Kami di bumi hidup di dasar lautan nitrogen. hampir 80% dari setiap napas yang kita ambil adalah nitrogen, dan elemen merupakan komponen penting dari blok bangunan kehidupan. Nitrogen sangat penting untuk tulang punggung protein yang membentuk perancah yang hang hidup dan yang mengkatalisis segudang reaksi dalam sel-sel kita, dan informasi yang dibutuhkan untuk membangun biopolimer ini dikodekan dalam asam nukleat, dirinya molekul kaya nitrogen.
Namun, dalam bentuk gas berlimpah, nitrogen tetap langsung tersedia untuk bentuk kehidupan yang lebih tinggi, unusably inert dan tidak reaktif. Kita harus mencuri pasokan vital kita nitrogen dari beberapa spesies yang telah belajar trik biokimia mengubah nitrogen atmosfer menjadi senyawa yang lebih reaktif seperti amonia. Atau setidaknya sampai relatif baru-baru, ketika beberapa anggota sangat cerdas dari spesies kita menemukan cara untuk nitrogen tarik dari udara menggunakan kombinasi kimia dan teknik sekarang dikenal sebagai proses Haber-Bosch.
Haber-Bosch telah sangat sukses, dan berkat tanaman dibuahi dengan output nitrogen-nya, secara langsung bertanggung jawab untuk pertumbuhan penduduk dari satu miliar orang pada tahun 1900 menjadi hampir delapan miliar orang saat ini. sepenuhnya 50% dari nitrogen dalam tubuh Anda sekarang mungkin berasal dari suatu tempat reaktor Haber-Bosch, jadi kita semua secara harfiah bergantung pada itu untuk hidup kita. Sebagai mukjizat sebagai Haber-Bosch adalah, meskipun, itu bukan tanpa masalah, terutama di usia ini berkurangnya pasokan bahan bakar fosil yang dibutuhkan untuk menjalankannya. Di sini, kita akan mengambil menyelam jauh ke dalam Haber-Bosch, dan kami juga akan melihat cara untuk berpotensi mengeluarkan zat arang industri fiksasi nitrogen kita di masa depan.
Mudah Cari, sulit untuk Gunakan
Harus ada cara yang lebih baik. Guano pertambangan dulunya salah satu dari beberapa sumber pupuk. Sumber: Mystic Seaport Museum
Inti dari masalah nitrogen, dan alasan mengapa produksi amonia adalah penting dan begitu boros energi, berasal dari sifat unsur itu sendiri, khususnya kecenderungan untuk obligasi kuat dengan orang lain dari jenisnya. Nitrogen memiliki tiga elektron yang tidak berpasangan tersedia untuk ikatan, dan ikatan rangkap tiga yang menghasilkan nitrogen diatomik yang membuat sebagian dari atmosfer kita sangat sulit untuk istirahat.
Obligasi tiga adalah apa yang membuat gas nitrogen sehingga inert, tetapi juga menciptakan masalah bagi organisme yang perlu nitrogen unsur untuk bertahan hidup. Alam telah menemukan sejumlah hacks untuk masalah itu, melalui proses nitrogen, yang menggunakan enzim sebagai katalis untuk mengkonversi nitrogen diatomik menjadi amonia atau senyawa nitrogen lainnya.
mikroorganisme pengikat nitrogen membuat nitrogen up bioavailable dan ke bawah rantai makanan, dan untuk sebagian besar sejarah manusia, proses alam adalah satu-satunya metode untuk memperoleh nitrogen yang diperlukan untuk pembuahan tanaman. Pertambangan deposito senyawa nitrogen, seperti sendawa (potasium nitrat) atau dalam bentuk guano dari kelelawar dan burung kotoran, pernah menjadi sumber utama nitrat untuk pertanian dan industri.
Tapi deposito tersebut relatif jarang dan terbatas luasnya, yang mengarah ke masalah baik dari segi makan populasi dunia berkembang pesat dan menyediakan mereka dengan produk yang dibutuhkan untuk peningkatan standar hidup. Hal ini menyebabkan kimiawan untuk mencari metode memutar cadangan besar nitrogen atmosfer menjadi amonia digunakan, dimulai pada akhir abad ke-19. Sementara ada beberapa pesaing yang sukses, demonstrasi laboratorium kimia Jerman Fritz Haber membuat amonia dari udara menjadi proses de facto; setelah itu ditingkatkan dan industri oleh ahli kimia dan insinyur Carl Bosch, proses Haber-Bosch lahir.
