ที่เราอยู่บนโลกนี้อยู่ที่ด้านล่างของมหาสมุทรของไนโตรเจนนั้น เกือบ 80% ของลมหายใจที่เราใช้ทุกไนโตรเจนและธาตุเป็นองค์ประกอบที่สำคัญของการสร้างบล็อคของชีวิต ไนโตรเจนมีความสำคัญต่อกระดูกสันหลังของโปรตีนที่เป็นนั่งร้านที่แฮงค์ชีวิตอยู่และเร่งปฏิกิริยามากมายในเซลล์ของเราและข้อมูลที่จำเป็นในการสร้างพลาสติกชีวภาพเหล่านี้มีการเข้ารหัสในกรดนิวคลีอิกตัวเองโมเลกุลไนโตรเจนที่อุดมไปด้วย
และยังอยู่ในรูปแบบก๊าซก็อุดมไนโตรเจนยังคงสามารถใช้งานได้โดยตรงกับรูปแบบของชีวิตที่สูงขึ้น unusably เฉื่อยและปฏิกิริยา เราจะต้องขโมยอุปทานที่สำคัญของเราของไนโตรเจนจากไม่กี่สายพันธุ์ที่ได้เรียนรู้เคล็ดลับทางชีวเคมีของการเปลี่ยนบรรยากาศไนโตรเจนกลายเป็นสารประกอบที่มีปฏิกิริยามากขึ้นเช่นแอมโมเนีย หรืออย่างน้อยก็จนกว่าค่อนข้างเร็ว ๆ นี้เมื่อคู่ของสมาชิกฉลาดโดยเฉพาะอย่างยิ่งของสายพันธุ์ของเราพบวิธีที่จะดึงไนโตรเจนจากอากาศที่ใช้เป็นส่วนผสมของสารเคมีและวิศวกรรมในขณะนี้เป็นที่รู้จักกันเป็นกระบวนการ Haber-บ๊อช
Haber-Bosch ได้รับความสำเร็จอย่างดุเดือดและขอบคุณที่พืชปฏิสนธิกับผลผลิตไนโตรเจนของตนเป็นผู้รับผิดชอบโดยตรงสำหรับการเจริญเติบโตของประชากรจากพันล้านคนในปี 1900 เกือบแปดพันคนในวันนี้ อย่างเต็มที่ 50% ของไนโตรเจนในร่างกายของคุณในขณะนี้อาจจะมาจากเครื่องปฏิกรณ์ที่ไหนสักแห่ง Haber-Bosch ดังนั้นเราทุกคนค่อนข้างอักษรขึ้นอยู่กับมันสำหรับชีวิตของเรา ในฐานะที่เป็นที่น่าอัศจรรย์เป็น Haber-Bosch แม้ว่าจะไม่ได้โดยไม่มีปัญหาโดยเฉพาะอย่างยิ่งในยุคของการลดน้อยลงวัสดุสิ้นเปลืองของเชื้อเพลิงฟอสซิลที่จำเป็นในการเรียกใช้งานนี้ ที่นี่เราจะใช้เวลาดำน้ำลึกลงไปใน Haber-Bosch และเรายังจะดูที่วิธีที่อาจ decarbonize อุตสาหกรรมตรึงไนโตรเจนของเราในอนาคต
ง่ายที่จะหายากที่จะใช้
จะต้องมีวิธีที่ดีกว่า ค้างคาวเหมืองครั้งหนึ่งเคยเป็นหนึ่งในไม่กี่แหล่งที่มาของปุ๋ย ที่มา: พิพิธภัณฑ์ลึกลับเมืองท่า
หัวใจของปัญหาไนโตรเจนและเหตุผลว่าทำไมการผลิตของแอมโมเนียเป็นทั้งที่จำเป็นและเพื่อให้พลังงานมากเกิดจากธรรมชาติขององค์ประกอบของตัวเองโดยเฉพาะแนวโน้มที่จะขอความผูกพันกับคนอื่น ๆ ของชนิด ไนโตรเจนมีสามอิเล็กตรอน unpaired ใช้ได้สำหรับพันธะและพันธะสามที่ส่งผลให้ไนโตรเจนอะตอมสองอะตอมที่ทำให้ส่วนใหญ่ของชั้นบรรยากาศของเราเป็นเรื่องยากมากที่จะทำลาย
พันธบัตรสามเหล่านี้เป็นสิ่งที่ทำให้ไนโตรเจนก๊าซเพื่อเฉื่อย แต่ก็ยังสร้างปัญหาสำหรับสิ่งมีชีวิตที่ต้องการไนโตรเจนธาตุเพื่อความอยู่รอด ธรรมชาติได้พบจำนวนของแฮ็กในการแก้ไขปัญหาที่ผ่านกระบวนการตรึงไนโตรเจนซึ่งใช้เอนไซม์เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาในการแปลงไนโตรเจนอะตอมสองอะตอมเข้าแอมโมเนียหรือสารประกอบไนโตรเจนอื่น ๆ
