Siamo qui sulla terra dal vivo in fondo a un oceano di azoto. quasi il 80% di ogni respiro è azoto, e l’elemento è un elemento essenziale dei mattoni della vita. L’azoto è fondamentale per la spina dorsale di proteine che formano l’impalcatura che si blocca di vita sul e che catalizzano la miriade di reazioni nelle nostre cellule, e le informazioni necessarie per costruire questi biopolimeri è codificato in acidi nucleici, molecole stessi ricchi di azoto.
Eppure, nella sua forma gassosa abbondante, azoto rimane direttamente disponibile per forme di vita superiori, unusably inerte e non reattivo. Dobbiamo rubare la nostra fornitura vitale di azoto dalle poche specie che hanno imparato il trucco biochimico di trasformare l’azoto atmosferico in composti più reattivi, come l’ammoniaca. O almeno fino a tempi relativamente recenti, quando un paio di membri particolarmente intelligente della nostra specie ha trovato un modo per tirare l’azoto dall’aria utilizzando una combinazione di chimica e ingegneria ora conosciuto come il processo Haber-Bosch.
Haber-Bosch è stato un grande successo, e grazie alle colture fertilizzate con la sua uscita azotati, è direttamente responsabile della crescita della popolazione da un miliardo di persone nel 1900 a quasi otto miliardi di persone oggi. pienamente il 50% dell’azoto nel vostro corpo in questo momento probabilmente proveniva da un reattore da qualche parte Haber-Bosch, così noi tutti dipendiamo letteralmente su di esso per la nostra vita. Per quanto miracolosa come Haber-Bosch è, però, non è privo di problemi, specialmente in questa epoca di diminuzione delle scorte di combustibili fossili necessari per eseguirlo. Qui, prenderemo un profondo tuffo nel Haber-Bosch, e ci sarà anche uno sguardo a modi per decarbonizzare potenzialmente la nostra industria fissazione dell’azoto in futuro.
Facile da trovare, difficile da usare
Ci doveva essere un modo migliore. Guano mineraria un tempo era una delle poche fonti di fertilizzanti. Fonte: Mystic Seaport Museum
Il cuore del problema azoto, e la ragione per cui è necessario e quindi intensità energetica la produzione di ammoniaca, deriva dalla natura dell’elemento stesso, in particolare la sua tendenza a legame fortemente con altri del suo genere. Azoto ha tre elettroni spaiati disponibili per incollaggio, e il triplo legame che provoca l’azoto biatomico che costituisce la maggior parte della nostra atmosfera è molto difficile da rompere.
Questi tripli legami sono ciò che rende azoto gassoso in modo inerte, ma crea anche un problema per gli organismi che hanno bisogno di azoto degli elementi per sopravvivere. La natura ha trovato un certo numero di hack a tale problema, attraverso processi fissano l’azoto, che utilizzano enzimi come catalizzatori per convertire azoto biatomica in ammoniaca o altri composti azotati.
microrganismi azotofissatori fanno azoto fino biodisponibile e lungo la catena alimentare, e per la maggior parte della storia umana, processi naturali erano l’unico metodo per ottenere l’azoto necessario per la fertilizzazione delle colture. Estrazione dei depositi di composti azotati, come salnitro (nitrato di potassio) o in forma di guano di pipistrello e escrementi di uccelli, una volta era la fonte primaria di nitrati per agricoltura e l’industria.
Ma tali depositi sono relativamente rari e finito in estensione, portando ad un problema sia in termini di alimentazione di una popolazione mondiale in rapida espansione e fornendo loro i prodotti necessari per un aumento del tenore di vita. Ciò ha portato i chimici per la ricerca di metodi di trasformare le vaste riserve di azoto atmosferico in ammoniaca utilizzabile, a partire dalla fine del 19 ° secolo. Mentre ci sono stati diversi contendenti di successo, laboratorio dimostrativo di chimico tedesco Fritz Haber di fare ammoniaca dall’aria è diventato il processo di de facto; una volta che è stato regolato in su e industrializzati dal chimico e ingegnere Carl Bosch, il processo Haber-Bosch è nato.
