OF YEŞİLLENDİRİLMESİNDE burada yeryüzünde Biz canlı bir azot okyanusun dibinde. Yaptığımız her nefes yaklaşık% 80 azot ve element yaşamın yapı bloklarının önemli bir bileşenidir. Azot hayat kapatır ve bu katalize eden hücrelerde sayısız reaksiyonlar ve bu biyopolimerlerin oluşturmak için gerekli bilgilerin nükleik asitler, kendileri azot bakımından zengin moleküllerin kodlanmış olduğu bir yapı iskelesi oluşturur proteinlerin omurgasına kritiktir.
Ama yine de, onun bol gaz formunda, azot, unusably atıl ve reaktif olmayan yüksek yaşam formları direkt olarak kullanılabilir kalır. Biz amonyak gibi daha reaktif bileşikler haline atmosferik azotu dönüm biyokimyasal hile öğrendim birkaç türlerden azot hayati kaynağını çalmak zorundadır. Ya da en azından nispeten yakın, bizim türünün özellikle akıllı elemanlarının üst iki Haber-Bosch-işlemi olarak bilinen kimya ve mühendislik bir kombinasyonu kullanılarak havadan çekme azot için bir yol bulmuş zaman kadar.
Haber-Bosch derece başarılı olmuştur ve onun azotlu çıkışı ile döllenmiş bitkileri sayesinde bugün neredeyse sekiz milyar kişiye 1900 yılında bir milyar kişiye artan nüfus için doğrudan sorumludur. Tamamen vücudunuzdaki nitrojen% 50’si şimdi muhtemelen bu yüzden hepimiz tam anlamıyla hayatımızın için buna bağlıdır, bir Haber-Bosch reaktör yere geldi. Haber-Bosch olarak mucizevi olduğu gibi olsa da, özellikle çalıştırmak için gerekli fosil yakıtların malzemeleri azalan bu çağda, onun sorunsuz değil. Burada, Haber-Bosch derinlemesine inceleyin alacağım ve biz de potansiyel olarak gelecekte azot fiksasyonu endüstrisini decarbonize yollarını bakmak gerekir.
Kolay Kullanım zor, bul
Daha iyi bir yol olmalıydı. Guano madenciliği gübrelerin birkaç kaynaklarından biri zamanlar oldu. Kaynak: Mystic Seaport Müzesi
Azot sorun, kalp, ve amonyak üretimi, gerekli ve böylece enerji yoğun hem elemanın kendisi tabiatından kaynaklanmaktadır nedeni, güçlü bir türünün diğer bağa özel olarak eğilimi. Azot atmosferin en oluşturan iki atomlu azot ile sonuçlanır kırmak için çok zor olduğu üç bağlantı için uygun çiftlenmemiş elektrona ve üçlü bağına sahiptir.
Bu üçlü bağlar böylece atıl gaz azot oluştursa da, ama aynı zamanda hayatta kalmak için element azot ihtiyacı organizmalar için bir sorun oluşturur. Doğa amonyak veya başka bir azot bileşiklerine atomlu azot dönüştürmek için katalizörler olarak enzimler kullanılabilir azot bağlayıcı süreçleri, bu soruna kesmek bir dizi bulmuştur.
Azot sabitleme mikroorganizmalar azot biyolojik olarak yukarı ve gıda zincirinde yapmak ve insan tarihinin çoğu için, doğal süreçler bitkileri döllenme için gerekli olan azot elde tek yöntem idi. Bu tür güherçile (potasyum nitrat) halinde ya da çubuk ve kuş dışkıları gübresi şeklinde azotlu bileşiklerin yataklarının Madencilik, tarım ve sanayi için nitrat birincil kaynak zamanlar.
Ama böyle mevduat hem hızla genişleyen dünya nüfusunu beslemek ve bir için gerekli ürünler sağlayarak açısından problemine yol açan, yaşam standardının ölçüde nispeten nadir ve sonlu arttı vardır. Bu 19. yüzyılın sonlarından başlayarak, kullanışlı amonyak içine atmosferik azot engin rezervlerini dönüm yöntemleri aramak için kimyager açtı. Birkaç başarılı adayları varken, havadan amonyak yapma Alman kimyager Fritz Haber’den laboratuvar gösteri fiili süreç oldu; o kadar ölçekli ve kimyacı ve mühendis Carl Bosch tarafından sanayileşmiş bir kez Haber-Bosch işlemi doğdu.
