Haber-Bosch procesa pārskats

Haber-Bosch process ir process, kurā slāpeklis tiek fiksēts ar ūdeņradi, iegūstot amonjaku - kritisko daļu augu mēslošanas līdzekļu ražošanā. Šo procesu 1900. gadu sākumā izstrādāja Fritz Haber, un vēlāk to pārveidoja, lai kļūtu par rūpniecības procesu, lai ražotu Carl Bosch. Daudzi zinātnieki un zinātnieki Haber-Bosch procesu uzskata par vienu no vissvarīgākajiem tehnoloģiskajiem sasniegumiem 20. gadsimtā.

Haber-Bosch process ir ārkārtīgi svarīgs, jo tas bija pirmais no izstrādātajiem procesiem, kas ļāva cilvēkiem amonjaka ražošanas dēļ masveidā ražot augu mēslojumu. Tas bija arī viens no pirmajiem rūpniecības procesiem, kas tika izstrādāts, lai izmantotu augstu spiedienu, lai radītu ķīmisku reakciju (Rae-Dupree, 2011). Tas ļāva lauksaimniekiem audzēt vairāk pārtikas, kas, savukārt, ļāva lauksaimniecība atbalstīt lielāku iedzīvotāju skaitu. Daudzi uzskata, ka Haber-Bosch process ir atbildīgs par Zemes strāvu iedzīvotāju eksplozija kā "aptuveni puse no mūsdienu cilvēku olbaltumvielām radās ar slāpekli, kas fiksēts Hābera-Bosha procesā" (Rae-Dupree, 2011).

Gada periodam industrializācija cilvēku skaits bija ievērojami pieaudzis, un tā rezultātā bija jāpalielina graudkopība, un lauksaimniecība sākās tādos jaunos apgabalos kā Krievija, Amerika un Austrālija (Morisonu, 2001). Lai padarītu ražas produktīvākas šajās un citās teritorijās, lauksaimnieki sāka meklēt veidus, kā augsnē pievienot slāpekli, un mēslu, vēlāk guano un fosilā nitrāta izmantošana pieauga.

1800. gadu beigās un 1900. gadu sākumā zinātnieki, galvenokārt ķīmiķi, sāka meklēt veidus, kā attīstīt mēslojumu, mākslīgi fiksējot slāpekli tā, kā pākšaugi to saknēs. 1909. gada 2. jūlijā Fritz Haber ražoja nepārtrauktu šķidrā amonjaka plūsmu no ūdeņraža un slāpekļa gāzes, kas tika ievestas karstā, paaugstināta spiediena dzelzs caurulē virs osmija metāla katalizatora (Morrison, 2001). Tā bija pirmā reize, kad kāds varēja attīstīt amonjaku šādā veidā.

Vēlāk Karls Boscs, metalurgs un inženieris, strādāja, lai pilnveidotu šo amonjaka sintēzes procesu, lai to varētu izmantot pasaules mērogā. 1912. gadā Oppau, Vācijā, sāka rūpnīcas ar komerciālu ražošanas jaudu celtniecību. Iekārta piecās stundās spēja saražot tonnu šķidrā amonjaka, un līdz 1914. gadam iekārta saražoja 20 tonnas izmantojamā slāpekļa dienā (Morrison, 2001).

Sākot ar Pirmais pasaules karš, slāpekļa ražošana mēslošanas līdzekļiem rūpnīcā tika pārtraukta un ražošana tika mainīta uz sprāgstvielu ražošanu tranšeju karam. Otra rūpnīca vēlāk tika atvērta Saksijā, Vācijā, lai atbalstītu kara centienus. Kara beigās abi augi atkal sāka ražot mēslojumu.

Mūsdienās process darbojas līdzīgi kā sākotnēji, izmantojot ārkārtīgi augstu spiedienu, lai piespiestu ķīmisku reakciju. Tas darbojas, piestiprinot slāpekli no gaisa ar ūdeņradi no dabasgāzes, iegūstot amonjaku (diagramma). Procesā jāizmanto augsts spiediens, jo slāpekļa molekulas tiek turētas kopā ar spēcīgām trīskāršām saitēm. Haber-Bosch procesā tiek izmantots katalizators vai konteiners, kas izgatavots no dzelzs vai rutēnija un kura iekšējā temperatūra ir augstāka 800 F (426 C) un spiediens aptuveni 200 atmosfēras, lai kopā piespiestu slāpekli un ūdeņradi (Rae-Dupree, 2011). Pēc tam elementi izkļūst no katalizatora un nonāk rūpnieciskajos reaktoros, kur elementi galu galā tiek pārveidoti šķidrā amonjakā (Rae-Dupree, 2011). Pēc tam šķidro amonjaku izmanto mēslošanas līdzekļu radīšanai.

Mūsdienās ķīmiskie mēslošanas līdzekļi veido apmēram pusi no slāpekļa, kas nonāk globālajā lauksaimniecībā, un šis skaits ir lielāks attīstītajās valstīs.

Mūsdienās tās vietas, kurās ir vislielākais pieprasījums pēc šiem mēslošanas līdzekļiem, ir arī vietas, kur pasaules iedzīvotāju aug visstraujāk. Daži pētījumi liecina, ka aptuveni 80 procenti no slāpekļa mēslojuma patēriņa pieauguma visā pasaulē laikposmā no 2000. līdz 2009. gadam nāca no Indijas un Ķīnas ()Mingle, 2013).

Neskatoties uz pieaugumu pasaules lielākajās valstīs, lielais iedzīvotāju skaita pieaugums visā pasaulē kopš Haber-Bosch procesa attīstība parāda, cik nozīmīgas tam ir bijušas pārmaiņas globālā mērogā populācija.

Arī pašreizējais slāpekļa fiksācijas process nav pilnībā efektīvs, un tiek zaudēts liels daudzums pēc tam, kad tas tiek piemērots laukiem noteces dēļ, kad līst lietus, un dabiska gāze izdalās, kad tā nokļūst lauki. Tā radīšana ir arī ārkārtīgi energoietilpīga, pateicoties augstam temperatūras spiedienam, kas vajadzīgs slāpekļa molekulāro saišu sašķelšanai. Zinātnieki šobrīd strādā, lai izstrādātu efektīvākus procesa pabeigšanas veidus un radītu videi draudzīgākus veidus, kā atbalstīt pasaules lauksaimniecību un pieaugošo iedzīvotāju skaitu.