мы здесь на земле живут на дне океана азота. Почти 80% каждого вздоха, которое мы берем, это азот, а элемент является жизненно важным компонентом строительных блоков жизни. Азот имеет решающее значение для позвоночника белков, которые образуют леса, что жизнь зависает и что катализирует множество реакций в наших клетках, и информация, необходимая для создания этих биополимеров, кодируется в нуклеиновых кислотах, самих азотных молекул.
И все же, в его обильной газообразной форме азот остается непосредственно недоступным для более высоких форм жизни, одновременно инертных и нереактивных. Мы должны украсть наше жизненное поставку азота из нескольких видов, которые изучили биохимический трюк превращения атмосферного азота в более реактивные соединения, такие как аммиак. Или, по крайней мере, до сравнительно недавно, когда пара особенно умных членов наших видов нашла способ вытащить азот из воздуха, используя комбинацию химии и машиностроения, которая теперь известна как процесс Bosch Haber.
Хабер-Бош был дико успешным, и благодаря культурам, оплодотворенным с его азотом, непосредственно ответственен за рост населения от миллиарда человек в 1900 году почти восемь миллиардов человек сегодня. Полностью 50% азота в вашем теле прямо сейчас, вероятно, пришли из реактора Bosch Haber-Bosch где-то, поэтому мы все вполне буквально зависят от этого для нашей жизни. Однако, как чудес, как галантер-босч, хотя это не без его проблем, особенно в этом возрасте сокращения поставок ископаемого топлива, необходимое для его запуска. Здесь мы возьмем глубокое погружение в галантерею, и мы также посмотрю на пути потенциально обеснаблять нашу фиксацию азота в будущем.
Легко найти, трудно использовать
Там было лучше. Горное добыча гуано когда-то было одним из немногих источников удобрений. Источник: Музей Мистического морского порта
Сердце проблемы азота и причина, по которой производство аммиака является необходимым, так и энергией, интенсивным, связанным с природой самого элемента, в частности, его тенденция сильно связаться с другими в своем роде. Азот имеет три непрорезанные электроны, доступные для склеивания, а тройную связь, которая приводит к диатомому азоту, что составляет большую часть нашей атмосферы, очень трудно сломать.
Эти тройные облигации – это то, что делает газообразный азот настолько инертной, но он также создает проблему для организмов, которые нуждаются в элементарном азоте для выживания. Природа нашла ряд взлома к этой проблеме через азотные процессы, которые используют ферменты в качестве катализаторов для преобразования диатомического азота в аммиак или другие азотные соединения.
Азот-фиксирующие микроорганизмы делают азот биодоступным вверх и вниз по пищевой цепи, и для большинства человеческой истории естественные процессы были единственным способом получения азота, необходимого для оплодотворения культур. Горное добыча месторождений азотных соединений, таких как соленый элемент (нитрат калия) или в виде гуано из летучей мыши и птицы, когда-то был первичным источником нитратов для сельского хозяйства и промышленности.
Но такие депозиты являются относительно редкими и конечными в значительной степени, что привело к проблеме как с точки зрения кормления быстро расширяющегося населения мира и предоставление им продуктов, необходимых для повышенного уровня жизни. Это светодиодные химики для поиска методов поворота обширных запасов атмосферного азота азота в пригодные для использования аммиака, начиная с конца 19 века. Хотя было несколько успешных претендентов, лабораторная демонстрационная демонстрация химика Германии Фриц Хабера о создании аммиака из воздуха, стала процессом де-факто; После того, как он был масштабирован и промышленно развин химиками и инженером Карлом Босмом, родился процесс галанщика-босха.
Под давлением
Простая химия механизма-босха-босха теряет свою сложность, особенно при проведении в промышленных масштабах. Общая реакция делает его совсем простым – немного азотом, маленьким водородным, и у вас есть аммиак:
Но проблема заключается в вышеупомянутой тройной связи в молекуле N2, а также в этой двуглавой стрелке в уравнении. Это означает, что реакция может проходить оба способами, так и в зависимости от условий реакции, таких как давление и температуру, это фактически, скорее всего, бегит в обратном порядке, причем аммиак разлагается обратно в азот и водород. Вождение реакции на производство аммиака является хитрость, как это обеспечивает энергию, необходимую для разрушения диатомического азота в атмосфере. Другой трюк обеспечивает достаточный водород, элемент, который не особенно обидно в нашей атмосфере.
Для достижения всех этих целей процесс Bosch Bosch полагается на тепло и давление – много каждого. Процесс начинается с производства водорода путем преобразования пара природного газа или метана:
Реформация пара происходит в виде непрерывного процесса, где природный газ и перегретый пар закачиваются в реакционную камеру, содержащую катализатор никеля. Выход первого процесса реформатора дополнительноотреагировал на удаление монооксида углерода и непрореагировавшего метан и вычистил любые сульфурсодержащие соединения и углекислым диоксидом, пока ничто не останется, а азот и водород.
