Haber-Bosch và màu xanh của sản xuất amoniac

Chúng tôi ở đây trên trái đất sống ở dưới cùng của một đại dương nitơ. Gần 80% mỗi hơi thở chúng ta uống là nitơ và yếu tố là một thành phần quan trọng của các khối xây dựng của cuộc sống. Nitơ rất quan trọng đối với xương sống của các protein tạo thành giàn giáo mà cuộc sống treo trên và xúc tác vô số các phản ứng trong các tế bào của chúng ta, và thông tin cần thiết để xây dựng các sinh chất này được mã hóa trong các axit nucleic, chính các phân tử giàu nitơ.

Tuy nhiên, trong hình thức khí dồi dào, nitơ vẫn còn trực tiếp không khả dụng cho các dạng sống cao hơn, trơ bất tận và không hợp lý. Chúng ta phải ăn cắp nguồn cung nitơ quan trọng của chúng ta từ một vài loài đã học được mánh khóe sinh hóa của việc biến nitơ khí quyển thành các hợp chất phản ứng nhiều hơn như amoniac. Hoặc ít nhất là cho đến gần đây, khi một vài thành viên đặc biệt thông minh trong loài của chúng tôi tìm cách kéo nitơ từ không khí bằng cách sử dụng sự kết hợp của hóa học và kỹ thuật hiện được gọi là quá trình Haber-Bosch.

Haber-Bosch đã thành công rất nhiều, và nhờ các cây trồng được thụ tinh với sản lượng nitơ của nó, chịu trách nhiệm trực tiếp để phát triển dân số từ một tỷ người năm 1900 đến gần tám tỷ người ngày nay. Hoàn toàn 50% nitơ trong cơ thể ngay bây giờ có lẽ đến từ lò phản ứng Haber-Bosch ở đâu đó, vì vậy tất cả chúng ta đều hoàn toàn phụ thuộc vào nó cho cuộc sống của chúng ta. Tuy nhiên, thật kỳ diệu như Haber-Bosch, không phải là không có vấn đề của nó, đặc biệt là trong độ tuổi của nguồn cung cấp của nhiên liệu hóa thạch cần thiết để chạy nó. Ở đây, chúng ta sẽ có một cuộc lặn sâu vào Haber-Bosch, và chúng tôi cũng sẽ xem xét các cách để có khả năng khử nhiễu ngành công nghiệp cố định nitơ của chúng tôi trong tương lai.

Dễ tìm, khó sử dụng

Phải có một cách tốt hơn. Khai thác Guano từng là một trong số ít các nguồn phân bón. Nguồn: Bảo tàng cảng biển huyền bí
Trái tim của vấn đề nitơ, và lý do tại sao việc sản xuất amoniac là cả cần thiết và rất tốn năng lượng, bắt nguồn từ bản chất của chính yếu tố, cụ thể là xu hướng liên kết mạnh mẽ với những người khác loại của nó. Nitơ có ba electron không ghép đôi có sẵn để liên kết và liên kết ba lần dẫn đến nitơ diatomic tạo nên hầu hết bầu không khí của chúng ta là rất khó phá vỡ.

Những trái phiếu ba lần này là những gì tạo ra nitơ khí để trơ, nhưng nó cũng tạo ra một vấn đề cho các sinh vật cần nitơ nguyên tố để tồn tại. Thiên nhiên đã tìm thấy một số hack với vấn đề đó, thông qua các quy trình sửa nitơ, sử dụng enzyme làm chất xúc tác để chuyển đổi nitơ diatomic thành amoniac hoặc các hợp chất nitơ khác.

Các vi sinh vật sửa chữa nitơ làm cho sinh học nitơ có sẵn lên và xuống chuỗi thức ăn, và đối với hầu hết các lịch sử loài người, các quá trình tự nhiên là phương pháp duy nhất để có được nitơ cần thiết cho việc thụ tinh của cây trồng. Khai thác tiền gửi của các hợp chất nitơ, chẳng hạn như Saltpeter (kali nitrat) hoặc dưới dạng eoano từ dơi và phân chim, đã từng là nguồn chính của nitrat cho nông nghiệp và công nghiệp.

Nhưng các khoản tiền gửi như vậy là tương đối hiếm và hữu hạn trong phạm vi, dẫn đến một vấn đề cả về việc cho ăn dân số thế giới mở rộng nhanh chóng và cung cấp cho họ các sản phẩm cần thiết để tăng mức sống. Các nhà hóa học này để tìm kiếm các phương pháp biến các dự trữ nitơ khí quyển rộng lớn thành amoniac có thể sử dụng, bắt đầu vào cuối thế kỷ 19. Trong khi có một số ứng cử viên thành công, phòng thí nghiệm của nhà hóa học Đức FRITZ Haber thể hiện amoniac khỏi không khí đã trở thành quy trình thực tế; Một khi nó được chia tỷ lệ và công nghiệp hóa bởi nhà hóa học và kỹ sư Carl Bosch, quá trình Haber-Bosch được sinh ra.

