Live am Boden eines Ozeans von Stickstoff Haber-Bosch und die Begrünung der Ammoniakproduktion

Wir hier auf der Erde. fast 80% der jedem Atemzug nehmen wir Stickstoff ist, und das Element ist ein wesentlicher Bestandteil der Bausteine des Lebens. Stickstoff ist entscheidend für das Rückgrat von Proteinen, die das Gerüst bilden, das Leben hängt an und katalysieren die unzähligen Reaktionen in unseren Zellen und die erforderlichen Informationen, um diese Biopolymere zu bauen in Nukleinsäuren, sich stickstoffreiche Moleküle codiert wird.

Und doch, in seinem reichlich vorhandenen gasförmig bleibt Stickstoff zu höheren Lebensformen direkt verfügbar ist, unusably inert und nicht reaktiv. Wir müssen unsere lebenswichtige Versorgung mit Stickstoff aus den wenigen Arten stehlen, die den biochemischen Trick des Drehens atmosphärischen Stickstoffs in reaktiven Verbindungen wie Ammoniak gelernt haben. Oder zumindest bis vor relativ kurze Zeit, wenn ein paar besonders geschickter Mitglieder unserer Spezies eine Art und Weise zu ziehen Stickstoff aus der Luft fand eine Kombination aus Chemie und Technik mit nun als Haber-Bosch-Verfahren bekannt.

Haber-Bosch hat wild erfolgreich, und dank der Kulturen befruchtet mit seinem Stickstoff Ausgang ist direkt verantwortlich für das Wachstum der Bevölkerung von einem Milliarde Menschen im Jahr 1900 auf fast acht Milliarden Menschen heute. voll 50% des Stickstoffs in Ihrem Körper jetzt kam wahrscheinlich aus einem Haber-Bosch-Reaktor irgendwo, so alles, was wir ganz wörtlich davon abhängen für unser Leben. Wie wunderbar wie Haber-Bosch ist, ist es allerdings nicht ohne Probleme, vor allem im Zeitalter der Vorräte der fossilen Brennstoffe schwinden benötigt, um sie auszuführen. Hier werden wir einen tiefen Einblick in Haber-Bosch nehmen, und wir werden auch einen Blick auf Möglichkeiten, um potenziell unsere Stickstofffixierung Industrie in der Zukunft dekarbonisieren.

Leicht zu finden, schwer zu bedienen

Es mußte ein besserer Weg sein. Guano Bergbau war einst eine der wenigen Quellen von Düngemitteln. Quelle: Mystic Seaport Museum
Das Herz des Stickstoff-Problem und der Grund, warum die Produktion von Ammoniak notwendig und so energieintensiv ist, ergibt sich aus der Natur des Elements selbst, insbesondere seine Neigung zur Bindung stark mit anderen seiner Art. Stickstoff hat drei ungepaarten Elektronen zum Bonden und die Dreifachbindung, dass die Ergebnisse in den zweiatomigen Stickstoff, die die meisten unserer Atmosphäre macht sehr schwierig ist, zu brechen.

Diese Dreifachbindungen sind, was gasförmigen Stickstoff macht so inert, aber es schafft auch ein Problem für die Organismen, die elementaren Stickstoff benötigen, um zu überleben. Die Natur hat eine Reihe von Kerben für dieses Problem, durch Stickstoff-fixierenden Verfahren gefunden, die Enzyme als Katalysatoren verwenden zweiatomige Stickstoff in Ammoniak oder andere stickstoffhaltigen Verbindungen zu überführen.

Stickstoff fixierenden Mikroorganismen macht Stickstoff bioverfügbar nach oben und unten in der Nahrungskette und für die meisten der menschlichen Geschichte waren natürliche Prozesse die einzige Methode zur Gewinnung des Stickstoffs, die für die Befruchtung von Kulturpflanzen. Abbau von Ablagerungen von Stickstoffverbindungen, wie beispielsweise Salpeter (Kaliumnitrat), oder in Form von Guano von Schlägern und Vogelkot, war einmal die primäre Quelle von Nitraten für Landwirtschaft und Industrie.

Aber solche Ablagerungen sind relativ selten und endlich in Ausmaß, zu dem Problem führt, sowohl in Bezug auf eine schnell wachsende Weltbevölkerung zu ernähren und sie mit den für einen benötigten Produkte Bereitstellung von lebendem erhöhten Standard. Dies führte Chemiker für Methoden zur Suche von den gewaltigen Reserven von Luftstickstoff in nutzbares Ammoniak drehen, am Ende des 19. Jahrhunderts beginnt. Zwar gibt es mehrere erfolgreiche Anwärter waren, wurde der deutsche Chemiker Fritz Haber Labor Demonstration Ammoniak aus der Luft machen die De-facto-Prozess; Einmal war es skaliert und von dem Chemiker und Ingenieure Carl Bosch Industrie wurde das Haber-Bosch-Verfahren geboren.