Sotto pressione
La semplice chimica del processo Haber-Bosch smentisce la sua complessità, soprattutto quando intrapreso su scala industriale. La reazione globale fa sembrare molto semplice – un po ‘di azoto, un po’ di idrogeno, e hai ammoniaca:
Ma il problema sta nel citato triplo legame nella molecola N2, nonché dal fatto che doppia freccia nell’equazione. Ciò significa che la reazione può andare in entrambe le direzioni, e in funzione delle condizioni di reazione quali pressione e temperatura, in realtà è più probabile che in retromarcia, con ammoniaca decomposizione indietro in azoto ed idrogeno. Guidare la reazione verso la produzione di ammoniaca è il trucco, come è fornire l’energia necessaria per abbattere azoto diatomic nell’atmosfera. L’altro trucco sta fornendo abbastanza idrogeno, un elemento che non è particolarmente abbondante nella nostra atmosfera.
Per raggiungere tutti questi obiettivi, il processo Haber-Bosch si basa su calore e pressione – un sacco di ciascuno. Il processo inizia con la produzione di idrogeno da riformazione a vapore di gas naturale o metano:
riformazione di vapore avviene come un processo continuo, in cui il gas naturale e vapore surriscaldato vengono pompati in una camera di reazione contenente catalizzatore di nichel. L’uscita del primo processo di reforming è ancheReagito per rimuovere il monossido di carbonio e il metano non reagito e strofinato di eventuali composti contenenti zolfo e anidride carbonica, fino a quando non rimane nulla, ma azoto e idrogeno.
I due gas di alimentazione vengono quindi pompati in una camera di reazione a pareti pesanti in un rapporto tra tre molecole di idrogeno a ciascuna molecola di azoto. La nave del reattore deve essere estremamente robusta perché le condizioni ottimali per guidare la reazione al completamento sono una temperatura di 450 ° C e una pressione 300 volte atmosferica. La chiave della reazione è il catalizzatore all’interno del reattore, la maggior parte dei quali si basa su ferro in polvere. Il catalizzatore consente all’alito e all’idrogeno di legarsi all’ammoniaca, che viene rimosso condendosi in uno stato liquido.
La pratica cosa di Haber-Bosch è ciò che Bosch ha portato sul tavolo: scalabilità. Le piante di ammoniaca possono essere massicce e spesso sono co-localizzate con altre piante chimiche che usano l’ammoniaca come materie prime per i loro processi. Circa l’80% dell’ammoniaca prodotta dal processo Haber-Bosch è destinato agli usi agricoli, applicato direttamente al suolo come liquido, o nella fabbricazione di fertilizzanti pellettizzanti. L’ammoniaca è anche un ingrediente in centinaia di altri prodotti, dagli esplosivi ai tessuti a coloranti, al melodia di oltre 230 milioni di tonnellate prodotte in tutto il mondo nel 2018.
Schematico del processo Haber-Bosch. Fonte: di Palma et al, cc-by
Cleaner e Greener?
Tra l’uso del metano, sia del feedstock che del carburante, Haber-Bosch è un processo molto sporco da un punto di vista ambientale. In tutto il mondo, Haber-Bosch consuma quasi il 5% della produzione di gas naturale ed è responsabile per circa il 2% del totale della fornitura di energia mondiale. Poi c’è la CO2 che il processo produce; Mentre un sacco di è catturato e venduto come un utile sottoprodotto, la produzione di ammoniaca ha prodotto qualcosa come 450 milioni di tonnellate di CO2 nel 2010, o circa l’1% delle emissioni globali totali. Aggiungi nel fatto che qualcosa come il 50% della produzione alimentare è assolutamente dipendente dall’ammoniaca, e hai un obiettivo maturo per il decarbonizzazione.
