرغم من انها لا تخلو من المشاكل، ولا سيما في هذا العصر من تضاؤل إمدادات الوقود الأحفوري اللازمة لتشغيله. هنا، سوف نلقي الغوص في عمق هابر بوش، وسنقوم أيضا نلقي نظرة على الطرق التي يمكن إزالة الكربون من صناعتنا تثبيت النيتروجين في المستقبل.

من السهل البحث، من الصعب استخدام

كان لابد من طريقة أفضل هناك. كان التعدين ذرق الطائر مرة واحدة من المصادر القليلة للأسمدة. المصدر: ميناء الصوفي متحف
قلب المشكلة النيتروجين، والسبب في إنتاج الأمونيا هو ضروري وذلك كثيفة استخدام الطاقة، وينبع من طبيعة العنصر نفسه، وتحديدا في الميل إلى السندات بقوة مع الآخرين من نوعه. النيتروجين ثلاثة الإلكترونات المفردة المتاحة للارتباط، ورابطة ثلاثية أن النتائج في النيتروجين ثنائي الذرة التي تشكل أكثر من الغلاف الجوي صعبة جدا لكسر.

هذه السندات الثلاثية هي التي تجعل النيتروجين الغازي حتى خاملة، ولكنه يخلق أيضا مشكلة بالنسبة للكائنات التي تحتاج إلى النيتروجين عنصر البقاء على قيد الحياة. وقد وجدت طبيعة عدد من الخارقة لهذه المشكلة، من خلال عمليات المثبتة للنيتروجين، والتي تستخدم الانزيمات كحافز لتحويل النيتروجين ثنائي الذرة إلى الأمونيا أو غيرها من المركبات الآزوتية.

الكائنات الدقيقة المثبتة للنيتروجين يجعل النيتروجين تصل بيولوجيا وأسفل السلسلة الغذائية، وبالنسبة لمعظم من التاريخ البشري، وكانت العمليات الطبيعية هي الطريقة الوحيدة للحصول على النيتروجين اللازمة لتسميد المحاصيل. التعدين ودائع المركبات الآزوتية، مثل نترات (نترات البوتاسيوم) أو في شكل ذرق الطائر من الخفافيش والطيور روث، كان في السابق المصدر الرئيسي للالنترات لأغراض الزراعة والصناعة.

ولكن هذه الودائع نادرة نسبيا ومحدودة في مدى، مما يؤدي إلى وجود مشكلة سواء من حيث تغذية التوسع السريع في عدد سكان العالم وتزويدهم المنتجات اللازمة لزادت مستوى المعيشة. وأدى ذلك الكيميائيين للبحث عن طرق تحويل احتياطيات هائلة من النيتروجين في الغلاف الجوي إلى الأمونيا صالحة للاستعمال، ابتداء من نهاية القرن 19. في حين كانت هناك العديد من المتنافسين ناجحة، أصبحت مظاهرة المختبر الكيميائي الألماني فريتز هابر في جعل الأمونيا من الهواء الفعلية العملية؛ مرة واحدة تم تحجيم منه والصناعية من قبل الصيدلي والمهندس كارل بوش، ولدت عملية هابر بوش.

تحت الضغط

الكيمياء بسيط من عملية هابر بوش يكذب تعقيدها، وخصوصا عندما المتخذة على المقاييس الصناعية. رد الفعل العام يجعل الأمر يبدو واضحة جدا – القليل من النيتروجين والهيدروجين قليلا، وكنت قد حصلت الأمونيا:

ولكن المشكلة تكمن في رابطة ثلاثية المذكور في جزيء N2، وكذلك في هذا السهم برأسين في المعادلة. وهذا يعني رد فعل يمكن أن تذهب في كلا الاتجاهين، واعتمادا على ظروف التفاعل مثل الضغط ودرجة الحرارة، وانها في الواقع أكثر عرضة للتشغيل في الاتجاه المعاكس، مع الأمونيا تحللت العودة إلى النيتروجين والهيدروجين. القيادة رد فعل تجاه إنتاج الأمونيا هو خدعة، كما هو توفير الطاقة اللازمة لكسر النيتروجين ثنائي الذرة في الغلاف الجوي. خدعة أخرى هو توفير ما يكفي من الهيدروجين، وهو عنصر غير وفيرة وخصوصا في غلافنا الجوي.

