Εμείς εδώ στη γη ζουν στο κάτω μέρος ενός ωκεανού αζώτου. Σχεδόν το 80% της κάθε αναπνοής που παίρνουμε είναι το άζωτο και το στοιχείο είναι ένα ζωτικό στοιχείο των δομικών στοιχείων της ζωής. Το άζωτο είναι κρίσιμο για τη ραχοκοκαλιά των πρωτεϊνών που σχηματίζουν το ικρίωμα ότι η ζωή κρέμεται και που καταλύει τις μυριάδες αντιδράσεις στα κύτταρα μας και οι πληροφορίες που απαιτούνται για την κατασκευή αυτών των βιοπολυμερών κωδικοποιούνται σε νουκλεϊνικά οξέα, τα ίδια τα μόρια πλούσια σε άζωτο.
Και όμως, στην άφθονη αέρια μορφή του, το άζωτο παραμένει άμεσα μη διαθέσιμο σε υψηλότερες μορφές ζωής, ασυμβίβαστα αδρανή και μη αντιδραστική. Πρέπει να κλέψουμε τη ζωτική μας παροχή αζώτου από τα λίγα είδη που έχουν μάθει το βιοχημικό τέχνασμα της περιστροφής του ατμοσφαιρικού αζώτου σε πιο δραστικές ενώσεις όπως η αμμωνία. Ή τουλάχιστον μέχρι πρόσφατα πρόσφατα, όταν μερικά ιδιαίτερα έξυπνα μέλη των ειδών μας βρήκαν έναν τρόπο να τραβήξουν άζωτο από τον αέρα χρησιμοποιώντας ένα συνδυασμό χημείας και μηχανικής που είναι γνωστή ως διαδικασία Haber-Bosch.
Η Haber-Bosch ήταν άγρια επιτυχής και χάρη στις καλλιέργειες που γονιμοποιούνται με την αζωτούχα παραγωγή του, είναι άμεσα υπεύθυνη για την καλλιέργεια του πληθυσμού από ένα δισεκατομμύριο ανθρώπους το 1900 σε σχεδόν οκτώ δισεκατομμύρια ανθρώπους σήμερα. Πλήρως 50% του αζώτου στο σώμα σας τώρα πιθανότατα προέρχεται από έναν αντιδραστήρα Haber-Bosch κάπου, οπότε όλοι κυριολεκτικά εξαρτώνται από αυτό για τη ζωή μας. Όπως θαυμάσιο, όπως το Haber-Bosch είναι, όμως, δεν είναι χωρίς τα προβλήματά του, ιδιαίτερα σε αυτή την ηλικία των μειωμένων προμηθειών των ορυκτών καυσίμων που χρειάζονται για να το εκτελέσουν. Εδώ, θα πάμε μια βαθιά κατάδυση στο Haber-Bosch και θα ρίξουμε επίσης μια ματιά στους τρόπους για την ενδεχομένως απογοήτευση της βιομηχανίας σταθεροποίησης του αζώτου στο μέλλον.
Εύκολο να βρεθεί, δύσκολο να το χρησιμοποιήσετε
Πρέπει να είναι ένας καλύτερος τρόπος. Ο εξόρυξη Guano ήταν μία από τις λίγες πηγές λιπασμάτων. Πηγή: Μουσείο Mystic Seaport
Η καρδιά του προβλήματος του αζώτου και ο λόγος για τον οποίο η παραγωγή αμμωνίας είναι αναγκαία και τόσο ενεργειακή εντατική, προέρχεται από τη φύση του ίδιου του στοιχείου, συγκεκριμένα την τάση του να συνδέει έντονα με άλλους του είδους του. Το άζωτο διαθέτει τρία μη εξισορροπημένα ηλεκτρόνια διαθέσιμα για συγκόλληση και ο τριπλός δεσμός που έχει ως αποτέλεσμα το διατομικό άζωτο που αποτελεί το μεγαλύτερο μέρος της ατμόσφαιρας μας είναι πολύ δύσκολο να σπάσει.
Αυτοί οι τριπλοί δεσμοί είναι αυτό που καθιστούν το αέριο άζωτο τόσο αδρανές, αλλά δημιουργεί επίσης ένα πρόβλημα για τους οργανισμούς που χρειάζονται στοιχειώδες άζωτο για να επιβιώσουν. Η φύση έχει βρει έναν αριθμό hacks σε αυτό το πρόβλημα, μέσω διεργασιών στερέωσης αζώτου, οι οποίες χρησιμοποιούν ένζυμα ως καταλύτες για να μετατρέψουν το διατομικό άζωτο σε αμμωνία ή άλλες αζωτούχες ενώσεις.
