הבר-בוש והיריקה של ייצור אמוניה

אנחנו כאן על כדור הארץ חי בתחתית האוקיינוס ​​של חנקן. כמעט 80% מכל נשימה אנחנו לוקחים הוא חנקן, ואת האלמנט הוא מרכיב חיוני של אבני הבניין של החיים. חנקן הוא קריטי על עמוד השדרה של חלבונים, אשר מהווים את הפיגום כי החיים תלוי על זה מזרז את תגובות רבות בתאים שלנו, ואת המידע הדרוש לבניית biopolymers אלה מקודד בחומצות גרעין, עצמם מולקולות עשירות חנקן.

ובכל זאת, בצורתו הגזית השופעת, חנקן נשאר ישירות לא זמין לצורות חיים גבוהות יותר, אינרטי בלתי אפשרי ללא תחרות. אנחנו חייבים לגנוב את האספקה ​​החיונית שלנו של החנקן מן המינים המעטים שלמדו את הטריק הביוכימי של הפיכת חנקן אטמוספרי לתוך תרכובות תגובתי יותר כמו אמוניה. או לפחות עד יחסית לאחרונה, כאשר כמה חברים חכמים במיוחד במינים שלנו מצאו דרך למשוך חנקן מן האוויר באמצעות שילוב של כימיה והנדסה המכונה עכשיו את תהליך הבר- bosch.

הבר-בוש מוצלח בפראות, ובזכות הגידולים שהופרו עם התפוקה החנקנית, אחראית ישירות לגידול האוכלוסייה ממיליארד אנשים בשנת 1900 עד שמונה מיליארד אנשים כמעט. לגמרי 50% של החנקן בגוף שלך עכשיו הגיע כנראה מן הכור הבוש של הבר איפשהו, אז כולנו ממש תלויים בו לחיינו. כמו מופלא כמו הבר-בוש, אם כי, זה לא בלי הבעיות שלו, במיוחד בעידו של אספקה ​​זו של דלקים מאובנים הדרושים כדי להפעיל אותו. כאן, ניקח צלילה עמוקה לתוך הבר-בוש, ואנו נסתכל גם על דרכים לפוטנצ’ה לדקנות את תעשיית הקיבוע החנקן שלנו בעתיד.

קל למצוא, קשה להשתמש

היה צריך להיות דרך טובה יותר. גואנו כריינינג היה פעם אחד המקורות המעטים של דשנים. מקור: מוזיאון מיסטי נמל
לב של בעיית החנקן, ואת הסיבה מדוע הייצור של אמוניה הוא הכרחי גם אנרגיה אינטנסיבית, נובעת מטבעו של האלמנט עצמו, במיוחד את נטייתו קשר עם אחרים מסוגו. חנקן יש שלושה אלקטרונים לא מסודרים זמין עבור מליטה, ואת הקשר המשולש כי התוצאה חנקן diatomic כי עושה את רוב האטמוספרה שלנו קשה מאוד לשבור.

אלה אג”ח משולשת הם מה לעשות חנקן גזי כל כך אינרטי, אבל זה גם יוצר בעיה עבור האורגניזמים הזקוקים חנקן היסודי כדי לשרוד. הטבע מצא מספר פריצות לבעיה זו, באמצעות תהליכי תיקון חנקן, אשר משתמשים אנזימים כזרזים כדי להמיר חנקן דיאטומי לתוך אמוניה או תרכובות חנקניות אחרות.

חנקן לתקן מיקרואורגניזמים להפוך את bioavailable חנקן למעלה ולמטה שרשרת המזון, ועל רוב ההיסטוריה האנושית, תהליכים טבעיים היו השיטה היחידה של קבלת החנקן הדרוש להפריה של יבולים. כריית פיקדונות של תרכובות חנקניות, כגון Saltpeter (אשלגן nitrate) או בצורה של גואנו מתוך בת ושיפורים ציפור, היה פעם המקור העיקרי של חנקות לחקלאות ותעשייה.

אבל פיקדונות כאלה הם נדירים יחסית סופיים במידה, מה שמוביל לבעיה הן במונחים של האכלה באוכלוסיית העולם הרחבת במהירות ומספקת להם את המוצרים הדרושים לרמת חיים מוגברת. זה הוביל כימאים לחפש שיטות של הפיכת עתודות עצומות של חנקן אטמוספרי לתוך אמוניה שמיש, החל בסוף המאה ה -19. אמנם היו כמה מתמודדים מוצלחים, הכימאי הגרמני פריץ הבר ההפגנה של ביצוע אמוניה מאוויר הפך לתהליך דה פקטו; ברגע שזה היה scaled ו מתועשים על ידי כימאי ומהנדס קרל בוש, תהליך הבר- Bosch נולד.

