Επισκόπηση της διαδικασίας Haber-Bosch

ο Haber-Bosch είναι μια διαδικασία που καθορίζει άζωτο με υδρογόνο για την παραγωγή αμμωνίας - ένα κρίσιμο μέρος στην παραγωγή φυτικών λιπασμάτων. Η διαδικασία αναπτύχθηκε στις αρχές της δεκαετίας του 1900 από τον Fritz Haber και τροποποιήθηκε αργότερα για να γίνει μια βιομηχανική διαδικασία για την παραγωγή λιπασμάτων από τον Carl Bosch. Η διαδικασία Haber-Bosch θεωρείται από πολλούς επιστήμονες και επιστήμονες ως μία από τις σημαντικότερες τεχνολογικές εξελίξεις του 20ού αιώνα.

Η διαδικασία Haber-Bosch είναι εξαιρετικά σημαντική επειδή ήταν η πρώτη από τις διεργασίες που αναπτύχθηκαν που επέτρεψαν στους ανθρώπους να παράγουν μαζικά φυτικά λιπάσματα λόγω της παραγωγής αμμωνίας. Ήταν επίσης μια από τις πρώτες βιομηχανικές διεργασίες που αναπτύχθηκαν για να χρησιμοποιήσουν υψηλή πίεση για τη δημιουργία χημικής αντίδρασης (Ράι-Ντούπρε, 2011). Αυτό επέτρεψε στους αγρότες να καλλιεργούν περισσότερα τρόφιμα, πράγμα που με τη σειρά τους επέτρεψε γεωργία για την υποστήριξη ενός μεγαλύτερου πληθυσμού. Πολλοί θεωρούν ότι η διαδικασία Haber-Bosch είναι υπεύθυνη για το ρεύμα της Γης

Μέχρι την περίοδο εκβιομηχάνιση ο ανθρώπινος πληθυσμός είχε αυξηθεί σημαντικά και ως εκ τούτου υπήρξε ανάγκη να αυξηθεί η παραγωγή σιτηρών και η γεωργία ξεκίνησε σε νέους τομείς όπως η Ρωσία, η Αμερική και η Αυστραλία (Μόρισον, 2001). Προκειμένου να καταστούν οι καλλιέργειες πιο παραγωγικές σε αυτές και σε άλλες περιοχές, οι αγρότες άρχισαν να αναζητούν τρόπους για την προσθήκη αζώτου στο έδαφος και η χρήση κοπριάς και αργότερα γουανό και νιτρικών ορυκτών αυξήθηκε.

Στα τέλη της δεκαετίας του 1800 και στις αρχές του 1900, οι επιστήμονες, κυρίως οι χημικοί, άρχισαν να αναζητούν τρόπους ανάπτυξης των λιπασμάτων με τεχνητό σχηματισμό αζώτου με τον τρόπο που παράγουν τα όσπρια στις ρίζες τους. Στις 2 Ιουλίου 1909 ο Fritz Haber παρήγαγε συνεχή ροή υγρής αμμωνίας από υδρογόνο και άζωτο τα αέρια που τροφοδοτήθηκαν σε ένα ζεστό, υπό πίεση σωλήνα σιδήρου πάνω από έναν καταλύτη μεταλλικού οσμίου (Morrison, 2001). Ήταν η πρώτη φορά που όλοι μπορούσαν να αναπτύξουν αμμωνία με αυτόν τον τρόπο.

Αργότερα, ο Carl Bosch, μεταλλουργός και μηχανικός, εργάστηκε για να τελειοποιήσει αυτή τη διαδικασία σύνθεσης αμμωνίας έτσι ώστε να μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε παγκόσμια κλίμακα. Το 1912 ξεκίνησε η κατασκευή ενός εργοστασίου με εμπορική παραγωγική ικανότητα στο Oppau της Γερμανίας. Το εργοστάσιο ήταν ικανό να παράγει έναν τόνο υγρής αμμωνίας σε πέντε ώρες και μέχρι το 1914 το εργοστάσιο παρήγαγε 20 τόνους χρησιμοποιήσιμου αζώτου την ημέρα (Morrison, 2001).