Οι μικροοργανισμοί στερέωσης του αζώτου κάνουν το άζωτο βιοδιαθέσιμο πάνω και κάτω από την τροφική αλυσίδα και για το μεγαλύτερο μέρος του ανθρώπινου ιστορικού, οι φυσικές διεργασίες ήταν η μόνη μέθοδος λήψης του αζώτου που απαιτείται για τη γονιμοποίηση των καλλιεργειών. Η εξόρυξη των αποθεμάτων αζωτούχων ενώσεων, όπως το αλάτι (νιτρικό κάλιο) ή με τη μορφή Guano από τα Bat και των περιττωμάτων Bat και Bird, ήταν κάποτε η κύρια πηγή των νιτρικών αλιευμάτων για τη γεωργία και τη βιομηχανία.
Ωστόσο, τέτοιες καταθέσεις είναι σχετικά σπάνιες και πεπερασμένες σε κλίμακα, οδηγώντας σε ένα πρόβλημα τόσο από την άποψη της τροφοδοσίας ενός ταχέως αναπτυσσόμενου παγκόσμιου πληθυσμού και την παροχή των προϊόντων που απαιτούνται για αυξημένο επίπεδο ζωής. Αυτός ο χημικός που οδήγησε να αναζητήσουν μεθόδους μετατροπής των τεράστιων αποθεματικών του ατμοσφαιρικού αζώτου σε χρήσιμη αμμωνία, ξεκινώντας από τα τέλη του 19ου αιώνα. Ενώ υπήρχαν αρκετοί επιτυχημένοι υποψήφιοι, η γερμανική χημική επίδειξη της αμμωνίας από την αμμωνία από τον αέρα έγινε η de facto διαδικασία. Μόλις κλιμακωθεί και εκβιομηθείς από χημικό και μηχανικό Carl Bosch, γεννήθηκε η διαδικασία Haber-Bosch.
Υπό πίεση
Η απλή χημεία της διαδικασίας Haber-Bosch δρομολογεί την πολυπλοκότητά της, ειδικά όταν αναλαμβάνεται σε βιομηχανικές κλίμακες. Η συνολική αντίδραση το κάνει να φαίνεται αρκετά απλό – λίγο άζωτο, λίγο υδρογόνο, και έχετε αμμωνία:
Αλλά το πρόβλημα έγκειται στον προαναφερθέντα τριπλό δεσμό στο μόριο Ν2, καθώς και σε αυτό το βέλος διπλής κεφαλής στην εξίσωση. Αυτό σημαίνει ότι η αντίδραση μπορεί να πάει με τους δύο τρόπους και ανάλογα με τις συνθήκες αντίδρασης όπως η πίεση και η θερμοκρασία, είναι πραγματικά πιο πιθανό να τρέξει αντίστροφα, με αμμωνία αποσυντίθεται πίσω σε άζωτο και υδρογόνο. Η οδήγηση της αντίδρασης προς την παραγωγή αμμωνίας είναι το τέχνασμα, όπως παρέχει την ενέργεια που απαιτείται για να σπάσει το διατομικό άζωτο στην ατμόσφαιρα. Το άλλο τέχνασμα παρέχει αρκετό υδρογόνο, ένα στοιχείο που δεν είναι ιδιαίτερα άφθονο στην ατμόσφαιρά μας.
Για να επιτευχθούν όλοι αυτοί οι στόχοι, η διαδικασία Haber-Bosch βασίζεται στη θερμότητα και την πίεση – πολλά από τα καθένα. Η διαδικασία ξεκινά με την παραγωγή υδρογόνου με αναμόρφωση ατμού φυσικού αερίου ή μεθανίου:
Η αναμόρφωση του ατμού λαμβάνει χώρα ως συνεχή διαδικασία, όπου το φυσικό αέριο και ο υπερθερμασμένος ατμός αντλούνται σε θάλαμο αντίδρασης που περιέχει καταλύτη νικελίου. Η έξοδος της πρώτης διαδικασίας μεταρρυθμιστικού είναι περαιτέρωαντέδρασε για την απομάκρυνση του μονοξειδίου του άνθρακα και δεν αντέδρασε μεθανίου και καθαρίζεται οποιωνδήποτε ενώσεων που περιέχουν θείο και διοξείδιο του άνθρακα, μέχρις ότου παραμένει τίποτα αλλά άζωτο και υδρογόνο.