ولتحقيق كل هذه الأهداف، وتعتمد عملية هابر بوش على الحرارة والضغط – الكثير من كل. تبدأ هذه العملية مع إنتاج الهيدروجين عن طريق تشكيل الأبخرة الناتجة عن الغاز الطبيعي، أو الميثان:

الاصلاح البخار يحدث كعملية مستمرة، حيث يتم ضخ الغاز الطبيعي والبخار محمص في دائرة رد الفعل تحتوي على النيكل محفز. الناتج من عملية المصلح الأول هو مزيدكان رد فعله لإزالة أول أكسيد الكربون والميثان غير المدعوم والتنظيف بأي مركبات تحتوي على الكبريت وثاني أكسيد الكربون، حتى لا يظل أي شيء ولكن النيتروجين والهيدروجين.

ثم يتم ضخ غازات الأعلاف في غرفة رد فعل ثقيلة مسورة في نسبة من ثلاثة جزيئات الهيدروجين إلى كل جزيء النيتروجين. يجب أن تكون وعاء المفاعل قوي للغاية لأن الظروف المثلى لدفع التفاعل إلى الانتهاء هي درجة حرارة 450 درجة مئوية وضغط 300 مرة في الغلاف الجوي. مفتاح التفاعل هو المحفز داخل المفاعل، معظمها يعتمد على الحديد المجفف. يسمح المحفز بالنيتروجين والهيدروجين بالربط في الأمونيا، والتي تتم إزالتها عن طريق تكثيفها في حالة سائلة.

الشيء المفيد في هابر بوش هو ما أحضره بوش إلى الجدول: قابلية التوسع. يمكن أن تكون نباتات الأمونيا ضخمة، وغالبا ما تكون موجودة في العديد من النباتات الكيميائية الأخرى التي تستخدم الأمونيا باعتبارها FeedStock لعملياتها. يتم توجيه حوالي 80٪ من الأمونيا التي تنتجها عملية هابر بوش للاستخدامات الزراعية، إما تطبق مباشرة على التربة كسائل، أو في تصنيع الأسمدة الكيبونية. الأمونيا هي أيضا مكون في مئات المنتجات الأخرى، من المتفجرات إلى المنسوجات إلى الأصباغ، على لحن أكثر من 230 مليون طن المنتجة في جميع أنحاء العالم في عام 2018.

التخطيطي لعملية هابر بوش. المصدر: من قبل بالما وآخرون، CC-BY
نظافة وأكثر اخضرارا؟

بين استخدام الميثان ككل من المواد الوسيطة والوقود، يعد هابر بوش عملية قذرة للغاية من وجهة نظر بيئية. في جميع أنحاء العالم، يستهلك هابر بوش ما يقرب من 5٪ من إنتاج الغاز الطبيعي، وهو مسؤول عن حوالي 2٪ من إجمالي إمدادات الطاقة العالمية. ثم هناك ثاني أكسيد الكربون تنتج العملية؛ في حين يتم التقاط الكثير منها وبيعها كمنتج عام مفيد، أنتج إنتاج الأمونيا شيئا مثل 450 مليون طن من ثاني أكسيد الكربون في عام 2010، أو حوالي 1٪ من إجمالي الانبعاثات العالمية. إضافة إلى حقيقة أن هناك شيء مثل 50٪ من إنتاج الغذاء يعتمد تماما على الأمونيا، وكنت قد حصلت على هدف ناضج لفك الارتباط.

طريقة واحدة لطرق Haber-Bosch قبالة قاعدة التمثال الأمونيا هي الاستفادة من عمليات الكهربائي. في أبسط الحالة، يمكن استخدام التحليل الكهربائي لإنشاء FeedStock الهيدروجين من الماء بدلا من الميثان. في حين أن الغاز الطبيعي لا يزال من المحتمل أن تكون هناك حاجة إلى توليد الضغوط والدرجات الحرارة اللازمة لتوليف الأمونيا، فإن هذا من شأنه أن يخلص على الأقل من الميثان كمواد معالجة. وإذا كانت الخلايا الكهربائية يمكن تشغيلها بمصادر متجددة مثل الرياح أو الطاقة الشمسية، فإن هذا النهج الهجين قد يقطع شوطا طويلا لتنظيف هابر بوش.