Baskı altında
Haber-Bosch-sürecinin basit kimya sanayi ölçekte yapılan, özellikle karmaşıklığını gizleyen. Genel reaksiyon oldukça basit görünüyor yapar – Biraz azot, az miktarda hidrojen ve amonyak var:
Ancak N2 molekülü yukarıda sözü edilen üçlü bağ problem yatıyor, hem de denklem bu çift başlı ok. Bu demektir ki, reaksiyon iki yöne gidebilir, ve aynı zamanda basınç ve ısı gibi reaksiyon koşullarına bağlı olarak, amonyak, nitrojen ve hidrojen geri ayrıştırılması ile, aslında daha çok ters çalışmasını var. amonyak üretimine doğru reaksiyonu, atmosferdeki atomlu azot kırmak için gereken enerjiyi sağlayan, hile. Diğer trick yeterli hidrojen, atmosferimizdeki özellikle bol olmayan bir eleman temin edilmektedir.
Her bir sürü – tüm bu hedeflere ulaşmak için, Haber-Bosch süreç ısı ve basınç kullanır. işlem, doğal gaz ya da metan buhar düzeltimi ile hidrojen üretimi başlar:
Buhar düzeltimi doğal gaz ve aşırı ısıtılmış buhar nikel katalizörü içeren bir reaksiyon bölmesine pompalanır sürekli bir işlem olarak gerçekleştirilir. İlk dönüştürücü işlemin çıkışı, birKarbon monoksit ve reaksiyona girmemiş metanları çıkarmak için reaksiyona girdi ve hiçbir şey kalmadı, azot ve hidrojen olmaya kadar herhangi bir kükürt içeren bileşik ve karbondioksitin temizlenmesi.
İki besleme gazı daha sonra her azot molekülüne üç hidrojen molekülünün bir oranında ağır duvarlı bir reaksiyon odasına pompalanır. Reaktör kabı son derece sağlam olmalıdır, çünkü reaksiyonun tamamlanmasına olan optimum koşullar 450 ° C sıcaklık ve bir basınç 300 kat atmosferiktir. Reaksiyonun anahtarı, çoğu pudralı demire dayanan reaktörün içindeki katalizördür. Katalizör, azot ve hidrojenin amonyağa bağlanmasına izin verir, bu da bir sıvı duruma yoğuşarak çıkarılır.
Haber-Bosch ile ilgili kullanışlı bir şey, Bosch’un masaya getirdiği şeydir: Ölçeklenebilirlik. Amonyak bitkileri büyük olabilir ve genellikle amonyak kullanan diğer kimyasal bitkilerle birlikte, işlemleri için besleme stoğu olarak bulunur. Haber-Bosch süreci tarafından üretilen amonyağın yaklaşık% 80’i, tarımsal kullanımlar için ya da doğrudan toprağa sıvı olarak uygulanan veya peletlenmiş gübre üretiminde yer almaktadır. Amonyak, patlayıcılardan tekstilden boyalara, 2018’de dünya çapında üretilen 230 milyon tondan fazla tonu olan yüzlerce diğer üründeki bir bileşendir.
Haber-Bosch sürecinin şeması. Kaynak: Palma ve ark, CC-by tarafından
Temizleyici ve daha yeşil?
Metan kullanımı arasında hem besleme stoğu hem de yakıt olarak, Haber-Bosch, çevre açısından çok kirli bir işlemdir. Dünya çapında, Haber-Bosch, doğal gaz üretiminin neredeyse% 5’ini tüketiyor ve toplam dünya enerji kaynağının yaklaşık% 2’sinden sorumludur. Sonra işlemin ürettiği CO2 var; Birçoğu faydalı bir yan ürün olarak ele geçirilir ve satılırken, amonyak üretimi 2010 yılında 450 milyon ton CO2 veya toplam küresel emisyonların yaklaşık% 1’ini üretti. Gıda üretiminin% 50’si gibi bir şeyin kesinlikle amonyağa bağımlı olduğu gerçeğini ekleyin ve dekarbonizasyon için olgun bir hedefiniz var.
