Mamy tu na ziemi żyć na dnie oceanu azotu. prawie 80% z każdym oddechem bierzemy jest azot, a element jest istotnym składnikiem cegiełek życia. Azot jest krytycznym do szkieletu białek tworzących szkielet, który wisi na życie i które katalizują reakcje niezliczone naszych komórek, a dane potrzebne do budowy tych biopolimerów jest kodowany w kwasach nukleinowych, same cząsteczki bogate w azot.
A jeszcze w postaci gazowej, obfity, azot bezpośrednio pozostaje niedostępny dla wyższych form życia, unusably obojętny i niereaktywny. Musimy ukraść naszą istotną podaż azotu z nielicznych gatunków, które nauczyły biochemiczną trick obracając azot atmosferyczny w bardziej reaktywnych związków takich jak amoniak. Lub przynajmniej do niedawna, kiedy para szczególnie sprytnych członków naszego gatunku znaleźli sposób na azocie pobiera z powietrza przy użyciu kombinacji chemii i inżynierii teraz znany jako proces Habera-Boscha.
Haber-Bosch był szalenie udany i dzięki upraw nawożonych wyjściu azotowych, jest bezpośrednio odpowiedzialny za rosnące ludności z miliarda ludzi w 1900 roku do prawie ośmiu miliardów ludzi dzisiaj. w pełni 50% azotu w organizmie teraz prawdopodobnie pochodził z Habera-Boscha reaktora gdzieś, więc wszyscy dosłownie od tego zależy nasze życie. Jako cudowne jak Habera-Boscha jest, choć nie jest pozbawiona problemów, szczególnie w dobie malejących dostaw paliw kopalnych potrzebnych do uruchomienia go. Tutaj, weźmiemy się z dokładnym omówieniem Habera-Boscha, a my również przyjrzeć sposobów potencjalnie sadzę naszą azotu fiksacji przemysłu w przyszłości.
Łatwe do znalezienia, trudne do wykorzystania
Tam musiał być lepszy sposób. Guano górnictwo był kiedyś jednym z niewielu źródeł nawozów. Źródło: Mystic Seaport Museum
Istotą problemu azotu i dlatego jest wytwarzanie amoniaku zarówno konieczny i energochłonne, wynika z charakteru samego elementu, w szczególności jego skłonność do wiązania wysoce z innymi tego rodzaju. Azot trzy niesparowane elektrony dostępne dla wiązania i potrójnego wiązania, które daje w wyniku dwuatomowy azot, który stanowi większość atmosfery jest bardzo trudne do rozbicia.
Te potrójne wiązania, co zrobić gazowy azot tak obojętny, ale również stwarza problem dla organizmów, które potrzebują azotu pierwiastkowego, aby przeżyć. Natura wykazały szereg sieka się do tego problemu, za pomocą procesów azot, które wykorzystują enzymy jako katalizatory do konwersji dwuatomowy azot do amoniaku lub innych związków zawierających azot.
Wiążące azot drobnoustroje aby azotu przyswajalne w górę i w łańcuchu pokarmowym, a najbardziej ludzkiej historii procesy fizyczne były jedynym sposobem uzyskania azot niezbędny do nawożenia płodów rolnych. Wydobycie ze złoża związków azotowych, takich jak Saletra (azotan potasu), lub w postaci guano nietoperza i odchodów ptasich, niegdyś pierwotnego źródła azotanów w rolnictwie i przemyśle.
Ale takie depozyty są stosunkowo rzadkie i skończony w stopniu, co prowadzi do problemów zarówno jeśli chodzi o karmienie szybko rozwijającej się populacji świata i dostarczanie im produktów niezbędnych do zwiększenia standardu życia. Doprowadziło to chemicy, aby szukać metod obracając duże rezerwy azotu atmosferycznego do użytkowej amoniaku, zaczynając od końca 19 wieku. Chociaż było kilka udanych pretendentów, niemiecki chemik Fritz Haber w laboratorium pokaz tworzenia amoniaku z powietrza stał się de facto proces; Raz było przeskalowane i uprzemysłowionych przez inżyniera chemika i Carl Bosch, proces Haber-Bosch urodził.