لكن بعض الباحثين ينظرون إلى عملية كهربائية بالكامل تجعل إنتاج الأمونيا أكثر خضرة أكثر من النهج الهجين. في ورقة حديثة، تفصل فريق من جامعة موناش في أستراليا عملية كهربائية تستخدم الكيمياء مماثلة لتلك التي في بطاريات الليثيوم لجعل الأمونيا بطريقة مختلفة تماما، والتي يحتمل أن تلغي معظم جوانب الأقحاس في هابر بوش.

تستخدم العملية كهربائيا يحتوي على الليثيوم في خلية كهروكيميائية صغيرة؛ عند تطبيق التيار على الخلية، يتم حل النيتروجين في الغلاف الجوي في التجهيل بالكهرباء مع الليثيوم لصنع نتريد الليثيوم (LI3N) عند الكاثود من الخلية. يبدو نتريد الليثيوم مثل الأمونيا، مع ذرات الليثيوم الثلاثة التي تقف في الهيدروجين الثلاثة، ونوع أفعال مثل السقالات التي تقوم ببناء الأمونيا. كل ما تبقى هو استبدال ذرات الليثيوم مع الهيدروجين – وهو ما قال أسهل من القيام به.

يكمن سر العملية في فئة من المواد الكيميائية التي تسمى الفسفونيوم، والتي يتم شحنها إيجابيا جزيئات الفسفور في المركز. أثبت ملح الفوسفونيوم الذي يستخدمه فريق موناش أنه فعال في حمل البروتونات من أنود الزنزانة إلى نتريد الليثيوم، والتي قبلت بسهولة التبرع. لكنهم وجدوا أيضا أن جزيء الفسفونيوم قد يمر عبر العملية مرة أخرى، مما يلتقط بروتون في الأنودات وتسليمها إلى نتريد الليثيوم في الكاثود. وبهذه الطريقة، يتم استبدال جميع ذرات الليثيوم الثلاث في نتريد الليثيوم بالهيدروجين، مما أدى إلى إنتاج الأمونيا في درجة حرارة الغرفة دون ميثان كطعم. تظهر عملية موناش واعدة. في اختبار لمدة 20 ساعة بموجب ظروف المختبر، أنتجت خلية صغيرة 53 نانوم من الأمونيا في الثانية لكل سنتيمتر مربعة من سطح القطب، وفعلت كفاءة كهربائية بنسبة 69٪.

إذا كانت الطريقة يمكن أن تثبت، فهي لديها الكثير من المزايا على هابر بوش. من بين هؤلاء إن الافتقار إلى درجات حرارة عالية وضغوط، وحقيقة أن كل شيء يمكن أن يعمل على أي شيء سوى الكهرباء المتجددة. هناك أيضا احتمال أن يكون هذا هو مفتاح إنتاج الأمونيا الأصغر، الموزعة؛ بدلا من الاعتماد على عدد قليل نسبيا من النباتات الصناعية المركانية، يمكن أن يصبح إنتاج الأمونيا مصغرة وجوء إلى أقرب إلى نقطة الاستخدام.

هناك الكثير من العقبات للتغلب على عملية موناش، بالطبع. الاعتماد على L.ithium Eltululytes في عالم حيث تمتد EVS وغيرها من الأجهزة التي تعمل بالبطارية بالفعل، يبدو أن حدود استخراج الليثيوم تبدو ضعيفة، وحقيقة أن تعدين الليثيوم يعتمد بشدة على الوقود الأحفوري، على الأقل في الوقت الحالي، يشوه الإمكانات الخضراء للكهرباء الكهربائي الأمونيا كذلك. ومع ذلك، فهو تطور مثير وواحد قد يحتفظ به العالم ويتغذى بطريقة نظيفة، بطريقة أكثر خضرة.