Затем два корпуса подача затем перекачаны в реакционную камеру с тяжелой стеной в соотношении трех молекул водорода к каждой молекуле азота. Реакторное сосудное судно должно быть чрезвычайно прочным, поскольку оптимальные условия для привода реакции на завершение представляют собой температуру 450 ° С и давление в 300 раз в атмосфере. Ключом к реакции является катализатор внутри реактора, большинство из которых основаны на порошкообразном железе. Катализатор позволяет азоту и водород связывать в аммиак, который удаляется путем конденсирования его в жидкое состояние.
Удобная вещь о галантере-Bosch – это то, что Bosch принес в таблицу: масштабируемость. Растения аммиака могут быть массивными и часто являются совместно с другими химическими растениями, которые используют аммиак в качестве сырья для их процессов. Около 80% аммиака, полученного процессом Bosch Bosch, предназначена для сельскохозяйственного использования, либо применяется непосредственно в почву как жидкость, либо при изготовлении гранулированного удобрения. Аммиак также является ингредиентом сотен других продуктов, от взрывчатых веществ к тканям к красителям, до мелодии более 230 миллионов тонн, произведенных во всем мире в 2018 году.
Схема процесса галантерея-босха. Источник: Palma et al, cc-by
Очиститель и зеленее?
Между использованием метана как сырья, так и топлива, галантер-босч – очень грязный процесс с точки зрения окружающей среды. Worldwide, Boosch Haber-Bosch потребляет почти 5% добычи природного газа и несет ответственность за около 2% от общего объема мирового энергоснабжения. Тогда будет производит процесс CO2; Хотя многие из него захвачены и продаются как полезный побочный продукт, производство аммиака произвела что-то вроде 450 млн. Тонн СО2 в 2010 году, или около 1% от общего объема глобальных выбросов. Добавьте в тот факт, что что-то вроде 50% производства продуктов питания абсолютно зависит от аммиака, и у вас есть зрелая цель для декарбонизации.
Один из способов постукивать галантерейным галантереем с постаментом аммиака – использовать электролитические процессы. В простейшем случае электролиз может быть использован для создания водородного сырья из воды, а не метана. В то время как природный газ все равно, вероятно, потребуется для создания давлений и температур, необходимых для синтеза аммиака, это, по крайней мере, исключает метан в качестве сырья. И если электролитические клетки могут быть приведены в действие возобновляемыми источниками, такими как ветер или солнечный подход, такой гибридный подход может иметь большое значение для уборки галанщика-босха.
Но некоторые исследователи смотрят в полностью электролитический процесс, который сделает производство аммиака намного более зеленее, чем даже гибридный подход. В недавней статье команда из Университета Монаш в Австралии подробно описывает электролитический процесс, который использует химию, аналогичную тому, что в литиевых батареях, чтобы сделать аммиаком совершенно другим способом, тем, что потенциально устраняет большинство грязных аспектов галанщика-босха.
Процесс использует литийсодержащий электролит в небольшой электрохимической ячейке; Когда ток применяется к ячейке, атмосферный азот растворяется в электролите, сочетается с литием для изготовления нитрида лития (Li3n) на катоде клетки. Нитрид лития выглядит как аммиак, с тремя литиевыми атомами, стоящими в трех гидрогенах, и вроде актуальных актов, таких как леса, на которые создают аммиак. Все, что остается, состоит в том, чтобы заменить атомы лития водородом – легче сказал, чем сделано.
Секрет процесса заключается в классе химических веществ, называемых фосфонием, которые положительно заряженные молекулы с фосфором в центре. Сольфосфония, используемая команда монаш, оказалась эффективной при переносе протонов от анода клетки к нитриду лития, которое легко приняло пожертвование. Но они также обнаружили, что молекула фосфония снова может проходить процесс, поднимая протон на анодах и доставляя его в нитрид лития на катоде. Таким образом, все три атома лития в нитриде лития заменяются водородом, что приводит к аммиаку, полученному при комнатной температуре без метана в качестве сырья. Процесс монаш кажется многообещающим. В 20-часовом тесте в лабораторных условиях небольшая клетка выпускала 53 наномоля аммиака в секунду для каждого квадрата на сантиметр поверхности электрода, и сделала его с электрической эффективностью 69%.
Если метод может доказать, оно имеет много преимуществ по поводу галанбу-босха. Главный среди них – отсутствие высоких температур и давлений, и тот факт, что все это может потенциально бежать по поводу возобновляемого электричества. Есть также возможность того, что это может быть ключом к меньшим, распределенным аммиачным производством; Вместо того, чтобы полагаться на относительно немногие централизованные промышленные предприятия, производство аммиака может быть потенциально миниатюрным и привлечено ближе к точке использования.
Существует множество препятствий для преодоления с монашным процессом, конечно. полагаться на Л.Электролиты из итиота в мире, где EVS и другие устройства для питания от батареи уже растягивают пределы извлечения лития, кажется бессмысленным, и тот факт, что добыча лития сильно зависит от ископаемого топлива, по крайней мере, на время, заблуждает зеленый потенциал электролитики аммиак тоже. Тем не менее, это захватывающее развитие и тот, который просто может поддерживать мир, накопленный и подпитываться в более уборщиком, зеленее.