Τα δύο αέρια τροφοδοσίας στη συνέχεια αντλείται εντός ενός θαλάμου αντιδράσεως βαριά τοιχώματα σε μία αναλογία από τρία μόρια υδρογόνου σε κάθε μόριο του αζώτου. Το δοχείο του αντιδραστήρα πρέπει να είναι εξαιρετικά ανθεκτικό, επειδή οι βέλτιστες συνθήκες για να οδηγηθεί η αντίδραση σε ολοκλήρωση είναι μία θερμοκρασία από 450 ° C και σε πίεση 300 φορές την ατμοσφαιρική. Το κλειδί για την αντίδραση είναι ο καταλύτης εντός του αντιδραστήρα, τα περισσότερα από τα οποία βασίζονται σε κονιοποιημένο σίδηρο. Ο καταλύτης επιτρέπει το άζωτο και υδρογόνο για να δεσμεύουν σε αμμωνία, η οποία απομακρύνεται με συμπύκνωση του σε μια υγρή κατάσταση.
Το πρακτικό πράγμα για Haber-Bosch είναι ό, τι η Bosch έφερε στο τραπέζι: επεκτασιμότητα. φυτά Αμμωνία μπορεί να είναι μαζική, και συχνά συστεγάζεται με άλλα χημικά εργοστάσια, ότι η χρήση αμμωνίας ως πρώτη ύλη για τις διαδικασίες τους. περίπου 80% της αμμωνίας που παράγεται από τη διεργασία Haber-Bosch προορίζεται για γεωργικές χρήσεις, είτε εφαρμόζεται απ ‘ευθείας στο χώμα σαν ένα υγρό, ή στην παρασκευή σφαιροποιηθεί λιπασμάτων. Η αμμωνία είναι επίσης ένα συστατικό σε εκατοντάδες άλλα προϊόντα, από εκρηκτικά για τα κλωστοϋφαντουργικά προϊόντα να βαφές, με το ποσό των πάνω από 230 εκατομμύρια τόνους που παράγονται παγκοσμίως το 2018.
Σχηματική της διαδικασίας Haber-Bosch. Πηγή: η Palma et al, CC-BY
Καθαριστικό και πράσινες;
Μεταξύ της χρήσης του μεθανίου καθώς και οι δύο πρώτες ύλες και καύσιμα, Haber-Bosch είναι ένας πολύ βρώμικο διαδικασία από περιβαλλοντική άποψη. Σε παγκόσμιο επίπεδο, Haber-Bosch καταναλώνει σχεδόν το 5% της παραγωγής φυσικού αερίου, και είναι υπεύθυνη για περίπου το 2% του συνολικού παγκόσμιου ενεργειακού εφοδιασμού. έπειτα υπάρχει το CO2 η μέθοδος παράγει? ενώ πολλά από αυτά συλλαμβάνεται και να πωληθεί ως χρήσιμο υποπροϊόν, την παραγωγή αμμωνίας που παράγεται κάτι σαν 450 εκατομμύρια τόνους CO2 το 2010, ή περίπου 1% του συνόλου των παγκόσμιων εκπομπών. προσθέστε το γεγονός ότι κάτι σαν το 50% της παραγωγής τροφίμων είναι απολύτως εξαρτάται από την αμμωνία, και έχετε ένα ώριμο στόχο για decarbonization.
Ένας τρόπος για να χτυπήσει Haber-Bosch από το βάθρο της αμμωνίας είναι η μόχλευση ηλεκτρολυτικές διεργασίες. Στην απλούστερη περίπτωση, ηλεκτρόλυση θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για να δημιουργήσει την πρώτη ύλη του υδρογόνου από το νερό αντί του μεθανίου. Ενώ θα ακόμα πιθανό να χρειαστούν φυσικού αερίου για να δημιουργήσει τις πιέσεις και θερμοκρασίες που απαιτούνται για τη σύνθεση αμμωνίας, αυτό θα εξαλείψει τουλάχιστον μεθανίου ως πρώτη ύλη. και αν τα ηλεκτρολυτικά κύτταρα που θα μπορούσαν να τροφοδοτείται από ανανεώσιμες πηγές, όπως η αιολική ή η ηλιακή, μια τέτοια υβριδική προσέγγιση θα μπορούσε να πάει πολύ μακριά για τον καθαρισμό των Haber-Bosch.
Αλλά κάποιοι ερευνητές αναζητούν σε ένα εντελώς ηλεκτρολυτική διεργασία που θα καταστήσει την παραγωγή αμμωνίας πολύ πιο πράσινο από ό, τι ακόμη και την υβριδική προσέγγιση. Σε μια πρόσφατη εργασία, μια ομάδα από το πανεπιστήμιο Monash στην Αυστραλία λεπτομέρειες ηλεκτρολυτικές διαδικασία που χρησιμοποιεί χημεία παρόμοια με αυτή σε μπαταρίες λιθίου για να κάνει αμμωνίας σε έναν εντελώς διαφορετικό τρόπο, αυτό που ενδεχομένως εξαλείφει τα περισσότερα από τα πιο βρώμικα πτυχές της Haber-Bosch.
