Katsaus Haber-Bosch-prosessiin

Haber-Bosch-prosessi on prosessi, joka kiinnittää typpeä vedyllä ammoniakin tuottamiseksi - kriittinen osa kasvilannoitteiden valmistuksessa. Fritz Haber kehitti prosessin 1900-luvun alkupuolella, ja sitä muutettiin myöhemmin teollisuusprosessiksi lannoitteiden valmistamiseksi Carl Boschilla. Monet tutkijat ja tutkijat pitävät Haber-Bosch-prosessia yhtenä 1900-luvun tärkeimmästä teknologisesta edistyksestä.

Haber-Bosch-prosessi on erittäin tärkeä, koska se oli ensimmäinen kehitetty prosessi, jonka avulla ihmiset saivat massatuotannon kasvilannoitteita ammoniakin tuotannon vuoksi. Se oli myös yksi ensimmäisistä teollisista prosesseista, joita kehitettiin käyttämään korkeapainetta kemiallisen reaktion aikaansaamiseksi (Rae-Dupree, 2011). Tämä antoi viljelijöille mahdollisuuden kasvattaa enemmän ruokaa, mikä puolestaan ​​mahdollisti maatalous tukea suurempaa väestöä. Monet katsovat, että Haber-Bosch-prosessi on vastuussa maan virtauksesta väestöräjähdys koska "suunnilleen puolet nykypäivän ihmisten proteiineista on peräisin typestä, joka on kiinnittynyt Haber-Bosch-prosessin kautta" (Rae-Dupree, 2011).

Vuoteen 2010 mennessä teollistuminen ihmisväestö oli kasvanut huomattavasti, ja seurauksena oli tarpeen lisätä viljatuotantoa, ja maatalous aloitettiin uusilla alueilla, kuten Venäjä, Amerikka ja Australia (Morrison, 2001). Viljelykasvien tuottavuuden lisäämiseksi näillä ja muilla alueilla viljelijät alkoivat etsiä tapoja lisätä typpeä maaperään, ja lannan, myöhemmin guanon ja fossiilisen nitraatin käyttö lisääntyi.

1800-luvun lopulla ja 1900-luvun alkupuolella tutkijat, pääasiassa kemistit, alkoivat etsiä tapoja kehittää lannoitteita kiinnittämällä keinotekoisesti typpeä tavalla, jolla palkokasvit tekevät juurissaan. Fritz Haber tuotti 2. heinäkuuta 1909 jatkuvan nestemäisen ammoniakin virtauksen vedystä ja typestä kaasut, jotka syötettiin kuumaan, paineistettuun rautaputkeen osmiummetallikatalyytin päällä (Morrison, 2001). Se oli ensimmäinen kerta, kun kuka tahansa pystyi kehittämään ammoniakkia tällä tavalla.

Myöhemmin metallurgi ja insinööri Carl Bosch työskenteli tämän ammoniakkisynteesin prosessin parantamiseksi, jotta sitä voitaisiin käyttää maailmanlaajuisesti. Vuonna 1912 Oppaussa, Saksassa, aloitettiin kaupallisen tuotantokapasiteetin omaavan tehtaan rakentaminen. Laitos pystyi tuottamaan tonnin nestemäistä ammoniakkia viidessä tunnissa ja vuoteen 1914 mennessä laitos tuotti 20 tonnia käyttökelpoista typpeä päivässä (Morrison, 2001).

Alkaen ensimmäinen maailmansota, typen tuotanto lannoitteille laitoksessa lopetettiin ja tuotanto siirrettiin räjähteiden tuotantoon kaivojen sodankäyttöön. Toinen tehdas avattiin myöhemmin Saksissa, Saksassa tukemaan sotatoimia. Sodan lopussa molemmat kasvit palasivat lannoitteiden tuotantoon.

Prosessi toimii tänään samalla tavalla kuin se alun perin teki käyttämällä erittäin korkeaa painetta pakottaakseen kemiallisen reaktion. Se toimii kiinnittämällä ilmasta typpeä vedyllä maakaasusta tuottamaan ammoniakkia (kaavio). Prosessissa on käytettävä korkeaa painetta, koska typpimolekyylit pidetään yhdessä vahvojen kolmoissidosten kanssa. Haber-Bosch-prosessissa käytetään raudasta tai ruteniumista valmistettua katalyyttiä tai säiliötä, joiden sisälämpötila on yli 800 F (426 C) ja noin 200 ilmakehän paine typen ja vedyn pakottamiseksi yhdessä (Rae-Dupree, 2011). Elementit siirtyvät sitten pois katalyytistä ja teollisiin reaktoreihin, joissa elementit muuttuvat lopulta nestemäiseksi ammoniakiksi (Rae-Dupree, 2011). Nestemäistä ammoniakkia käytetään sitten lannoitteiden luomiseen.

Nykyisin kemialliset lannoitteet muodostavat noin puolet globaaliin maatalouteen johdettavasta typestä, ja tämä määrä on korkeampi kehittyneissä maissa.

Nykyään paikkoja, joissa näitä lannoitteita on eniten kysyttyä, ovat myös paikat, joissa maailman väestöstä kasvaa nopeimmin. Jotkut tutkimukset osoittavat, että "noin 80 prosenttia typpilannoitteiden kulutuksen kasvusta vuosina 2000-2009 tuli Intiasta ja Kiinasta" ()Mingle, 2013).

Maailman suurimmissa maissa tapahtuneesta kasvusta huolimatta väestönkasvu on ollut suurta globaalisti vuoden 2003 jälkeen Haber-Bosch-prosessin kehitys osoittaa, kuinka tärkeätä se on ollut globaalien muutosten kannalta väestö.

Nykyinen typen kiinnitysprosessi ei myöskään ole täysin tehokas, ja suuri määrä menetetään sen jälkeen, kun se on levitetty kenttiin valumisajan vuoksi, kun sataa ja luonnollinen kaasu poistuu, kun se istuu kenttiä. Sen luominen on myös erittäin energiaintensiivistä johtuen korkeasta lämpötilapaineesta, joka tarvitaan typen molekyylisidosten hajottamiseksi. Tutkijat pyrkivät parhaillaan kehittämään tehokkaampia tapoja prosessin loppuun saattamiseksi ja luomaan ympäristöystävällisempiä tapoja tukea maailman maataloutta ja kasvavaa väestöä.