vi her på jorden levende på bunnen av et hav av nitrogen. nesten 80% av hvert åndedrag vi tar er nitrogen, og elementet er en viktig del av byggesteinene i livet. Nitrogen er kritisk til ryggraden av proteiner som danner stillaset at livets henger på, og som katalyserer de utallige reaksjoner i cellene, og den informasjon som er nødvendig for å bygge disse biopolymerer er kodet i nukleinsyrer, selv nitrogenrike molekyler.
Og likevel, i sitt rike gassform, forblir nitrogen direkte utilgjengelige for høyere livsformer, unusably inert og ikke-reaktivt. Vi må stjele vår vital tilførsel av nitrogen fra de få artene som har lært den biokjemiske triks for å snu atmosfærisk nitrogen til mer reaktive forbindelser som ammoniakk. Eller i det minste inntil relativt nylig, da et par spesielt flinke medlemmer av våre arter funnet en måte å trekke nitrogen fra luften ved hjelp av en kombinasjon av kjemi og engineering nå kjent som Haber-Bosch prosessen.
Haber-Bosch har vært vilt vellykket, og takket være avlinger befruktede med sin nitrogen utgang, er direkte ansvarlig for voksende befolkningen fra en milliard mennesker i 1900 til nesten åtte milliarder mennesker i dag. fullt 50% av nitrogenet i kroppen din akkurat nå trolig kom fra en Haber-Bosch reaktor et sted, slik at vi alle bokstavelig talt avhengige av det for våre liv. Som mirakuløse som Haber-Bosch er, men det er ikke uten sine problemer, spesielt i denne alderen av minkende forsyninger av fossilt brensel som trengs for å kjøre den. Her vil vi ta et dypdykk inn Haber-Bosch, og vi vil også ta en titt på måter å potensielt decarbonize vår nitrogenfiksering industrien i fremtiden.
Lett å finne, vanskelig å bruke
Det måtte være en bedre måte. Guano gruvedrift var en gang en av de få kildene til gjødsel. Kilde: Mystic Seaport Museum
Hjertet av nitrogen problemet, og grunnen til fremstilling av ammoniakk er både nødvendig og så energikrevende, stammer fra arten av selve elementet, spesielt dets tendens til å binde seg sterkt med andre av sitt slag. Nitrogen har tre uparede elektroner som er tilgjengelige for binding, og trippelbindingen som resulterer i at diatomisk nitrogen som utgjør mesteparten av atmosfæren er meget vanskelig å bryte.
Disse trippelbindinger er det som gjør nitrogengass så inert, men det skaper også et problem for de organismene som trenger elementært nitrogen for å overleve. Naturen har funnet en rekke hacks til det problemet, ved nitrogenfikserende prosesser, som anvender enzymer som katalysatorer for å omdanne diatomisk nitrogen til ammoniakk eller andre nitrogenholdige forbindelser.
Nitrogenfikserende mikroorganismer gjøre nitrogen biotilgjengelig opp og ned i næringskjeden, og for de fleste av menneskehetens historie, naturlige prosesser var den eneste metode for erholdelse av nitrogen er nødvendig for befruktning av planter. Bryting av forekomster av nitrogenholdige forbindelser, slik som nitrat (kaliumnitrat) eller i form av guano fra flaggermus og fugleskitt, som en gang var den primære kilde til nitrater for jordbruk og industri.
Men slike innskudd er relativt sjeldne og begrenset i omfang, noe som fører til et problem både i form av å mate en raskt voksende verdensbefolkning og gi dem de produkter som trengs for en økt levestandard. Dette førte kjemikere for å søke etter fremgangsmåter for å dreie de enorme reserver av atmosfærisk nitrogen til brukbar ammoniakk, med start ved slutten av det 19. århundre. Mens det var flere vellykkede utfordrere, tysk kjemiker Fritz Haber laboratorium demonstrasjon for å gjøre ammoniakk fra luften ble de facto prosessen; når det ble skalert opp og industrialisert av kjemiker og ingeniør Carl Bosch, ble Haber-Bosch prosessen født.
Under press
Den enkle kjemien i Haber-Bosch prosessen står i motsetning til dens kompleksitet, spesielt når gjennomført på industriell skala. Totalreaksjonen gjør at det virker ganske enkel – et lite nitrogen, litt hydrogen, og du har ammoniakk:
Men problemet ligger i det forannevnte trippelbinding i N2-molekylet, så vel som i den dobbeltpilen i ligningen. Det betyr at reaksjonen kan gå begge veier, og avhengig av reaksjonsbetingelsene slik som trykk og temperatur, er det faktisk mer sannsynlig for å løpe i revers, med ammoniakk dekomponere tilbake til nitrogen og hydrogen. Kjøring av reaksjonen mot fremstilling av ammoniakk er triks, som leverer den energi som er nødvendig for å bryte ned diatomisk nitrogen i atmosfæren. Den andre kunsten er å tilveiebringe nok hydrogen, et element som ikke er særlig tallrike i atmosfæren.
For å oppnå alle disse målene, stoler Haber-Bosch-prosessen på varme og trykk – mye av hver. Prosessen starter med fremstilling av hydrogen ved dampreformering av naturgass eller metan;
Dampreformering foregår som en kontinuerlig prosess, hvor naturgass og overhetet damp blir pumpet inn i et reaksjonskammer inneholdende nikkelkatalysator. Utgangen fra den første reformeringsprosessen er ytterligerereagerte for å fjerne karbonmonoksyd og ureagert metan og skrubbet fra eventuelle svovelholdige forbindelser og karbondioksyd, inntil ikke noe igjen, men nitrogen og hydrogen.
