My tady na Zemi žijí na dně oceánu dusíku. téměř 80% z každého dechu bereme je dusík, a prvek je důležitou součástí stavebních kamenů života. Dusík je rozhodující pro páteř proteinů, které tvoří základní strukturu, která visí na život a které katalyzují nesčetné reakce v našich buňkách, a informace potřebné pro sestavení těchto biopolymerů je zakódována v nukleových kyselin, samotné bohaté dusíkem molekul.
A přesto, ve své bohaté plynné formě, dusíku zůstává přímo k dispozici na vyšších forem života, nepoužitelně inertní a nereaktivní. Musíme krást naše životně důležité dodávky dusíku z mála druhů, které se naučili biochemickou trik soustružení atmosférický dusík do více reaktivních látek, jako je čpavek. Nebo alespoň do relativně nedávné doby, kdy několik zvláště chytrých příslušníků našeho druhu našel způsob, jak vytáhnout dusík ze vzduchu pomocí kombinace chemie a strojírenství nyní známý jako proces Haber-Bosch.
Haber-Bosch byl divoce úspěšný, a to díky plodin oplodněných s dusíkaté výstupem je přímo zodpovědná za rostoucí populace z miliardy lidí v roce 1900 na téměř osm miliard lidí v dnešní době. Plně 50% dusíku ve vašem těle právě teď pravděpodobně pocházel z reaktoru někam Haber-Bosch, takže všichni doslova závisí na tom naše životy. Jako zázračný jak Haber-Bosch je, i když to není bez problémů, a to zejména v této době klesajícího zásoby fosilních paliv potřebných k jeho spuštění. Zde budeme zhluboka ponořit se do Haber-Bosch, a my také se podívat na způsoby, jak potenciálně decarbonize naši dusíku fixace průmysl v budoucnu.
Snadno najít, těžké použití
Tam musel být lepší způsob. Těžba Guano byl kdysi jedním z mála zdrojů hnojiv. Zdroj: Mystic Seaport Museum
Jádro problému dusíku, a proto je nezbytné a tak energeticky náročný na výrobu amoniaku, vyplývá z povahy samotného prvku, zejména jeho tendence k vazbě pevně s ostatními svého druhu. Dusík má tři nepárové elektrony jsou k dispozici pro vazbu a trojnou vazbu, která vede k diatomic dusík, který tvoří většinu naší atmosféře je velmi obtížné prolomit.
Tyto trojné vazby jsou tím, co plynného dusíku, takže inertní, ale také vytváří problém pro organismy, které potřebují elementární dusík, aby přežili. Příroda našel množství rozsekává tohoto problému, prostřednictvím procesů dusík upevnění, které používají enzymy jako katalyzátory pro konverzi diatomic dusíku na amoniak nebo jiné dusíkaté sloučeniny.
Dusíku, kterým se mikroorganismy, aby dusík biologicky dostupnou nahoru a dolů v potravinovém řetězci, a pro většinu z lidské historie, přírodních procesů byl jediný způsob získání dusíku nezbytné pro hnojení rostlin. Těžba vkladů dusíkatých sloučenin, jako ledek (dusičnan draselný), nebo ve formě guano z netopýra a ptačím trusem, byl jednou primární zdroj dusičnanů pro zemědělství a průmyslu.
Ale takové vklady jsou poměrně vzácné a omezené co do rozsahu, což vede k problému, a to jak pokud jde o krmení rychle rostoucí světovou populaci a poskytnout jim výrobky potřebné pro zvýšenou životní úroveň. To vedlo chemiky k hledání způsobů otáčení obrovské rezervy atmosférického dusíku na využitelnou amoniak, od konce 19. století. Zatímco tam bylo několik úspěšných uchazečů, německý chemik Fritz Haber laboratoř demonstrace tvorby amoniaku ze vzduchu se stal de facto proces; jakmile to bylo zvětšeno a průmyslové aplikace lékárnou a inženýrem Carl Bosch, proces Haber-Bosch se narodil.
Pod tlakem
Jednoduchý chemie procesu Haber-Bosch popírá jeho složitost, a to zejména jestliže k nim došlo u průmyslových vah. Celková reakce se jim zdá docela jednoduché – trochu dusíku, trochu vodíku a máte amoniak:
Ale problém spočívá ve výše uvedeném trojnou vazbu v molekule N2, jakož i v tom, že dvojitá šipka v rovnici. To znamená, že reakce se může pohybovat oběma směry, a v závislosti na reakčních podmínkách, jako je tlak a teplota, to je ve skutečnosti větší pravděpodobnost, že se v opačném, s amoniakem se rozkládá zpět do dusíku a vodíku. Řízení reakce směrem k výrobě čpavku je trik, jak je poskytuje energii potřebnou k rozbití diatomic dusíku v atmosféře. Druhý trik poskytuje dostatek vodíku, prvek, který není příliš hojné v naší atmosféře.
K dosažení všech těchto cílů, proces Haber-Bosch spoléhá na teplo a tlak – hodně každého z nich. Proces začíná s výrobou vodíku parou reformování zemního plynu nebo metanu:
Parní reformování probíhá jako kontinuální proces, kde zemní plyn a přehřátou páru jsou čerpány do reakční komory obsahující niklu jako katalyzátoru. Výstup prvního reformovacího procesu je dálereagoval na odstraňování oxidu uhelnatého a nezreagovaný metan a vymývané jakýchkoliv sirných sloučenin a oxidu uhličitého, dokud nezbývá než dusík a vodík.