Unter Druck

Die einfache Chemie des Haber-Bosch-Verfahren trotz seiner Komplexität, vor allem, wenn sie bei Industriewaagen vorgenommen. Die Gesamtreaktion macht es scheint recht einfach – ein wenig Stickstoff, ein wenig Wasserstoff, und Sie haben Ammoniak bekam:

Aber das Problem liegt in der oben erwähnten Dreifachbindung in dem N2-Moleküle, sowie in dem Doppelpfeil in der Gleichung. Das bedeutet, dass kann die Reaktion in beiden Richtungen geht, und je nach Reaktionsbedingungen wie Druck und Temperatur, ist es eigentlich eher umgekehrt laufen in, mit Ammoniak zu Stickstoff und Wasserstoff zu zersetzen zurück. Fahren die Reaktion in Richtung der Produktion von Ammoniak ist der Trick, wie die Bereitstellung von Energie benötigt zweiatomigen Stickstoff in der Atmosphäre zu brechen. Der andere Trick bietet genug Wasserstoff, ein Element, das nicht besonders reichlich in unserer Atmosphäre ist.

Um all diese Ziele zu erreichen, setzt das Haber-Bosch-Verfahren auf Hitze und Druck – eine Menge von jedem. Der Prozess beginnt mit der Herstellung von Wasserstoff durch Dampfreformierung von Erdgas oder Methan:

Dampfreformierung erfolgt als kontinuierlichen Prozess, bei dem Erdgas und überhitztem Dampf gepumpt werden in eine Reaktionskammer, die Nickel-Katalysator. Der Ausgang des ersten Reformers Prozess ist weiterumgesetzt, um das Kohlenmonoxid und nicht umgesetztes Methan und geschrubbt irgendwelcher schwefelhaltiger Verbindungen und Kohlendioxid, bis nichts mehr bleibt, aber Stickstoff und Wasserstoff zu entfernen.

Die beiden Speisegase werden dann in eine dickwandigen Reaktionskammer in einem Verhältnis von drei Wasserstoffmolekülen an jedes Stickstoffmolekül gepumpt. Der Reaktorbehälter muß extrem robust sein, da die optimalen Bedingungen für die Reaktion vollständig ablaufen zu lassen sind eine Temperatur von 450 ° C und ein Druck von 300 mal atmosphärisch. Der Schlüssel für die Reaktion ist der Katalysator im Inneren des Reaktors, von denen die meisten auf pulverisiertem Eisen basieren. Der Katalysator kann den Stickstoff und Wasserstoff zu binden, in Ammoniak, die durch Kondensieren es in einen flüssigen Zustand entfernt wird.

Die praktische Sache über Haber-Bosch ist es, was Bosch an den Tisch gebracht: Skalierbarkeit. Ammoniak-Anlagen können massiv sein und werden oft co-located mit anderen chemischen Anlagen, dass die Verwendung von Ammoniak als Rohstoff für ihre Prozesse. etwa 80% des Ammoniaks von dem Haber-Bosch-Verfahren hergestellt wird, für landwirtschaftliche Zwecke bestimmt ist, entweder direkt auf den Boden als eine Flüssigkeit aufgebracht, oder bei der Herstellung von pelletiert Dünger. Ammoniak ist auch ein Bestandteil in Hunderten von anderen Produkten, von Sprengstoffen auf Textilien zu Farbstoffen, in Höhe von mehr als 230 Millionen Tonnen im Jahr 2018 weltweit produziert.

Schematische Darstellung des Haber-Bosch-Verfahren. Quelle: von Palma et al, CC-BY
Sauberere und grünere?

Zwischen der Verwendung von Methan als sowohl Rohstoffe und Brennstoff ist Haber-Bosch ein sehr schmutziger Prozess aus ökologischer Sicht. Weltweit Haber-Bosch verbraucht fast 5% der Erdgasproduktion und ist verantwortlich für etwa 2% der gesamten Weltenergieversorgung. Dann gibt es die CO2 Das Verfahren erzeugt; während eine Menge davon aufgenommen wird und als ein nützliches Nebenprodukt verkauft, produziert Ammoniakproduktion etwas wie 450 Millionen Tonnen CO2 im Jahr 2010 oder etwa 1% der gesamten weltweiten Emissionen. Fügen Sie in der Tatsache, dass so etwas wie 50% der Nahrungsmittelproduktion auf Ammoniak absolut abhängig ist, und Sie haben ein reifes Ziel für die Dekarbonisierung bekommen.