De to mategassene blir deretter pumpet inn i et tykkvegget reaksjonskammeret i et forhold på tre hydrogenmolekyler til hvert nitrogen molekyl. Reaktorbeholderen må være svært robuste fordi de optimale betingelser for å drive reaksjonen til fullførelse er en temperatur på 450 ° C og et trykk på 300 ganger atmosfæretrykket. Nøkkelen til reaksjonen er katalysatoren inne i reaktoren, hvorav de fleste er basert på pulverformet jern. Katalysatoren som gjør det mulig for nitrogen og hydrogen for å binde til ammoniakk, som fjernes ved å kondensere det til væskeform.
Den praktiske ting om Haber-Bosch er det Bosch brakt til bordet: skalerbarhet. Ammoniakkanlegg kan være massiv, og blir ofte samlokalisert med andre kjemiske fabrikker som bruker ammoniakk som råmateriale for deres prosesser. omtrent 80% av den ammoniakk fremstilt ved Haber-Bosch-prosessen er bestemt for jordbruksanvendelser, enten påføres direkte på jordsmonnet som en væske, eller ved fremstilling av pelletert gjødsel. Ammoniakk er også en ingrediens i hundrevis av andre produkter, fra sprengstoff til tekstiler til fargestoffer, til melodi av over 230 millioner tonn produsert på verdensbasis i 2018.
Skjematisk av Haber-Bosch-prosessen. Kilde: ved Palma et al, CC-BY
Renere og grønnere?
Mellom bruk av metan som både råstoffet og brensel, er Haber-Bosch en meget skitten prosess fra et miljøsynspunkt. Worldwide, forbruker Haber-Bosch nesten 5% av gassproduksjon, og er ansvarlig for om lag 2% av verdens samlede energiforsyning. så er det CO2-prosessen produserer; mens mye av det er fanget og solgt som et nyttig biprodukt, ammoniakkproduksjon produsert noe sånt som 450 millioner tonn CO2 i 2010, eller om lag 1% av de totale globale utslippene. legge i det faktum at noe sånt som 50% av matproduksjonen er helt avhengig av ammoniakk, og du har en moden mål for avkarbonisering.
En måte å banke Haber-Bosch av ammoniakken pidestallen er å utnytte elektrolytiske prosesser. I det enkleste tilfellet, kan elektrolyse brukes til å lage den hydrogenutgangsmaterialet fra vann i stedet for metan. Selv om naturgassen vil fremdeles sannsynligvis være nødvendig for å frembringe de trykk og temperaturer som er nødvendig for ammoniakksyntese, vil dette i det minste eliminere metan som et råmateriale. og hvis elektrolysecellene kan bli drevet av fornybare kilder som vind eller solenergi, kunne en slik hybrid tilnærming gå en lang vei for å rydde opp Haber-Bosch.
Men noen forskere ser på en helt elektrolytisk prosess som vil gjøre ammoniakkproduksjonen mye grønnere enn selv hybrid tilnærming. I en nyere artikkel, et team fra Monash University i Australia detaljer en elektrolytisk prosess som bruker kjemi lik som i litiumbatterier for å gjøre ammoniakk i en helt annen måte, en som potensielt eliminerer de fleste av de skitnere aspekter av Haber-Bosch.
Fremgangsmåten anvender en litiumholdig elektrolytt i en liten elektrokjemisk celle; Når strøm tilføres til cellen, atmosfærisk nitrogen oppløst i elektrolytt kombinerer med litium for å gjøre litium-nitrid (Li3N) ved katoden i cellen. Litium-nitrid ser mye som ammoniakk, med de tre litiumatomene står i for de tre hydrogenatomer, og liksom fungerer som et stillas ved å bygge ammoniakk. Alt som gjenstår er å erstatte litium-atomene med hydrogen – en prestasjon lettere sagt enn gjort.
Den hemmelige til de nevnte prosesser ligger i en klasse av kjemikalier som kalles fosfonium, som er positivt ladede molekyler med fosfor på senteret. Fosfoniumsaltet brukes av Monash lag viste seg å være effektiv ved gjennomføring protoner fra anoden i cellen til litium nitrid, som lett akseptert donasjon. men de har også funnet at den fosfonium-molekylet kan gå igjennom prosessen på nytt, plukke opp et proton ved anodene og levere den til den litium-nitrid ved katoden. På denne måten blir alle tre litiumatomer i den litium-nitrid erstattet med hydrogen, noe som resulterer i ammoniakk fremstilt ved romtemperatur uten metan som et råmateriale. Monash prosessen synes lovende. I en 20 timers test under laboratoriebetingelser, produserte en liten celle 53 nanomol ammoniakk pr sekund for hver kvadratcentimeter av elektrodeoverflate, og gjorde det med en elektrisk virkningsgrad på 69%.
Hvis metoden kan bevise ut, den har en rekke fordeler fremfor Haber-Bosch. Chief blant disse er mangelen på høye temperaturer og trykk, og det faktum at det hele kan potensielt kjøre på noe annet enn fornybar elektrisitet. Det er også mulighet for at dette kan være nøkkelen til mindre, distribuert ammoniakkproduksjon; heller enn å stole på relativt få sentralisert industrielle anlegg, kan ammoniakkproduksjon potensielt bli miniatyrisert og bringes nærmere til bruksstedet.
Det er mange hindringer å overvinne med Monash prosessen, selvfølgelig. stole på lithiumelektrolytter i en verden hvor EVS og andre batteridrevne enheter allerede strekker grensene for litiumutvinning virker tøffe, og det faktum at litiumvining er sterkt avhengig av fossile brensler, i hvert fall for tiden, tarnerer det grønne potensialet for elektrolytisk Ammoniak også. Likevel er det en spennende utvikling og en som bare kan holde verden matet og drevet i en renere, grønnere måte.