Pod presją
Prosta chemia procesu Habera-Boscha przeczy jego złożoność, zwłaszcza, gdy podejmowane na skalę przemysłową. Ogólna reakcja sprawia, że wydają się dość proste – trochę mało azotu, wodór, i masz amoniaku:
Ale problem polega na wspomnianym wiązania potrójnego w cząsteczce N2, a także tym, że podwójna strzałka w równaniu. Oznacza to, że reakcję można w obie strony, w zależności od warunków reakcji, takich jak ciśnienie i temperatura, nie jest w rzeczywistości bardziej prawdopodobnie działają w wstecznego amoniak rozkładającego z powrotem do azotu i wodoru. Prowadzenie reakcji w kierunku wytwarzania amoniaku trick, jak dostarczenie energii potrzebnej do rozbicia dwuatomowy azot w atmosferze. Drugi trik jest zapewnienie wystarczającej ilości wodoru, element, który nie jest szczególnie bogaty w atmosfery.
Aby osiągnąć wszystkie te cele, proces Haber-Bosch podnosi temperaturę i ciśnienie – dużo każda. Proces rozpoczyna się wytwarzanie wodoru przez reformowania parą gazu ziemnego lub metanu:
reformacja pary wodnej odbywa się w procesie ciągłym, w którym gaz ziemny i przegrzaną parę wodną pompuje się do komory reakcyjnej, zawierającej katalizator niklowy. Wyjście pierwszego procesu jest dalej reformeraZareagował w celu usunięcia tlenku węgla i nieprzereagowanego metanu i szorując dowolne związki zawierające siarki i dwutlenek węgla, aż do niczego nie pozostaje, ale azotu i wodoru.
Dwa gazy paszowe są następnie pompowane do ciężkiej komory reakcyjnej w stosunku trzech cząsteczek wodorowych do każdej cząsteczki azotu. Naczynie reaktora musi być bardzo wytrzymałe, ponieważ optymalne warunki do napędzania reakcji na zakończenie są temperaturą 450 ° C i ciśnienie 300 razy atmosferyczne. Kluczem do reakcji jest katalizator wewnątrz reaktora, z których większość opiera się na żelazku w proszku. Katalizator umożliwia wiązanie azotu i wodoru w amoniaku, który jest usuwany przez skondensowanie go w stanie ciekłym.
Poręczna rzecz o Haber-Bosch jest tym, co Bosch przywiózł do stołu: skalowalność. Rośliny amoniakalne mogą być masywne i często są współlokowane z innymi zakładami chemicznymi, które używają amoniaku jako surowca dla ich procesów. Około 80% amoniaku wytwarzanego przez proces HABER-BOSCH jest przeznaczony do zastosowań rolniczych, stosowanych bezpośrednio do gleby jako cieczy lub w produkcji nawozów granulowanych. Amoniak jest również składnikiem setek innych produktów, od materiałów wybuchowych do tekstyliów do barwników, do melodii ponad 230 milionów ton produkowanych na całym świecie w 2018 roku.
Schematyczny procesu pasażera. Źródło: Palma i in, CC-by
Cleaner and Greener?
Pomiędzy stosowaniem metanu jako surowca i paliwa, Haber-Bosch jest bardzo brudnym procesem z punktu widzenia środowiska. Worldwide, Haber-Bosch pochłania prawie 5% produkcji gazu ziemnego i jest odpowiedzialny za około 2% całkowitej światowej dostaw energii. Następnie jest procesowy proces; Podczas gdy wiele z nich jest schwytany i sprzedawany jako przydatny produkt uboczny, produkcja amoniaku wyprodukowała coś w rodzaju 450 milionów ton CO2 w 2010 r. Lub około 1% całkowitej globalnej emisji. Dodaj fakt, że coś w rodzaju 50% produkcji żywności jest absolutnie zależne od amoniaku, a masz dojrzałe cel do dekarbonizacji.