Di bawah tekanan
Kimia sederhana dari proses Haber-Bosch memungkiri kompleksitasnya, terutama ketika dilakukan pada skala industri. Reaksi keseluruhan membuatnya tampak cukup mudah – nitrogen, sedikit hidrogen sedikit, dan Anda punya amonia:
Namun masalah terletak pada ikatan rangkap tiga tersebut dalam molekul N2, serta dalam panah ganda berkepala dalam persamaan. berarti bahwa reaksi dapat berjalan dua arah, dan tergantung pada kondisi reaksi seperti tekanan dan suhu, itu sebenarnya lebih mungkin untuk menjalankan secara terbalik, dengan amonia membusuk kembali menjadi nitrogen dan hidrogen. Mengemudi reaksi terhadap produksi amonia adalah trik, seperti menyediakan energi yang dibutuhkan untuk memecah nitrogen diatomik di atmosfer. Trik lainnya adalah menyediakan cukup hidrogen, elemen yang tidak terlalu melimpah di atmosfer kita.
Untuk mencapai semua tujuan ini, proses Haber-Bosch bergantung pada panas dan tekanan – banyak masing-masing. Proses dimulai dengan produksi hidrogen dengan uap reformasi gas alam, atau metana:
Uap reformasi berlangsung sebagai proses yang berkesinambungan, di mana gas alam dan uap superheated dipompa ke dalam ruang reaksi yang mengandung katalis nikel. Output dari proses reformer pertama adalah lebih lanjutbereaksi untuk menghilangkan karbon monoksida dan metana yang tidak bereaksi dan menggosok dari setiap senyawa yang mengandung sulfur dan karbon dioksida, sampai tidak ada sisa-sisa tapi nitrogen dan hidrogen.
Kedua gas pakan kemudian dipompa ke dalam ruang reaksi berat berdinding dalam rasio tiga molekul hidrogen untuk setiap molekul nitrogen. Bejana reaktor harus sangat kokoh karena kondisi optimum untuk mendorong reaksi sampai selesai adalah suhu 450 ° C dan tekanan 300 kali atmosfer. Kunci untuk reaksi adalah katalis dalam reaktor, yang sebagian besar didasarkan pada besi bubuk. Katalis memungkinkan nitrogen dan hidrogen untuk mengikat menjadi amonia, yang dihapus oleh kondensasi ke keadaan cair.
Hal berguna tentang Haber-Bosch adalah apa Bosch dibawa ke meja: skalabilitas. pabrik amoniak dapat besar, dan sering co-terletak dengan pabrik kimia lain yang digunakan amonia sebagai bahan baku untuk proses mereka. sekitar 80% dari amonia yang dihasilkan oleh proses Haber-Bosch ditakdirkan untuk keperluan pertanian, baik diterapkan secara langsung ke tanah sebagai cairan, atau dalam pembuatan pupuk pelet. Amonia juga merupakan bahan dalam ratusan produk lainnya, dari bahan peledak untuk tekstil untuk pewarna, untuk lagu lebih dari 230 juta ton diproduksi di seluruh dunia pada tahun 2018.
Skema dari proses Haber-Bosch. Sumber: oleh Palma et al, CC-BY
Cleaner dan Greener?
Antara penggunaan metana baik sebagai bahan baku dan bahan bakar, Haber-Bosch adalah proses yang sangat kotor dari sudut pandang lingkungan. Di seluruh dunia, Haber-Bosch mengkonsumsi hampir 5% dari produksi gas alam, dan bertanggung jawab untuk sekitar 2% dari total pasokan energi dunia. kemudian ada CO2 proses menghasilkan; sementara banyak itu ditangkap dan dijual sebagai produk sampingan yang bermanfaat, produksi amoniak menghasilkan sesuatu seperti 450 juta ton CO2 pada tahun 2010, atau sekitar 1% dari total emisi global. menambahkan fakta bahwa sesuatu seperti 50% dari produksi makanan benar-benar tergantung pada amonia, dan Anda punya target matang untuk dekarbonisasi.