תחת לחץ

הכימיה הפשוטה של ​​תהליך הבר-בושט מסיבה את המורכבות שלה, במיוחד כאשר נעשתה בקשקשים תעשייתיים. התגובה הכוללת עושה את זה נראה די פשוט – קצת חנקן, מימן קטן, ויש לך אמוניה:

אבל הבעיה טמונה באג”ח משולשת הנ “ל במולקולה N2, כמו גם בחץ הכפול הזה במשוואה. כלומר, התגובה יכולה ללכת בשני הדרכים, והן בהתאם לתנאי תגובה כגון לחץ וטמפרטורה, זה למעשה סביר יותר לרוץ לאחור, עם אמוניה decomposing בחזרה לתוך חנקן ומימן. נהיגה התגובה כלפי הייצור של אמוניה היא הטריק, כפי שניתן לספק את האנרגיה הדרושה לשבור חנקן דיאטומי באטמוספרה. הטריק השני מספק מספיק מימן, אלמנט שאינו שופע במיוחד באטמוספירה שלנו.

כדי להשיג את כל המטרות הללו, תהליך הבר-בוש מסתמך על חום ולחץ – הרבה מדי. התהליך מתחיל בייצור של מימן על ידי רפורמציה קיטור של גז טבעי, או מתאן:

הרפורמציה Steam מתרחשת כתהליך מתמשך, שבו גז טבעי קיטור שחון נשאבים לתוך תא תגובה המכיל זרז ניקל. הפלט של תהליך המתקן הראשון הוא עודהגיבו להסרת פחמן חד ומתאן unreacted וקורצפו הפחמן של כל תרכובות פחמן דו חמצני המכילים גופרית, עד שרידי אבל חנקן ומימן כלום.

שני הגזים לעדכונים אז הזרימו לתוך תא תגובת קירות כבד ביחס של שלוש מולקולות מימן לכול מולקולת חנקן. הכור חייב להיות מאוד יציב בגלל התנאים האופטימליים לנהוג התגובה להשלמה הם בטמפרטורה של 450 מעלות צלזיוס בלחץ 300 פעמים אטמוספרי. מפתח התגובה הוא הזרז בתוך הכור, שרוב מבוססים על אבקת ברזל. הזרז מאפשר חנקן ומימן כדי לאגד לתוך אמוניה, אשר הוסרה על ידי העיבוי אותה למדינה נוזלית.

הדבר השימושי על הבר-בוש הוא מה Bosch הביא לשולחן: רחבה. צמחי אמוניה יכולים להיות מסיביים, ולעתים קרובות הם שיתוף הממוקמים עם מפעלים כימיים אחרים כי אמוניה לשימוש כחומר גלם עבור התהליכים שלהם. כ 80% של אמוניה מיוצר על ידי תהליך הבר-בוש נועד לשימושים חקלאיים, או להחיל ישירות על אדמת כנוזל, או בייצור של דשן pelletized. אמוניה היא גם מרכיב מאות מוצרים אחרים, מן נפץ כדי מטקסטיל ועד צבעי, בהיקף של מעל 230 מיליון טון המיוצרים ברחבי העולם ב 2018.

סכמטי של תהליך הבר-בוש. מקור: על ידי פלמה ואח, CC-BY
מנקה גרינר?

בין השימוש מתאן הוא כחומר גלם ודלק, הבר-בוש הוא תהליך מאוד מלוכלך בהיבט סביבתי. ברחבי העולם, הבר-בוש צורך כמעט 5% של ייצור גז טבעי, והיא אחראית על 2% מאספקת האנרגיה עולמית הכוללת. ואז יש את CO2 בתהליך מייצרת; בעוד הרבה אלא נלכד ומכר כתוצר לוואי שימושי, ייצור אמוניה המיוצר משהו כמו 450 מיליון טון של CO2 ב 2010, או כ 1% של הפליטות הגלובליות. להוסיף את העובדה שמשהו כמו 50% של ייצור המזון תלויה באופן מלא אמוניה, ויש לך משמש מטרה נוחה decarbonization.