Amonyak Kaidesi’nden Haber-Bosch’u vurmanın bir yolu, elektrolitik işlemlerden yararlanmaktır. En basit durumda, elektroliz, hidrojen besleme testini metan yerine sudan oluşturmak için kullanılabilir. Amonyak sentezi için gereken basınç ve sıcaklıkları oluşturmak için doğal gaz hala ihtiyaç duyulurken, bu en azından metani bir besleme stoğu olarak ortadan kaldırır. Ve elektrolitik hücreler rüzgar veya güneş gibi yenilenebilir kaynaklar tarafından güçlendirilebiliyorsa, böyle bir hibrit yaklaşım, Haber-Bosch’u temizlemek için uzun bir yol kat edebilir.
Ancak bazı araştırmacılar, amonyak üretimini hibrit yaklaşımdan bile daha yeşil hale getirecek olan tamamen elektrolitik bir sürece bakıyorlar. Yakın tarihli bir yazıda, Avustralya’daki Monash Üniversitesi’nden bir ekip, lityum pillerde, amonyakta, amonyakta, haber-Bosch’un daha kirli yönlerinin çoğunu potansiyel olarak ortadan kaldıran bir elektrolitik işlemi detaylandırır.
İşlem, küçük bir elektrokimyasal hücrede lityum içeren bir elektrolit kullanır; Akım, hücreye uygulandığında, elektrolitte çözünen atmosferik azot, hücrenin katotunda lityum nitrür (Li3n) yapmak için lityum ile birleşir. Lityum nitrür, üç hidrojen için duran üç lityum atomu ile amonyak gibi görünüyor ve amonyak inşa etmek için bir iskele gibi davranır. Kalan tek şey, lityum atomlarını hidrojenle değiştirmektir – bir feat daha kolay söylenir.
Sürecin sırrı, merkezde fosforlu pozitif bir moleküller olan fosfonyum adı verilen bir kimyasal sınıfta yatmaktadır. Monash ekibinin kullandığı fosfonyum tuzu, protonların hücrenin anotundan, bağışı kolayca kabul eden lityum nitridine taşımada etkili olduğunu kanıtladı. Ancak, fosfonyum molekülünün işlemden geçebileceğini, anotlarda bir proton toplayabilmesini ve katoddaki lityum nitridine teslim edebileceğini de buldular. Bu şekilde, lityum nitrüründeki üç lityum atomu, hidrojenle değiştirilir, sonuçta bir besleme stoğu olarak metan olmadan oda sıcaklığında üretilen amonyak ile sonuçlanır. Monash işlemi umut verici görünüyor. Laboratuar koşulları altında 20 saatlik bir testte, küçük bir hücre, elektrot yüzeyindeki her kare santimetre için saniyede 53 nanomol üretti ve% 69’luk bir elektrik verimliliği ile yaptım.
Yöntem kanıtlayabiliyorsa, Haber-Bosch üzerinden çok fazla avantaja sahiptir. Bunlar arasında Şef, yüksek sıcaklık ve basınçların olmaması ve her şeyin potansiyel olarak yenilenebilir elektrik dışında hiçbir şey üzerinde çalışabileceği gerçeğidir. Bunun daha küçük, dağıtılmış amonyak üretiminin anahtarı olabileceği olasılığı da var; Nispeten az merkezi bir sanayi bitkisine güvenmek yerine, amonyak üretimi potansiyel olarak minyatürleşebilir ve kullanım noktasına daha yakın getirilebilir.
Elbette, Monash işlemi ile üstesinden gelmek için çok sayıda engel var. l güvenmekEVS ve diğer pille çalışan cihazların zaten lityum çıkarma sınırlarını gerdikleri bir dünyadaki iityum elektrolitler ve lityum madenciliğinin ağır bir şekilde fosil yakıtlara bağımlı olduğu gerçeği, en azından zaman için, elektrolitiklerin yeşil potansiyelini kararır. Amonyak. Yine de, bu heyecan verici bir gelişme ve sadece dünyayı daha temiz, daha yeşil bir şekilde beslenip besleyebilecek bir kişi.