Oversigt over Haber-Bosch-processen

Det Haber-Bosch-processen er en proces, der fikserer nitrogen med brint til at producere ammoniak - en kritisk del i fremstillingen af ​​plantegødning. Processen blev udviklet i de tidlige 1900'ere af Fritz Haber og blev senere ændret til at blive en industriel proces til fremstilling af gødning af Carl Bosch. Haber-Bosch-processen betragtes af mange videnskabsfolk og lærde som en af ​​de vigtigste teknologiske fremskridt i det 20. århundrede.

Haber-Bosch-processen er ekstremt vigtig, fordi den var den første af de udviklede processer, der gjorde det muligt for folk at masseproducere plantegødning på grund af produktion af ammoniak. Det var også en af ​​de første industrielle processer, der blev udviklet til at bruge højt tryk til at skabe en kemisk reaktion (Rae-Dupree, 2011). Dette gjorde det muligt for landmænd at dyrke mere mad, hvilket igen gjorde det muligt for landbrug at støtte en større befolkning. Mange betragter Haber-Bosch-processen som ansvarlig for jordens strøm befolkningseksplosion

Efter perioden industrialisering den menneskelige befolkning var vokset betydeligt, og som et resultat var der behov for at øge kornproduktionen, og landbruget begyndte i nye områder som Rusland, Amerika og Australien (Morrison, 2001). For at gøre afgrøder mere produktive i disse og andre områder begyndte landmændene at lede efter måder at tilføje kvælstof til jorden, og brugen af ​​gødning og senere guano og fossil nitrat voksede.

I slutningen af ​​1800-tallet og begyndelsen af ​​1900'erne begyndte forskere, hovedsageligt kemikere, på udkig efter måder at udvikle gødning ved kunstigt at fikse kvælstof på, som bælgplanter gør i deres rødder. Den 2. juli 1909 producerede Fritz Haber en kontinuerlig strøm af flydende ammoniak fra brint og nitrogen gasser, der blev ført ind i et varmt, jernrør under tryk over en osmiummetalkatalysator (Morrison, 2001). Det var første gang nogen kunne udvikle ammoniak på denne måde.

Senere arbejdede Carl Bosch, en metallurg og ingeniør, for at perfektere denne proces med ammoniaksyntese, så den kunne bruges i hele verden. I 1912 begyndte opførelsen af ​​et anlæg med en kommerciel produktionskapacitet i Oppau, Tyskland. Anlægget var i stand til at producere et ton flydende ammoniak på fem timer, og i 1914 producerede anlægget 20 ton brugbart nitrogen om dagen (Morrison, 2001).

Med starten af Første verdenskrig, produktionen af ​​kvælstof til gødning ved anlægget stoppede, og fremstillingen skiftede til eksplosivstoffer til skyttegravskrig. En anden fabrik åbnede senere i Sachsen, Tyskland til støtte for krigsindsatsen. I slutningen af ​​krigen gik begge planter tilbage til produktion af gødning.

Processen fungerer i dag meget som den oprindeligt gjorde ved at bruge ekstremt højt tryk til at tvinge en kemisk reaktion. Det fungerer ved at fikse nitrogen fra luften med brint fra naturgas til at producere ammoniak (diagram). Processen skal bruge højt tryk, fordi nitrogenmolekyler holdes sammen med stærke tredobbeltbindinger. Haber-Bosch-processen bruger en katalysator eller beholder lavet af jern eller ruthenium med en indetemperatur på over 800 F (426 C) og et tryk på omkring 200 atmosfærer for at tvinge nitrogen og brint sammen (Rae-Dupree, 2011). Elementerne bevæger sig derefter ud af katalysatoren og ind i industrielle reaktorer, hvor elementerne til sidst omdannes til flydende ammoniak (Rae-Dupree, 2011). Den flydende ammoniak bruges derefter til at skabe gødning.

I dag bidrager kemisk gødning til omkring halvdelen af ​​det kvælstof, der sættes i det globale landbrug, og dette antal er højere i de udviklede lande.

I dag er de steder med størst efterspørgsel efter disse gødningsstoffer også de steder, hvor verdens befolkning vokser hurtigst. Nogle undersøgelser viser, at omkring "80 procent af den globale stigning i forbrug af kvælstofgødning mellem 2000 og 2009 kom fra Indien og Kina" (Mingle, 2013).

På trods af væksten i verdens største lande er den store befolkningstilvækst globalt siden udvikling af Haber-Bosch-processen viser, hvor vigtigt det har været for ændringer i det globale befolkning.

Den nuværende nitrogenfikseringsproces er heller ikke fuldstændig effektiv, og en stor mængde går tabt efter at den er påført marker på grund af afstrømning, når det regner og en naturlig gassing af, når den sidder i felter. Dens oprettelse er også ekstremt energikrævende på grund af det høje temperaturtryk, der er nødvendigt for at bryde nitrogen's molekylære bindinger. Forskere arbejder i øjeblikket med at udvikle mere effektive måder til at afslutte processen og skabe mere miljøvenlige måder, der understøtter verdens landbrug og voksende befolkning.