Prehľad procesu Haber-Bosch

Haber-Bosch proces je proces, ktorý fixuje dusík vodíkom za vzniku amoniaku - rozhodujúcej časti pri výrobe rastlinných hnojív. Tento proces bol vyvinutý začiatkom 20. rokov 20. storočia spoločnosťou Fritz Haber a neskôr bol upravený na priemyselný proces výroby hnojív od spoločnosti Carl Bosch. Haber-Boschov proces je mnohými vedcami a vedcami považovaný za jeden z najdôležitejších technologických pokrokov 20. storočia.

Proces Haber-Bosch je nesmierne dôležitý, pretože to bol prvý z vyvinutých procesov, ktorý umožnil ľuďom hromadne vyrábať rastlinné hnojivá v dôsledku výroby amoniaku. Bol to tiež jeden z prvých priemyselných procesov vyvinutých na použitie vysokého tlaku na vytvorenie chemickej reakcie (Rae-Dupree, 2011). To umožnilo poľnohospodárom pestovať viac potravín, čo zase umožnilo poľnohospodárstvo podporovať väčšiu populáciu. Mnohí považujú Haber-Boschov proces za zodpovedný za súčasný Zem populačný výbuch ako „približne polovica bielkovín u dnešných ľudí pochádza z dusíka fixovaného pomocou procesu Haber-Bosch“ (Rae-Dupree, 2011).

V období do industrializácie ľudská populácia výrazne vzrástla, a preto bolo potrebné zvýšiť produkciu obilia a poľnohospodárstvo sa začalo v nových oblastiach, ako je Rusko, Amerika a Austrália (Morrison, 2001). Aby sa plodiny stali produktívnejšími v týchto a iných oblastiach, poľnohospodári začali hľadať spôsoby, ako pridať dusík do pôdy, a používanie hnoja a neskôr guanového a fosílneho dusičnanu rástlo.

Koncom 19. a začiatkom 20. storočia začali vedci, hlavne chemici, hľadať spôsoby, ako vyvinúť hnojivá umelým fixovaním dusíka, ako to robia strukoviny v koreňoch. 2. júla 1909 Fritz Haber vytvoril kontinuálny tok tekutého amoniaku z vodíka a dusíka plyny, ktoré boli privádzané do horúcej trubice pod tlakom železa cez katalyzátor z osmium kovu (Morrison, 2001). Bolo to prvýkrát, čo sa ktokoľvek mohol týmto spôsobom vyvíjať amoniak.

Neskôr, Carl Bosch, metalurg a inžinier, pracoval na zdokonalení tohto procesu syntézy amoniaku tak, aby mohol byť použitý v celosvetovom meradle. V roku 1912 sa v nemeckom Oppau začala výstavba závodu s komerčnou výrobnou kapacitou. Závod bol schopný vyrobiť tonu tekutého amoniaku za päť hodín a do roku 1914 závod produkoval 20 ton použiteľného dusíka za deň (Morrison, 2001).

So začiatkom prvá svetová vojna, výroba dusíka pre hnojivá v závode sa zastavila a výroba prešla na výrobu výbušnín na účely zákopových vojen. Druhá továreň sa neskôr otvorila v Sasku v Nemecku na podporu vojnového úsilia. Na konci vojny sa obe rastliny vrátili k výrobe hnojív.

Tento proces dnes funguje rovnako ako pôvodne pomocou extrémne vysokého tlaku na vynútenie chemickej reakcie. Účinkuje tak, že dusík zo vzduchu fixuje vodíkom zo zemného plynu na výrobu amoniaku (diagram). Proces musí používať vysoký tlak, pretože molekuly dusíka sú držané pohromade silnými trojitými väzbami. Pri spôsobe Haber-Bosch sa používa katalyzátor alebo nádoba vyrobená zo železa alebo ruténia s vnútornou teplotou vyššou 800 ° F (426 ° C) a tlak okolo 200 atmosfér, aby sa dusík a vodík spoločne prinútili (Rae-Dupree, 2011). Prvky sa potom presunú z katalyzátora do priemyselných reaktorov, kde sa tieto prvky nakoniec premenia na tekutý amoniak (Rae-Dupree, 2011). Kvapalný amoniak sa potom používa na výrobu hnojív.

V súčasnosti chemické hnojivá prispievajú k asi polovici dusíka privádzaného do svetového poľnohospodárstva a tento počet je vyšší v rozvinutých krajinách.

V súčasnosti sú miesta s najvyšším dopytom po týchto hnojivách aj miesta, kde svetová populácia rastie najrýchlejšie. Niektoré štúdie ukazujú, že „približne 80 percent celosvetového nárastu spotreby dusíkatých hnojív medzi rokmi 2000 a 2009 pochádzalo z Indie a Číny“ (Mingle, 2013).

Napriek nárastu v najväčších krajinách sveta sa od roku 2008 celosvetovo zvýšil veľký počet obyvateľov vývoj procesu Haber-Bosch ukazuje, aké dôležité to bolo pre zmeny v globálnom meradle populácia.

Súčasný proces fixácie dusíka tiež nie je celkom účinný a stráca sa veľké množstvo potom, čo je aplikovaný na polia kvôli odtoku, keď prší a prirodzené splyňovanie, keď sedí polí. Jeho tvorba je tiež extrémne energeticky náročná kvôli vysokému teplotnému tlaku potrebnému na prerušenie molekulárnych väzieb dusíka. Vedci v súčasnosti pracujú na vývoji efektívnejších spôsobov dokončenia procesu a vytvorenia ekologickejších spôsobov podpory svetového poľnohospodárstva a rastúcej populácie.