Jednym ze sposobów zapukania Haber-Bosch z pakietem amoniaku jest wykorzystywanie procesów elektrolitycznych. W najprostszym przypadku elektroliza może być użyta do utworzenia surowca wodoru z wody zamiast metanu. Podczas gdy gaz ziemny nadal byłby prawdopodobnie potrzebny do wygenerowania ciśnienia i temperatur potrzebnych do syntezy amoniaku, co najmniej wyeliminował metan jako surowca. A jeśli komórki elektrolityczne mogłyby być zasilane przez źródła odnawialne, takie jak wiatr lub słoneczny, takie podejście hybrydowe może przejść długą drogę do czyszczenia Haber-Bosch.
Ale niektórzy badacze patrzą na całkowicie elektrolityczny proces, który sprawią, że produkcja amoniaku znacznie bardziej zielona niż nawet podejście hybrydowe. W niedawnym dokumencie zespół z Uniwersytetu Monash w Australii szczegóły procesu elektrolitycznego, który wykorzystuje chemię podobną do tego w bateriach litu, aby amoniak w zupełnie inny sposób, który potencjalnie eliminuje większość brudniejszych aspektów Haber-Bosch.
Proces używa elektrolitu zawierającego litu w małej komórce elektrochemicznej; Gdy prąd jest nakładany do komórki, azot atmosferyczny rozpuszczony w elektrolicie łączy się z litem, wykonując azotek litowy (Li3N) w katodzie komórki. Azotek litowy wygląda wiele podobnie jak amoniak, z trzema atomami litu stojącymi na trzy hydrogeny i rodzaj działania, takie jak rusztowanie, na których buduje amoniak. Pozostaje wszystkim, aby wymienić atomy litu z wodorem – wyczyny łatwiej powiedzieć niż zrobione.
Sekretem procesu leży w klasie chemikaliów zwanych fosfonem, które są pozytywnie naładowane cząsteczki fosforu w środku. Sól fosfoniowa używana przez zespół Monash okazała się skuteczna przy przenoszeniu protonów z anody komórki do azotku litu, który łatwo przyjęto darowiznę. Ale stwierdzili również, że cząsteczka fosfoniowa może ponownie przejść przez proces, podnosząc proton w anodach i dostarczając go do azotku litowego w katodzie. W ten sposób wszystkie trzy atomy litu w azotku litu są zastępowane wodorem, co spowodowało amoniak wytwarzany w temperaturze pokojowej bez metanu jako surowca. Proces monash pojawia się obiecujący. W 20-godzinnym badaniu w warunkach laboratoryjnych, mała komórka wyprodukowała 53 nanomoli amoniaku na sekundę dla każdego centymetru kwadratowego powierzchni elektrody i zrobił to z wydajnością elektryczną 69%.
Jeśli metoda może się udowodnić, ma wiele zalet ponad Haber-Bosch. Wśród nich jest brak wysokich temperatur i presji, a fakt, że cała rzecz może potencjalnie prowadzić na niczym, ale energii elektrycznej odnawialnej. Istnieje również możliwość, że może to być klucz do mniejszej, rozproszonej produkcji amoniaku; Zamiast polegać na stosunkowo niewiele scentralizowanych zakładach przemysłowych, produkcja amoniakalna może potencjalnie być miniaturyzowana i zbliżyła się do punktu użytkowania.
Istnieje wiele przeszkód w celu przezwyciężenia procesu monash. poleganie na L.Elektrolity ithium w świecie, w którym EVS i inne urządzenia zasilane bateryjnie są już rozciągające granice ekstrakcji litowej wydaje się słaby, a fakt, że wydobycie litowe jest mocno zależne od paliw kopalnych, przynajmniej na razie, niszczy zielony potencjał elektrolitycznego Amoniak. Mimo to jest ekscytujący rozwój i taki, który po prostu może utrzymać świat karmiony i napędzany w czystszym, bardziej zielony sposób.