Un modo per battere Haber-Bosch fuori dal piedistallo di ammoniaca è quello di sfruttare i processi elettrolitici. Nel caso più semplice, l’elettrolisi potrebbe essere utilizzata per creare la materia prima dell’idrogeno dall’acqua piuttosto che dal metano. Mentre il gas naturale sarebbe ancora probabilmente necessario per generare le pressioni e le temperature necessarie per la sintesi di ammoniaca, questo almeno eliminerebbe il metano come feedstock. E se le cellule elettrolitiche potrebbero essere alimentate da fonti rinnovabili come il vento o il solare, un approccio così ibrido potrebbe fare molto per ripulire Haber-Bosch.
Ma alcuni ricercatori stanno esaminando un processo completamente elettrolitico che renderà la produzione di ammoniaca molto più verde dell’università ibrida. In un documento recente, un team di Monash University in Australia Dettagli un processo elettrolitico che utilizza la chimica simile a quella nelle batterie al litio per rendere ammoniaca in modo completamente diverso, uno che potenzialmente elimina la maggior parte degli aspetti più sporchi di Haber-Bosch.
Il processo utilizza un elettrolita contenente al litio in una piccola cella elettrochimica; Quando la corrente viene applicata alla cella, l’azoto atmosferico sciolto nell’elettrolita si combina con il litio per rendere il nitruro al litio (LI3N) al catodo della cella. Il nitruro di litio sembra molto simile ad ammoniaca, con i tre atomi di litio in piedi per i tre idrogeni, e una sorta di atti come un impalcatura su cui costruire ammoniaca. Tutto ciò che rimane è sostituire gli atomi di litio con idrogeno – un’impresa più facile a titolo di fatto.
Il segreto del processo si trova in una classe di prodotti chimici chiamati fosfonio, che sono molecole accusate positivamente con il fosforo al centro. Il sale del fosfonio utilizzato dal team di Monash si è dimostrato efficace nel portare i protoni dall’anodo della cellula al nitruro di litio, che prontamente accettava la donazione. Ma hanno anche scoperto che la molecola di fosfonico potrebbe attraversare di nuovo il processo, raccogliendo un protone agli anodi e consegnandolo al nitruro di litio al catodo. In questo modo, tutti e tre gli atomi di litio nel nitruro al litio sono sostituiti con idrogeno, con conseguente ammoniaca prodotta a temperatura ambiente senza metano come alimento. Il processo di Monash appare promettente. In un test di 20 ore in condizioni di laboratorio, una piccola cella ha prodotto 53 nanomi di ammoniaca al secondo per ogni centimetro quadrato della superficie dell’elettrodo, e ha fatto un’efficienza elettrica del 69%.
Se il metodo può dimostrarsi, ha molti vantaggi su Haber-Bosch. Il capo tra queste è la mancanza di alte temperature e pressioni, e il fatto che l’intera faccenda potesse potenzialmente correre senza nient’altro che elettricità rinnovabile. C’è anche la possibilità che questa potrebbe essere la chiave per la produzione di ammoniaca più piccola, distribuita; Piuttosto che fare affidamento su un impianti industriali relativamente centralizzati, la produzione di ammoniaca potrebbe potenzialmente essere miniaturizzata e portata più vicina al punto di utilizzo.
Ci sono un sacco di ostacoli da superare con il processo di Monash, ovviamente. fare affidamento su L.Gli elettroliti di Itium in un mondo in cui i dispositivi EV e altri dispositivi a batteria stanno già allungando i limiti dell’estrazione del litio sembra tenui e il fatto che l’estrazione del litio è fortemente dipendente dai combustibili fossili, almeno per il momento, ammette il potenziale verde dell’elettrolitico ammoniaca pure. Tuttavia, è uno sviluppo eccitante e uno che può tenere il mondo alimentato e alimentato in un modo più pulito e più verde.
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