ตรึงไนโตรเจนจุลินทรีย์ที่ทำให้ไนโตรเจนขึ้น bioavailable และลงห่วงโซ่อาหารและมากที่สุดในประวัติศาสตร์ของมนุษย์กระบวนการทางธรรมชาติเป็นวิธีเดียวของการได้รับไนโตรเจนที่จำเป็นสำหรับการปฏิสนธิของพืช การทำเหมืองแร่ของเงินฝากของสารประกอบไนโตรเจนเช่นดินประสิว (ดินประสิว) หรือในรูปแบบของค้างคาวจากค้างคาวและมูลนกที่ครั้งหนึ่งเคยเป็นแหล่งที่มาหลักของไนเตรทสำหรับการเกษตรและอุตสาหกรรม
แต่เงินฝากดังกล่าวจะค่อนข้างหายากและที่แน่นอนในแต่ละขอบเขตที่นำไปสู่ปัญหาทั้งในแง่ของการให้อาหารของประชากรโลกที่ขยายตัวอย่างรวดเร็วและให้พวกเขาด้วยผลิตภัณฑ์ที่จำเป็นสำหรับการเพิ่มขึ้นมาตรฐานการครองชีพ นี้จะนำนักเคมีเพื่อค้นหาวิธีการของการเปลี่ยนสำรองใหญ่ของไนโตรเจนเข้าไปในแอมโมเนียที่ใช้งานได้เริ่มต้นในตอนท้ายของศตวรรษที่ 19 ในขณะที่มีลุ้นประสบความสำเร็จหลายสาธิตห้องปฏิบัติการเคมีชาวเยอรมัน Fritz Haber ของการทำแอมโมเนียจากอากาศกลายเป็นกระบวนการพฤตินัย; เมื่อมันถูกปรับขนาดขึ้นและอุตสาหกรรมโดยนักเคมีและวิศวกรของบ๊อชคาร์ลกระบวนการ Haber-Bosch เกิด
ภายใต้ความกดดัน
เคมีที่เรียบง่ายของกระบวนการ Haber-Bosch ปฏิเสธความซับซ้อนของมันโดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อมีการดำเนินการในระดับอุตสาหกรรม ปฏิกิริยาโดยรวมทำให้ดูเหมือนค่อนข้างตรงไปตรงมา – ไนโตรเจนน้อยไฮโดรเจนเล็ก ๆ น้อย ๆ และคุณได้มีแอมโมเนีย:
แต่ปัญหาอยู่ในพันธะสามดังกล่าวข้างต้นในโมเลกุล N2 เช่นเดียวกับในการที่ลูกศรสองหัวในสมการ ซึ่งหมายความว่าการเกิดปฏิกิริยาสามารถไปทั้งสองวิธีและขึ้นอยู่กับสภาพการเกิดปฏิกิริยาเช่นความดันและอุณหภูมิก็จริงมีแนวโน้มที่จะทำงานในสิ่งที่ตรงกันข้ามกับแอมโมเนียสลายกลับเข้ามาในไนโตรเจนและไฮโดรเจน ขับรถปฏิกิริยาที่มีต่อการผลิตของแอมโมเนียที่เป็นเคล็ดลับที่เป็นจะให้พลังงานที่จำเป็นที่จะทำลายลงไนโตรเจนอะตอมสองอะตอมในชั้นบรรยากาศ เคล็ดลับอื่น ๆ ที่จะให้ไฮโดรเจนพอองค์ประกอบที่ไม่ได้มากมายโดยเฉพาะอย่างยิ่งในชั้นบรรยากาศของเรา
เพื่อให้บรรลุทุกเป้าหมายเหล่านี้กระบวนการ Haber-Bosch อาศัยความร้อนและความดัน – มากของแต่ละ กระบวนการเริ่มต้นด้วยการผลิตไฮโดรเจนโดยการปฏิรูปอบไอน้ำของก๊าซธรรมชาติหรือก๊าซมีเทน:
อบไอน้ำการปฏิรูปที่เกิดขึ้นเป็นกระบวนการที่ต่อเนื่องซึ่งก๊าซธรรมชาติและไอน้ำร้อนยวดยิ่งจะสูบเป็นตัวเร่งปฏิกิริยานิกเกิลห้องที่มีปฏิกิริยา การส่งออกของกระบวนการปฏิรูปแรกคือต่อไปมีปฏิกิริยาตอบสนองที่จะเอาก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์และก๊าซมีเทน unreacted และขัดของสารประกอบที่มีกำมะถันใด ๆ และก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์จนซากอะไร แต่ไนโตรเจนและไฮโดรเจน
