„Haber-Bosch“ proceso apžvalga

„Haber-Bosch“ procesas yra procesas, kurio metu azotas pritvirtinamas vandeniliu, kad būtų gaunamas amoniakas - kritinė augalų trąšų gamybos dalis. Šį procesą 1900-ųjų pradžioje sukūrė Fritz Haber, vėliau jis buvo modifikuotas, kad taptų pramoniniu trąšų gamybos procesu, kurį pateikė Carl Bosch. Daugelis mokslininkų ir mokslininkų Haber-Bosch procesą laiko vienu iš svarbiausių XX amžiaus technologinių pasiekimų.

Haber-Bosch procesas yra nepaprastai svarbus, nes jis buvo pirmasis iš sukurtų procesų, leidžiančių žmonėms masiškai gaminti augalų trąšas dėl amoniako gamybos. Tai taip pat buvo vienas iš pirmųjų pramoninių procesų, sukurtų panaudojant aukštą slėgį cheminei reakcijai sukurti (Rae-Dupree, 2011). Tai leido ūkininkams užauginti daugiau maisto, o tai savo ruožtu sudarė sąlygas Žemdirbystė paremti didesnį gyventojų skaičių. Daugelis mano, kad Haber-Bosch procesas yra atsakingas už Žemės srovę gyventojų sprogimas kadangi „maždaug pusė baltymų šiuolaikiniams žmonėms atsirado iš azoto, fiksuoto Haber-Bosch proceso metu“ (Rae-Dupree, 2011).

Laikotarpiu iki industrializacija žmonių populiacija labai išaugo, todėl reikėjo padidinti grūdų gamybą, o žemės ūkis pradėtas tokiose naujose srityse kaip Rusija, Amerika ir Australija (Morrisonas, 2001). Siekdami, kad pasėliai būtų produktyvesni šiuose ir kituose plotuose, ūkininkai pradėjo ieškoti būdų, kaip į dirvą įpilti azoto, todėl augo mėšlas, vėliau - guano ir iškastinis nitratas.

1800 m. Pabaigoje ir 1900 m. Pradžioje mokslininkai, daugiausia chemikai, pradėjo ieškoti būdų, kaip sukurti trąšas, dirbtinai pritvirtindami azotą taip, kaip ankštiniai augalai daro šaknis. 1909 m. Liepos 2 d. Fritz Haber gamino nenutrūkstamą skysto amoniako srautą iš vandenilio ir azoto dujos, kurios buvo paduodamos į karštą, suslėgtą geležies vamzdį per osmio metalo katalizatorių (Morrison, 2001). Tai buvo pirmas kartas, kai kas nors tokiu būdu sugebėjo sukurti amoniaką.

Vėliau metalo chirurgas ir inžinierius Carlas Boschas stengėsi patobulinti šį amoniako sintezės procesą, kad jis galėtų būti naudojamas visame pasaulyje. 1912 m. Oppau mieste, Vokietijoje, pradėta gamyklos, turinčios komercinius gamybos pajėgumus, statyba. Augalas per penkias valandas sugebėjo pagaminti toną skysto amoniako, o iki 1914 m. Įmonė per dieną pagamindavo 20 tonų tinkamo azoto (Morrison, 2001).

Prasidėjus Pirmasis Pasaulinis Karas, azoto gamyba trąšoms gamykloje buvo sustabdyta, o gamyba buvo pakeista į sprogmenų, skirtų tranšėjos karui, gamybą. Antroji gamykla vėliau buvo atidaryta Saksonijoje, Vokietijoje, kad paremtų karo pastangas. Karo pabaigoje abu augalai vėl pradėjo gaminti trąšas.

Šiandien procesas veikia panašiai kaip iš pradžių, naudojant ypač aukštą slėgį cheminei reakcijai sukelti. Jis veikia pritvirtindamas azotą iš oro vandeniliu iš gamtinių dujų, kad susidarytų amoniakas (schema). Proceso metu turi būti naudojamas aukštas slėgis, nes azoto molekulės yra laikomos kartu su stipriais trigubaisiais ryšiais. Haber-Bosch procese naudojamas katalizatorius arba indas, pagamintas iš geležies arba rutenio, kurio vidaus temperatūra yra aukštesnė 800 F (426 C) ir maždaug 200 atmosferų slėgis, kad kartu veiktų azotas ir vandenilis (Rae-Dupree, 2011). Tada elementai išeina iš katalizatoriaus į pramoninius reaktorius, kur elementai galiausiai virsta skystu amoniaku (Rae-Dupree, 2011). Tada skystas amoniakas naudojamas trąšoms gaminti.

Šiandien cheminės trąšos sudaro apie pusę azoto, patenkančio į pasaulinį žemės ūkį, o išsivysčiusiose šalyse šis skaičius didesnis.

Šiandien daugiausiai šių trąšų reikalaujančiose vietose yra pasaulio gyventojų sparčiausiai auga. Kai kurie tyrimai rodo, kad „apie 80 procentų viso azoto trąšų vartojimo padidėjimo 2000–2009 m. Sudarė Indija ir Kinija“ (Mingle, 2013).

Nepaisant augimo didžiausiose pasaulio šalyse, didelis gyventojų skaičiaus augimas visame pasaulyje nuo 2003 m Haber-Bosch proceso raida rodo, koks svarbus buvo pokytis pasaulyje gyventojų.

Dabartinis azoto fiksavimo procesas taip pat nėra visiškai efektyvus, prarandamas didelis jo kiekis po to, kai jis užpilamas laukuose dėl nuotėkio, kai lyja, ir natūralus dujos, kai jis patenka į vidų laukai. Dėl aukšto temperatūros slėgio, reikalingo azoto molekuliniams ryšiams suskaidyti, jo sukūrimas taip pat reikalauja daug energijos. Šiuo metu mokslininkai siekia sukurti veiksmingesnius proceso užbaigimo būdus ir sukurti ekologiškesnius būdus, kaip paremti pasaulio žemės ūkį ir augančius gyventojus.