Obě přívodní plyny se pak čerpá do silnostěnných reakční komoře v poměru tří molekul vodíku ke každé molekule dusíku. Nádoba reaktoru musí být velmi robustní, protože optimální podmínky pro řízení pro dokončení reakce je teplota 450 ° C a tlaku 300 krát atmosférický. Klíčem k reakce je katalyzátor uvnitř reaktoru, z nichž většina jsou založeny na práškového železa. Katalyzátor umožňuje dusík a vodík se vázat na amoniak, který se odstraní kondenzací do kapalného stavu.
Šikovná věc, o Haber-Bosch je to, co Bosch přinesl ke stolu: škálovatelnost. Amoniak rostliny mohou být masivní, a jsou často umístěn společně s jinými chemickými rostlin, které použití amoniaku jako suroviny pro jejich procesů. asi 80% z amoniaku vyrobeného procesem Haber-Bosch je určena pro zemědělské účely, a to buď přímo aplikován na půdu jako kapalina, nebo při výrobě Tabletová hnojiva. Amoniak je také součást stovky dalších produktů, od výbušnin textilu do barviv, ve výši více než 230 milionů tun vyprodukovaných na celém světě v roce 2018.
Schéma procesu Haber-Bosch. Zdroj: od Palma et al, CC-BY
Čistší a zelenější?
Mezi použití methanu jako jak vstupních surovin a paliv, Haber-Bosch je velmi špinavá proces z hlediska životního prostředí. Po celém světě, Haber-Bosch spotřebuje téměř 5% produkce zemního plynu, a je zodpovědný za asi 2% z celkových dodávek světové energie. pak je tu CO2 proces produkuje; zatímco mnoho z nich je zachycen a rozprodány jako užitečný vedlejší produkt, výroba čpavku produkoval něco jako 450 milionů tun CO2 v roce 2010, nebo kolem 1% celkových celosvětových emisí. přidat v tom, že něco jako 50% produkce potravin je zcela závislá na amoniak, a máte zralé cíl pro dekarbonizaci.
Jeden způsob, jak srazit Haber-Bosch off podstavci amoniaku je využít elektrolytických procesů. V nejjednodušším případě, elektrolýza může být použit pro vytvoření vodíku suroviny z vody, spíše než methan. I když zemní plyn by stále pravděpodobné, že bude zapotřebí ke generování tlaku a teploty potřebné pro syntézu amoniaku, by to alespoň eliminovat methanu jako suroviny. a v případě, že elektrolytické články mohly být napájeny z obnovitelných zdrojů, jako je vítr nebo solární energie, jako je hybridní přístup by mohl jít dlouhou cestu k vyčištění Haber-Bosch.
Ale někteří výzkumníci se díváte na úplně elektrolýzy, které umožní výrobu čpavku mnohem zelenější než i hybridní přístup. V nedávném článku, tým z Monash University v Austrálii Detaily elektrolytický proces, který používá chemie podobný tomu, který v lithiových bateriích, aby se čpavek ve zcela odlišným způsobem, ten, který potenciálně eliminuje většinu špinavější aspektů Haber-Bosch.
Tento proces používá elektrolyt, obsahující lithium v malém elektrochemický článek; je-li proud aplikovaný na buňku, atmosférického dusíku rozpustí v elektrolytu se spojí s lithiem, aby lithium nitrid (Li3N) na katodě buňky. Lithium nitrid vypadá jako amoniak, přičemž tři atomy lithia stojí za tři atomy vodíku, a tak nějak činů jako lešení, na kterém se dá stavět amoniaku. Zbývá nahradit atomy lithia s vodíkem – čin snadněji řekne, než udělá.
Tajemství procesu spočívá ve třídě látek zvaných fosfonium, které jsou pozitivně nabité molekuly fosforem ve středu. Fosfoniová sůl používá tým Monash ukázala jako účinná při provádění protony z anody buňky k nitridu lithia, které snadno přijal dar. ale také zjistili, že fosfoniové molekula mohla projít procesem znovu zvedl proton na anody a dodávat ji do nitridu lithia na katodě. Tímto způsobem se všechny tři atomy lithia v nitridu lithia se nahradí vodíkem, což vede k amoniaku vyrobené při teplotě místnosti, aniž by metanu v surovině. Proces Monash objeví slibné. V testu 20-hodinové za laboratorních podmínek, malobuněčný produkoval 53 nM amoniaku za sekundu na každý čtvereční centimetr povrchu elektrody, a to s elektrickým účinností 69%.
V případě, že metoda může ukázat ven, to má mnoho výhod oproti Haber-Bosch. Hlavním z nich je nedostatek vysokých teplot a tlaků, a skutečnost, že celá věc by mohly běžet na nic jiného, než elektřiny z obnovitelných zdrojů. Je tu také možnost, že by to mohlo být klíčem k menším, distribuované výrobu čpavku; spíše než se spoléhat na relativně málo centralizovaných průmyslových závodů, výroba amoniaku mohou být potenciálně miniaturizované a přiblížení k místu použití.
Existuje spousta překážek překonat v procesu Monash, samozřejmě. spoléhat na litrIthien elektrolyty ve světě, kde EDS a další zařízení napájená baterií již protahují limity extrakce lithia, se jeví jako jemné, a skutečnost, že těžba lithia je silně závislá na fosilních palivech, přinejmenším prozatím, staří zelený potenciál elektrolytického Amoniak také. Je to stále vzrušující vývoj a ten, který jen může udržet svět krmený a poháněn čistším, zelenějším způsobem.