Η διεργασία χρησιμοποιεί ένα περιέχουν λίθιο ηλεκτρολύτη σε ένα μικρό ηλεκτροχημικού στοιχείου? όταν ρεύμα εφαρμόζεται στο κύτταρο, το ατμοσφαιρικό άζωτο διαλύεται εντός των συνδυάζει ηλεκτρολύτη με λίθιο να καταστεί νιτρίδιο του λιθίου (Li3N) στην κάθοδο του κυττάρου. Λίθιο νιτρίδιο μοιάζει πολύ με αμμωνία, με τα τρία άτομα λιθίου στέκεται σε για τα τρία υδρογόνα, και το είδος των δρα σαν ικριώματα κατά την οποία μπορούμε να στηριχθούμε αμμωνία. Το μόνο που απομένει είναι να αντικαταστήσει τα άτομα λιθίου με υδρογόνο – ένα κατόρθωμα ευκολότερα λέγεται παρά γίνεται.
Το μυστικό στα ψέματα διαδικασία σε μια κατηγορία χημικών ουσιών που ονομάζεται φωσφονίου, τα οποία είναι θετικά φορτισμένα μόρια με φωσφόρο στο κέντρο. Το άλας φωσφονίου που χρησιμοποιείται από την ομάδα Monash αποδείχθηκε ότι είναι αποτελεσματική στην εκτέλεση πρωτόνια από την άνοδο του κυττάρου προς το νιτρίδιο του λιθίου, η οποία εύκολα αποδεκτή την δωρεά. αλλά διαπίστωσε επίσης ότι το μόριο φωσφονίου θα μπορούσε να περάσει από τη διαδικασία και πάλι, μαζεύοντας ένα πρωτόνιο στις ανόδους και την παράδοση να το νιτρίδιο του λιθίου στην κάθοδο. Με τον τρόπο αυτό, όλες οι τρία άτομα λιθίου στο νιτρίδιο του λιθίου αντικαταστάθηκε με υδρογόνο, με αποτέλεσμα την αμμωνία που παράγεται σε θερμοκρασία δωματίου χωρίς μεθάνιο ως πρώτη ύλη. Η διαδικασία Monash φαίνεται πολλά υποσχόμενη. Σε μια δοκιμή 20 ωρών υπό συνθήκες εργαστηρίου, ένα μικρό κύτταρο παράγεται 53 nanomoles της αμμωνίας ανά δευτερόλεπτο για κάθε τετραγωνικό εκατοστό της επιφανείας του ηλεκτροδίου, και το έκανε με μια ηλεκτρική απόδοση του 69%.
Αν η μέθοδος μπορεί να αποδείξει έξω, έχει πολλά πλεονεκτήματα σε σχέση με Haber-Bosch. Η σημαντικότερη από αυτές είναι η έλλειψη υψηλές θερμοκρασίες και πιέσεις, και το γεγονός ότι το όλο θέμα θα μπορούσε να τρέχει σε τίποτα, αλλά ανανεώσιμη ηλεκτρική ενέργεια. Υπάρχει επίσης η πιθανότητα ότι αυτό θα μπορούσε να είναι το κλειδί για μικρότερα, κατανεμημένη παραγωγή αμμωνίας? αντί να στηρίζεται σε μια σχετικά λίγες κεντρική βιομηχανικές μονάδες, η παραγωγή αμμωνίας θα μπορούσε δυνητικά να σε μικρογραφία και έφερε πιο κοντά στο σημείο της χρήσης.
Υπάρχουν πολλά εμπόδια να ξεπεραστούν με τη διαδικασία του Monash, φυσικά. στηριζόμενη σε lΟι ηλεκτρολύτες iNITIUM σε έναν κόσμο όπου η EVS και άλλες συσκευές που τροφοδοτούνται με μπαταρίες έχουν ήδη τεντώσει τα όρια της εκχύλισης του λιθίου φαίνεται ότι είναι εξαιρετικά και το γεγονός ότι η εξόρυξη λιθίου εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από τα ορυκτά καύσιμα, τουλάχιστον προς το παρόν, αμαυρώνει το πράσινο δυναμικό της ηλεκτρολυτικής Αμμωνία επίσης. Ακόμα, είναι μια συναρπαστική ανάπτυξη και μία που μπορεί να κρατήσει τον κόσμο που τροφοδοτείται και τροφοδοτείται σε καθαρότερο, πιο πράσινο τρόπο.