ทั้งสองก๊าซฟีดจะสูบแล้วเข้าไปในห้องปฏิกิริยาหนักผนังในอัตราส่วนสามโมเลกุลไฮโดรเจนให้กับแต่ละโมเลกุลไนโตรเจน เรือเครื่องปฏิกรณ์จะต้องมีความทนทานมากเพราะสภาวะที่เหมาะสมในการผลักดันการเกิดปฏิกิริยาที่จะเสร็จสิ้นเป็นที่อุณหภูมิ 450 องศาเซลเซียสและความดันบรรยากาศ 300 ครั้ง กุญแจสำคัญในการเกิดปฏิกิริยาเป็นตัวเร่งปฏิกิริยาภายในเครื่องปฏิกรณ์ซึ่งส่วนใหญ่จะขึ้นอยู่กับผงเหล็ก ตัวเร่งปฏิกิริยาช่วยให้ไนโตรเจนและไฮโดรเจนไปผูกเข้าแอมโมเนียซึ่งจะถูกลบออกโดยการกลั่นตัวลงในสถานะของเหลว
สิ่งที่มีประโยชน์เกี่ยวกับ Haber-Bosch คือสิ่งที่บ๊อชนำไปตาราง: scalability พืชแอมโมเนียสามารถเป็นใหญ่และมักจะร่วมอยู่ด้วยโรงงานเคมีอื่น ๆ ที่ใช้แอมโมเนียเป็นวัตถุดิบสำหรับกระบวนการของพวกเขา ประมาณ 80% ของแอมโมเนียที่ผลิตโดยกระบวนการ Haber-Bosch เป็น destined สำหรับการใช้งานทางการเกษตรทั้งผลโดยตรงกับดินเป็นของเหลวหรือในการผลิตปุ๋ยเม็ด แอมโมเนียยังเป็นส่วนผสมในร้อยของผลิตภัณฑ์อื่น ๆ จากวัตถุระเบิดที่จะสิ่งทอการย้อมสีปรับแต่งของกว่า 230 ล้านตันที่ผลิตทั่วโลกในปี 2018
แผนผังของกระบวนการ Haber-Bosch ที่มา: โดย Palma, et al, CC-BY
สะอาดและสีเขียว?
ระหว่างการใช้ก๊าซมีเทนเป็นทั้งวัตถุดิบและเชื้อเพลิง Haber-Bosch เป็นกระบวนการที่สกปรกมากจากมุมมองด้านสิ่งแวดล้อม ทั่วโลก Haber-Bosch กินเกือบ 5% ของการผลิตก๊าซธรรมชาติและเป็นผู้รับผิดชอบประมาณ 2% ของพลังงานทั้งหมดในโลก แล้วมี CO2 กระบวนการผลิต; ในขณะที่จำนวนมากของมันถูกจับและขายออกเป็นผลพลอยได้ที่มีประโยชน์การผลิตแอมโมเนียผลิตสิ่งที่ต้องการ 450 ล้านตัน CO2 ในปี 2010 หรือประมาณ 1% ของการปล่อยก๊าซทั้งหมดทั่วโลก เพิ่มในความจริงที่ว่าบางสิ่งบางอย่างเช่น 50% ของการผลิตอาหารเป็นอย่างขึ้นอยู่กับแอมโมเนียและคุณได้มีเป้าหมายที่สุกสำหรับ decarbonization
วิธีการหนึ่งที่จะเคาะ Haber-Bosch ปิดแท่นแอมโมเนียคือการยกระดับกระบวนการด้วยไฟฟ้า ในกรณีที่ง่ายที่สุดกระแสไฟฟ้าสามารถนำมาใช้ในการสร้างวัตถุดิบไฮโดรเจนจากน้ำมากกว่าก๊าซมีเทน ในขณะที่ก๊าซธรรมชาติจะยังคงมีแนวโน้มที่จะจำเป็นในการสร้างแรงกดดันและอุณหภูมิที่จำเป็นสำหรับการสังเคราะห์แอมโมเนียนี้อย่างน้อยจะกำจัดก๊าซมีเทนเป็นวัตถุดิบ และถ้าเซลล์ไฟฟ้าจะถูกขับเคลื่อนโดยแหล่งพลังงานทดแทนเช่นลมหรือพลังงานแสงอาทิตย์เช่นวิธีไฮบริดจะไปทางยาวเพื่อการทำความสะอาด Haber-Bosch
แต่นักวิจัยบางคนกำลังมองหาที่กระบวนการไฟฟ้าที่สมบูรณ์แบบที่จะทำให้การผลิตแอมโมเนียเป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อมมากกว่าแม้วิธีไฮบริด ในกระดาษที่ผ่านมาทีมงานจากมหาวิทยาลัย Monash ในออสเตรเลียรายละเอียดขั้นตอนการไฟฟ้าที่ใช้เคมีคล้ายกับว่าในแบตเตอรี่ลิเธียมที่จะทำให้แอมโมเนียในทางที่แตกต่างอย่างสิ้นเชิงหนึ่งที่อาจช่วยลดมากที่สุดในด้านที่สกปรกของ Haber-Bosch