Salah satu cara untuk mengetuk Haber-Bosch off alas amonia adalah untuk meningkatkan proses elektrolisis. Dalam kasus yang paling sederhana, elektrolisis dapat digunakan untuk membuat bahan baku hidrogen dari air daripada metana. Sementara gas alam akan masih mungkin diperlukan untuk menghasilkan tekanan dan suhu yang diperlukan untuk sintesis amonia, ini setidaknya akan menghilangkan metana sebagai bahan baku. dan jika sel-sel elektrolitik dapat didukung oleh sumber-sumber terbarukan seperti angin atau matahari, seperti pendekatan hybrid bisa pergi jauh untuk membersihkan Haber-Bosch.
Tetapi beberapa peneliti melihat sebuah proses yang sepenuhnya elektrolit yang akan membuat produksi amoniak jauh lebih hijau daripada pendekatan hybrid. Dalam sebuah makalah yang baru-baru ini, sebuah tim dari Monash universitas di Australia Rincian proses elektrolisis yang menggunakan kimia mirip dengan yang di baterai lithium untuk membuat amonia dalam cara yang sama sekali berbeda, yang berpotensi menghilangkan sebagian besar aspek kotor dari Haber-Bosch.
Proses ini menggunakan elektrolit lithium yang mengandung sel elektrokimia kecil; ketika arus diterapkan ke sel, nitrogen atmosfer terlarut dalam menggabungkan elektrolit dengan lithium untuk membuat lithium nitrida (Li3N) pada katoda dari sel. nitrida Lithium terlihat banyak seperti amonia, dengan tiga atom lithium berdiri di untuk tiga hidrogen, dan semacam bertindak seperti perancah di atasnya untuk membangun amonia. Semua yang tetap adalah untuk menggantikan atom lithium dengan hidrogen – sebuah prestasi lebih mudah diucapkan daripada dilakukan.
Rahasia untuk kebohongan proses di kelas bahan kimia yang disebut fosfonium, yang bermuatan positif molekul dengan fosfor di pusat. garam fosfonium yang digunakan oleh tim Monash terbukti efektif membawa proton dari anoda dari sel ke nitrida lithium, yang mudah diterima donasi. tetapi mereka juga menemukan bahwa molekul fosfonium bisa pergi melalui proses lagi, mengambil sebuah proton pada anoda dan memberikan kepada lithium nitrida di katoda. Dengan cara ini, semua tiga atom lithium di lithium nitrida diganti dengan hidrogen, menghasilkan amonia yang dihasilkan pada suhu kamar tanpa metana sebagai bahan baku. Proses Monash muncul menjanjikan. Dalam tes 20 jam di bawah kondisi laboratorium, sebuah sel kecil menghasilkan 53 nanomol amonia per detik untuk setiap sentimeter persegi permukaan elektroda, dan melakukannya dengan efisiensi listrik 69%.
Jika metode dapat membuktikan keluar, ia memiliki banyak keunggulan dibandingkan Haber-Bosch. Kepala di antara ini adalah kurangnya suhu tinggi dan tekanan, dan fakta bahwa seluruh hal yang berpotensi berjalan pada apa-apa kecuali listrik terbarukan. Ada juga kemungkinan bahwa ini bisa menjadi kunci untuk lebih kecil, produksi amonia didistribusikan; daripada mengandalkan pada relatif sedikit tanaman industri terpusat, produksi amonia berpotensi miniatur dan membawa lebih dekat ke titik penggunaan.
Ada banyak rintangan untuk mengatasi dengan proses Monash, tentu saja. mengandalkan lElektrolit iThium di dunia di mana EVS dan perangkat bertenaga baterai lainnya sudah meregangkan batas ekstraksi lithium tampaknya lemah, dan fakta bahwa penambangan lithium sangat bergantung pada bahan bakar fosil, setidaknya untuk saat ini, menodai potensi hijau elektrolitik amonia juga. Namun, itu adalah perkembangan yang menarik dan satu yang mungkin membuat dunia memberi makan dan memicu dengan cara yang lebih bersih, lebih hijau.