Με την έναρξη του Πρώτος Παγκόσμιος Πόλεμος, η παραγωγή αζώτου για τα λιπάσματα στο εργοστάσιο σταμάτησε και η παραγωγή μετατράπηκε σε εκείνη των εκρηκτικών για τον πόλεμο των τάφρων. Ένα δεύτερο εργοστάσιο άνοιξε αργότερα στη Σαξονία της Γερμανίας για να υποστηρίξει την πολεμική προσπάθεια. Στο τέλος του πολέμου και τα δύο φυτά επέστρεψαν στην παραγωγή λιπασμάτων.

Η διαδικασία δουλεύει σήμερα πολύ όπως την έκανε αρχικά χρησιμοποιώντας εξαιρετικά υψηλή πίεση για να αναγκάσει μια χημική αντίδραση. Λειτουργεί με τον καθορισμό αζώτου από τον αέρα με υδρογόνο από φυσικό αέριο για την παραγωγή αμμωνίας (διάγραμμα). Η διαδικασία πρέπει να χρησιμοποιεί υψηλή πίεση επειδή τα μόρια του αζώτου διατηρούνται μαζί με τους ισχυρούς τριπλούς δεσμούς. Η διαδικασία Haber-Bosch χρησιμοποιεί καταλύτη ή περιέκτη κατασκευασμένο από σίδηρο ή ρουθήνιο με εσωτερική θερμοκρασία άνωθεν 800 F (426 C) και μια πίεση περίπου 200 ατμοσφαιρών για να εξαναγκάσει το άζωτο και το υδρογόνο μαζί (Rae-Dupree, 2011). Στη συνέχεια τα στοιχεία μετακινούνται έξω από τον καταλύτη και σε βιομηχανικούς αντιδραστήρες, όπου τα στοιχεία τελικά μετατρέπονται σε υγρή αμμωνία (Rae-Dupree, 2011). Η υγρή αμμωνία στη συνέχεια χρησιμοποιείται για τη δημιουργία λιπασμάτων.

Σήμερα, τα χημικά λιπάσματα συμβάλλουν στο περίπου το ήμισυ του αζώτου που εισέρχεται στην παγκόσμια γεωργία, και ο αριθμός αυτός είναι υψηλότερος στις ανεπτυγμένες χώρες.

Σήμερα, οι τόποι με τη μεγαλύτερη ζήτηση για αυτά τα λιπάσματα είναι επίσης οι τόποι όπου η παγκόσμιο πληθυσμό αυξάνεται το ταχύτερο. Μερικές μελέτες δείχνουν ότι περίπου το 80% της παγκόσμιας αύξησης της κατανάλωσης αζωτούχων λιπασμάτων μεταξύ 2000 και 2009 προήλθε από την Ινδία και την Κίνα (Σμίγω, 2013).

Παρά την αύξηση στις μεγαλύτερες χώρες του κόσμου, η μεγάλη αύξηση του πληθυσμού παγκοσμίως από την εποχή του ανάπτυξη της διαδικασίας Haber-Bosch δείχνει πόσο σημαντικό είναι στις αλλαγές σε παγκόσμιο επίπεδο πληθυσμός.

Η τρέχουσα διαδικασία σταθεροποίησης του αζώτου δεν είναι επίσης απολύτως αποδοτική και χάνονται μεγάλες ποσότητες αφού εφαρμόζεται σε πεδία που οφείλονται σε απορροή όταν βρέχει και φυσικό αέριο εξατμίζεται καθώς βρίσκεται πεδία. Η δημιουργία του είναι επίσης εξαιρετικά εντατική λόγω της υψηλής θερμοκρασίας που απαιτείται για να σπάσει τους μοριακούς δεσμούς του αζώτου. Οι επιστήμονες εργάζονται επί του παρόντος για να αναπτύξουν πιο αποτελεσματικούς τρόπους για να ολοκληρώσουν τη διαδικασία και να δημιουργήσουν πιο φιλικούς προς το περιβάλλον τρόπους υποστήριξης της παγκόσμιας γεωργίας και του αυξανόμενου πληθυσμού.