กระบวนการใช้อิเล็กโทรลิเธียมที่มีในเซลล์ไฟฟ้าขนาดเล็ก เมื่อปัจจุบันจะถูกนำไปใช้กับเซลล์ไนโตรเจนที่ละลายในรวมอิเล็กโทรลิเธียมที่จะทำให้ลิเธียมไนไตรด์ (Li3N) ที่แคโทดของเซลล์ ไนไตรด์ลิเธียมลักษณะเป็นจำนวนมากเช่นแอมโมเนียที่มีสามอะตอมลิเธียมยืนอยู่ในสามไฮโดรเจนและการเรียงลำดับของการกระทำเช่นนั่งร้านซึ่งจะสร้างแอมโมเนีย ทั้งหมดที่เหลืออยู่คือการแทนที่อะตอมลิเธียมที่มีไฮโดรเจน – เพลงที่พูดง่ายกว่าทำ
ความลับในการประมวลผลอยู่ในระดับของสารเคมีที่เรียกว่า phosphonium ซึ่งจะมีประจุบวกโมเลกุลที่มีฟอสฟอรัสที่ศูนย์ เกลือ phosphonium ใช้โดยทีม Monash พิสูจน์ให้เห็นว่ามีประสิทธิภาพในการดำเนินโปรตอนจากขั้วบวกของเซลล์ไปยังไนไตรด์ลิเธียมซึ่งได้รับการยอมรับอย่างง่ายดายบริจาค แต่พวกเขายังพบว่าโมเลกุล phosphonium จะไปผ่านกระบวนการอีกครั้งยกขึ้นโปรตอนที่ anodes และการส่งมอบมันให้กับไนไตรด์ลิเธียมที่ขั้วลบ ด้วยวิธีนี้ทั้งสามอะตอมลิเธียมในไนไตรด์ลิเธียมจะถูกแทนที่ด้วยไฮโดรเจนผลในการผลิตแอมโมเนียที่อุณหภูมิห้องโดยไม่ต้องก๊าซมีเทนเป็นวัตถุดิบ Monash กระบวนการที่มีแนวโน้มจะปรากฏขึ้น ในการทดสอบ 20 ชั่วโมงภายใต้เงื่อนไขที่ห้องปฏิบัติการเซลล์ขนาดเล็กที่ผลิต 53 nanomoles ของแอมโมเนียต่อวินาทีสำหรับทุกตารางเซนติเมตรของพื้นผิวของอิเล็กโทรดและทำมันด้วยประสิทธิภาพการใช้ไฟฟ้าของ 69%
หากวิธีการที่สามารถพิสูจน์ออกก็มีจำนวนมากของข้อได้เปรียบกว่า Haber-บ๊อช หัวหน้ากลุ่มคนเหล่านี้คือการขาดการมีอุณหภูมิสูงและความกดดันและความจริงที่ว่าสิ่งที่ทั้งสามารถทำงานที่อาจเกิดขึ้นในวันที่ไม่มีอะไร แต่กระแสไฟฟ้าทดแทน นอกจากนี้ยังมีความเป็นไปได้ที่ว่านี้อาจจะเป็นกุญแจสำคัญที่จะมีขนาดเล็กผลิตแอมโมเนียกระจาย แทนที่จะอาศัยค่อนข้างไม่กี่โรงงานอุตสาหกรรมศูนย์กลางการผลิตแอมโมเนียอาจมีขนาดเล็กและนำมาใกล้ชิดกับจุดในการใช้งาน
มีมากมายที่จะเอาชนะอุปสรรคกับกระบวนการ Monash ของหลักสูตรมี อาศัยลิตรอิเล็กโทรไลต์ Ithium ในโลกที่ EVs และอุปกรณ์ที่ใช้พลังงานจากแบตเตอรี่อื่น ๆ กำลังยืดขีด จำกัด ของการสกัดลิเธียมดูเหมือนจะผอมบางและความจริงที่ว่าการขุดลิเธียมนั้นขึ้นอยู่กับเชื้อเพลิงฟอสซิลอย่างน้อยก็เป็นเวลาอย่างน้อยในช่วงเวลาที่การเป็นสีเขียวของอิเล็กโทรไล แอมโมเนียเช่นกัน ถึงกระนั้นมันก็เป็นการพัฒนาที่น่าตื่นเต้นและสิ่งหนึ่งที่อาจทำให้โลกได้รับอาหารและเติมเชื้อเพลิงในทางที่สะอาดและเป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อม