Eine Möglichkeit, zu klopfen Haber-Bosch aus dem Ammoniak-Sockel ist elektrolytische Prozesse zu nutzen. Im einfachsten Fall kann die Elektrolyse verwendet werden, um die Wasserstoffbeschickungsmaterial aus dem Wasser zu schaffen, anstatt Methan. Während Erdgas würde wahrscheinlich immer noch die Drücke und Temperaturen, die für die Ammoniaksynthese zu erzeugen, benötigt werden, dies würde zumindest Methan als Einsatzmaterial beseitigen. und wenn die elektrolytischen Zellen durch erneuerbare Quellen wie Wind oder Sonne, wie ein Hybrid-Ansatz könnte einen langen Weg, mit Strom versorgt werden könnten gehen Reinigung Haber-Bosch.

Aber einige Forscher suchen in einem vollständig elektrolytischen Prozess, die Ammoniakproduktion viel grüner als auch den Hybrid-Ansatz machen. In einer aktuellen Arbeit, Details ein Team von den Monash Universität in Australien einen elektrolytischen Prozess, dass Anwendungen Chemie ähnlich wie bei Lithium-Batterien Ammoniak in einer völlig anderen Art und Weise zu machen, eine, die potenziell die meisten der dreckigen Aspekte des Haber-Bosch eliminiert.

Das Verfahren verwendet einen lithiumhaltigen Elektrolyten in einer kleinen elektrochemischen Zelle; wenn ein Strom an der Zelle angelegt wird, Luftstickstoff in den Elektrolyten kombiniert mit Lithium gelöst, um Lithiumnitrid (Li 3 N) an der Kathode der Zelle zu machen. Lithiumnitrid sieht viel wie Ammoniak, wobei die drei Lithiumatome stehen in der drei Wasserstoffatome, und Art wirkt wie ein Gerüst, auf dem zu bauen Ammoniak. Was bleibt, ist die Lithiumatom mit Wasserstoff zu ersetzen – eine Leistung, leichter gesagt als getan.

Das Geheimnis des Verfahrens besteht in einer Klasse von Chemikalien, die als Phosphonium-, welche Moleküle mit Phosphor in der Mitte positiv geladen sind. Das Phosphoniumsalz der Monash Team verwendet erwiesen bei als wirksam Protonen von der Anode der Zelle an die Lithiumnitrid, die ohne weiteres akzeptiert die Spende trägt. aber sie fanden auch, dass das Phosphonium-Molekül wieder durch den Prozess gehen kann, einen Proton an den Anoden Aufnehmen und es den Lithiumnitrid an der Kathode zu liefern. Auf diese Weise können alle drei Lithiumatome in der Lithiumnitrid sind durch Wasserstoff ersetzt, in Ammoniak entstehende bei Raumtemperatur als Einsatzmaterial ohne Methan produziert. Der Monash Prozess erscheint vielversprechend. In einem 20-Stunden-Test unter Laborbedingungen, erzeugte eine kleine Zelle 53 Nanomol Ammoniak pro Sekunde für jeden Quadratzentimeter der Elektrodenoberfläche, und hat es mit einem elektrischen Wirkungsgrad von 69%.

Wenn die Methode beweist out kann, hat es eine Menge Vorteile gegenüber Haber-Bosch. Das Wichtigste davon ist das Fehlen von hohen Temperaturen und Drücken, und die Tatsache, dass das Ganze möglicherweise auf nichts anderes als Strom aus erneuerbaren Energien führen könnte. Es gibt auch die Möglichkeit, dass dies der Schlüssel zu kleineren, verteilten Ammoniakproduktion sein könnte; anstatt sich auf relativ wenige zentralisierte Industrieanlagen setzen, könnten die Ammoniakproduktion möglicherweise zum Zeitpunkt der Verwendung miniaturisierter und näher gebracht werden.

Es gibt viele Hürden mit dem Monash-Prozess zu überwinden, natürlich. die sich auf lIthiumelektrolyte in einer Welt, in denen EVS und andere batteriebetriebene Geräte bereits die Grenzen der Lithium-Extraktion erstrecken, erscheint zärtlich, und die Tatsache, dass Lithiumabbau stark von fossilen Brennstoffen abhängig ist, zumindest vorerst, dass das grüne Potenzial der Elektrolytime anlackiert Ammoniak auch. Trotzdem ist es eine aufregende Entwicklung und eine, die einfach die Welt füttern kann und in sauberer, grünerer Weise angeheizt und angeheizt wird.