Chịu AP lực

Hóa học đơn giản của quy trình Haber-Bosch tin vào sự phức tạp của nó, đặc biệt là khi được thực hiện tại quy mô công nghiệp. Phản ứng tổng thể làm cho nó có vẻ khá đơn giản – một chút nitơ, một chút hydro, và bạn đã có amoniac:

Nhưng vấn đề nằm ở mối liên kết ba lần đã nói ở trên trong phân tử N2, cũng như trong mũi tên hai đầu đó trong phương trình. Điều đó có nghĩa là phản ứng có thể đi cả hai chiều, và tùy thuộc vào các điều kiện phản ứng như áp suất và nhiệt độ, thực sự có nhiều khả năng chạy ngược lại, với amoniac bị phân hủy trở thành nitơ và hydro. Lái xe phản ứng đối với việc sản xuất amoniac là thủ thuật, như cung cấp năng lượng cần thiết để phá vỡ nitơ diatomic trong khí quyển. Thủ thuật khác là cung cấp đủ hydro, một yếu tố không đặc biệt dồi dào trong khí quyển của chúng ta.

Để đạt được tất cả các mục tiêu này, quá trình Haber-Bosch dựa vào nhiệt và áp suất – rất nhiều mỗi. Quá trình bắt đầu với việc sản xuất hydro bằng cách cải tổ khí tự nhiên, hoặc khí metan:

Cải cách hơi nước diễn ra như một quá trình liên tục, nơi khí đốt tự nhiên và quá nhiệt được bơm vào một buồng phản ứng có chứa chất xúc tác niken. Đầu ra của quy trình cải cách đầu tiên là hơn nữaPhản ứng để loại bỏ carbon monoxide và metan không phản ứng và chà sạch mọi hợp chất chứa lưu huỳnh và carbon dioxide, cho đến khi không còn gì nhưng nitơ và hydro.

Hai khí thức ăn sau đó được bơm vào một buồng phản ứng có tường nặng theo tỷ lệ ba phân tử hydro cho mỗi phân tử nitơ. Tàu lò phản ứng phải cực kỳ chắc chắn vì các điều kiện tối ưu để thúc đẩy phản ứng hoàn thành là nhiệt độ 450 ° C và áp suất cao 300 lần khí quyển. Chìa khóa của phản ứng là chất xúc tác bên trong lò phản ứng, hầu hết trong số đó dựa trên sắt bột. Chất xúc tác cho phép nitơ và hydro liên kết với amoniac, được loại bỏ bằng cách ngưng tụ nó thành trạng thái lỏng.

Điều tiện tụy về Haber-Bosch là những gì Bosch mang đến bàn: Khả năng mở rộng. Cây amoniac có thể lớn, và thường được đặt với các nhà máy hóa học khác sử dụng amoniac là nguyên liệu cho các quá trình của chúng. Khoảng 80% amoniac được sản xuất bởi quy trình Haber-Bosch được sử dụng cho các mục đích nông nghiệp, được bôi trực tiếp vào đất làm chất lỏng, hoặc trong sản xuất phân bón. Amoniac cũng là một thành phần trong hàng trăm sản phẩm khác, từ chất nổ đến hàng dệt may đến thuốc nhuộm, theo giai điệu hơn 230 triệu tấn được sản xuất trên toàn thế giới vào năm 2018.

Sơ đồ của quá trình Haber-Bosch. Nguồn: bởi Palma et al, cc-by
Làm sạch và xanh hơn?

Giữa việc sử dụng metan là cả nguyên liệu và nhiên liệu, Haber-Bosch là một quá trình rất bẩn từ quan điểm môi trường. Trên toàn thế giới, Haber-Bosch tiêu thụ gần 5% sản lượng khí đốt tự nhiên, và chịu trách nhiệm cho khoảng 2% tổng nguồn cung Năng lượng thế giới. Sau đó, có CO2, quá trình tạo ra; Mặc dù rất nhiều người được nắm bắt và bán hết như một sản phẩm phụ hữu ích, sản xuất amoniac đã sản xuất một thứ giống như 450 triệu tấn CO2 trong năm 2010, hoặc khoảng 1% tổng lượng khí thải toàn cầu. Thêm vào thực tế là một cái gì đó giống như 50% sản lượng thực phẩm phụ thuộc hoàn toàn vào amoniac và bạn đã có một mục tiêu chín muồi để phân tích.