אחת דרכים לדפוק בר-בוש מעל דוכן האמוניה היא למנף תהליכים אלקטרוליטי. במקרה הפשוט ביותר, אלקטרוליזה יכול לשמש ליצירת חומרי גלם מימן ממים ולא מתאן. בעוד גז טבעי עדיין יהיה צורך סביר על מנת ליצור את בלחצים ובטמפרטורות דרוש לסינתזת אמוניה, זה היה לפחות לחסל מתאן כחומר גלם. ואם תא אלקטרוליטי יכול להיות מופעל על ידי ממקורות מתחדשים כמו רוח או שמש, כגון גישה היברידית יכולה ללכת דרך ארוכה כדי לנקות בר-בוש.

אבל כמה חוקרים בוחנים תהליך אלקטרוליטי לחלוטין שיגרום ייצור אמוניה הרבה יותר ירוק אפילו מאשר הגישה ההיברידית. בשנים האחרונות בעיתון, צוות מאוניברסיטת מונאש באוסטרליה מפרט תהליך אלקטרוליטי כי הכימיה שימושים דומה כי סוללות ליתיום לעשות אמוניה בצורה שונה לגמרי, אחד כי פוטנציאל מבטלת את רוב ההיבטים מלוכלך של הבר-בוש.

התהליך משתמש אלקטרוליט המכיל-ליתיום בתא אלקטרוכימי קטן; כאשר הנוכחית מוחל על התא, חנקן אטמוספרי המומסים קומביינים אלקטרוליט עם ליתיום לעשות ניטריד ליתיום (Li3N) על הקתודה של התא. ניטריד ליתיום נראה הרבה כמו אמוניה, עם שלושה אטומי ליתיום עומד בשלושת מימנים, ואת סוג של מעשים כמו פיגומים שעליו אמוניה לבנות. כל שנותר הוא להחליף את אטומי ליתיום עם מימן – הישג אמר יותר קל מאשר לעשות.

הסוד טמון תהליך סוג של כימיקלים בשם phosphonium, אשר חויב מולקולות חיוביות עם זרחן במרכז. המלח phosphonium בשימוש על ידי צוות מונאש הוכח כיעיל על נושאת פרוטונים מן האנודה של התא אל ניטריד ליתיום, אשר קיבלה ברצון את התרומה. אבל הם מצאו גם כי המולקולה phosphonium יכול לעבור את התהליך שוב, להרים פרוטון בבית אנודות ומסירתו ניטריד ליתיום על הקתודה. בדרך זו, כל שלושה אטומי ליתיום ב ניטריד ליתיום מוחלפים עם מימן, וכתוצאה מכך אמוניה הופק בטמפרטורת החדר ללא מתאן כחומר גלם. תהליך מונאש נראה מבטיח. במבחן 20 שעות ביממה בתנאי מעבדה, תא קטן המיוצר 53 nanomoles של אמוניה לשנייה עבור כול סנטימטר מרובע של פני האלקטרודה, ועשה את זה עם חשמל ביעילות של 69%.

אם השיטה יכולה להוכיח את זה יש הרבה יתרונות על פני הבר-בוש. ובראשם אלה הוא היעדר לחץ וטמפרטורה גבוהים, ואת העובדה שכל העניין יכול לרוץ באופן פוטנציאלי על דבר מלבד חשמל ממקורות מתחדשים. יש גם את האפשרות כי זה יכול להיות המפתח לייצור אמוניה קטן, מופץ; במקום להסתמך על מפעלי תעשייה כמה ריכוזי יחסית, ייצור אמוניה עלולה להיות מיניאטורי והביא קרוב יותר לנקודת שימוש.

יש הרבה משוכות להתגבר עם תהליך מונאש, כמובן. בהסתמך על lאיתום אלקטרוליטים בעולם שבו EVS ו התקנים אחרים מופעל סוללה כבר מתיחות את גבולות של מיצוי ליתיום נראה קלוש, ואת העובדה כי כריית ליתיום תלויה בכבדות בדלקים מאובנים, לפחות לעת עתה, להטה את הפוטנציאל הירוק של אלקטרוליטי אמוניה גם כן. ובכל זאת, זה פיתוח מרגש ואחד שרק עלול לשמור על העולם מוזן ו fueded ב מנקה, ירוק יותר.