Một cách để hạ gục Haber-Bosch bệ amoniac là để tận dụng các quá trình điện phân. Trong trường hợp đơn giản nhất, điện phân có thể được sử dụng để tạo thức ăn hydro từ nước chứ không phải metan. Trong khi khí tự nhiên vẫn có thể cần phải tạo ra áp lực và nhiệt độ cần thiết cho tổng hợp amoniac, ít nhất sẽ loại bỏ khí metan như một nguyên liệu. Và nếu các tế bào điện phân có thể được cung cấp bởi các nguồn tái tạo như gió hoặc năng lượng mặt trời, cách tiếp cận lai như vậy có thể đi một chặng đường dài để dọn dẹp Haber-Bosch.

Nhưng một số nhà nghiên cứu đang xem xét một quá trình hoàn toàn điện phân sẽ sản xuất amoniac xanh hơn nhiều so với cách tiếp cận hybrid. Trong một bài báo gần đây, một nhóm từ Đại học Monash ở Úc, chi tiết một quá trình điện phân sử dụng hóa học tương tự như trong pin lithium để tạo ra amoniac theo một cách hoàn toàn khác, một cách có khả năng loại bỏ hầu hết các khía cạnh bẩn thỉu của Haber-Bosch.

Quá trình sử dụng một chất điện phân chứa lithium trong một tế bào điện hóa nhỏ; Khi hiện tại được áp dụng cho tế bào, nitơ khí quyển hòa tan trong chất điện phân kết hợp với lithium để tạo lithium nitride (li3n) ở cực âm của tế bào. Lithium Nitride trông rất giống amoniac, với ba nguyên tử lithium đứng trong ba hydrogens, và các loại hoạt động như một giàn giáo để xây dựng amoniac. Tất cả những gì còn lại là thay thế các nguyên tử lithium bằng hydro – một kỳ tích dễ dàng hơn được thực hiện.

Bí quyết cho quá trình nằm ở một lớp hóa chất gọi là phosphonium, là các phân tử tích điện tích cực với phốt pho tại trung tâm. Muối phốtphonium được sử dụng bởi nhóm Monash đã được chứng minh là có hiệu quả trong việc mang các proton từ cực dương của tế bào đến lithium nitride, điều này dễ dàng chấp nhận quyên góp. Nhưng họ cũng phát hiện ra rằng phân tử phosphonium có thể trải qua quá trình một lần nữa, nhặt một proton tại các cực dương và cung cấp nó cho lithium nitride ở cực âm. Bằng cách này, cả ba nguyên tử lithium trong lithium nitride đều được thay thế bằng hydro, dẫn đến amoniac được tạo ra ở nhiệt độ phòng mà không khí metan làm nguyên liệu. Quá trình monash xuất hiện đầy hứa hẹn. Trong thử nghiệm 20 giờ trong điều kiện phòng thí nghiệm, một tế bào nhỏ đã tạo ra 53 nanomoles amoniac mỗi giây cho mỗi centimet vuông bề mặt điện cực, và đã làm điều đó với hiệu suất điện 69%.

Nếu phương pháp có thể chứng minh, nó có rất nhiều lợi thế so với Haber-Bosch. Trưởng trong số này là thiếu nhiệt độ và áp lực cao, và thực tế là toàn bộ điều có khả năng chạy không có gì ngoài điện tái tạo. Ngoài ra còn có khả năng đây có thể là chìa khóa để sản xuất amoniac nhỏ hơn, phân tán; Thay vì dựa vào một nhà máy công nghiệp tương đối ít tập trung, sản xuất amoniac có khả năng thu nhỏ và mang lại gần điểm sử dụng.

Tất nhiên, có rất nhiều rào cản để vượt qua quá trình monash. Dựa vào L.Chất điện giải ithium trong một thế giới nơi EVs và các thiết bị chạy bằng pin khác đã kéo dài các giới hạn của chiết xuất lithium có vẻ khó khăn, và thực tế là khai thác lithium phụ thuộc rất nhiều vào nhiên liệu hóa thạch, ít nhất là trong thời điểm hiện tại, làm mờ tiềm năng xanh của điện phân amoniac là tốt. Tuy nhiên, đó là một sự phát triển thú vị và một sự phát triển chỉ có thể giữ cho thế giới được nuôi dưỡng và chạy nhiên liệu trong một cách dọn dẹp, xanh hơn.