우리는 여기에 우리는 여기에 질소 바다의 바닥에 살고 있습니다. 우리가 취하는 모든 호흡의 거의 80 %는 질소이며, 요소는 삶의 빌딩 블록의 중요한 구성 요소입니다. 질소는 생명이 멈추고 우리 세포에서 수많은 반응을 촉매하는 비계를 형성하는 단백질의 백본에 중요하고, 이들 생체 폴리머를 건설하는 데 필요한 정보는 핵산, 자체적으로 질소가 풍부한 분자로 코딩됩니다.
그러나 풍부한 가스 형태로 질소는 더 높은 삶의 형태, 비활성화 및 미 반응성이 높을 수 없도록 질소가 직접적으로 사용할 수 없습니다. 우리는 암모니아와 같은보다 반응성 화합물로 전환하는 분위기 질소를 배운 생화학 적 트릭을 배웠던 몇 종으로부터의 생체의 생체 공급을 훔쳐야합니다. 또는 적어도 상대적으로 최근까지, 우리 종의 특히 똑똑한 구성원이 화학 및 엔지니어링의 조합을 사용하여 이제는 Habo-Bosch 프로세스로 알려진 화학 및 엔지니어링을 사용하여 공기로부터 질소를 끌어낼 수있는 방법을 발견했을 때.
Haber-Bosch는 격렬하게 성공했으며, 질소의 출력으로 수정 된 작물 덕분에 1900 년 동안 억 명의 사람들이 오늘날 거의 8 억 명의 사람들로 인구를 성장시킬 책임이 있습니다. 몸의 질소의 질소의 50 %가 지금 당장 어딘가에 햇살의 반응기에서 왔을 것입니다. 그래서 우리 모두는 우리 모두의 삶을 위해 문자 그대로 의존합니다. Haber-Bosch만큼 기적으로서, 특히 그 문제가 없으며, 특히이를 실행하는 데 필요한 화석 연료 공급원의 공급 연령에서는 그렇지 않습니다. 여기에서 우리는 깊은 다이빙을 꿀꺽 꿀꺽 꿀꺽 꿀꺽 꿀꺽 꿀꺽 꿀꺽 꿀꺽 꿀꺽 꿀꺽 꿀꺽 꿀꺽 꿀꺽 꿀꺽 꿀꺽 꿀꺽 꿀꺽 꿀꺽 꿀꺽 꿀꺽 꿀꺽 꿀꺽 꿀꺽 꿀꺽 꿀꺽 꿀꺽 꿀꺽 꿀꺽 꿀꺽 꿀꺽 꿀꺽 꿀꺽 꿀꺽 꿀꺽 꿀꺽 들게 할 것입니다.
찾기 쉽고, 사용하기가 어렵습니다
더 좋은 방법이 있어야했습니다. 구아노 광업은 한때 비료 소원 중 하나였습니다. 출처 : 신비한 항구 박물관
질소 문제의 핵심, 그리고 암모니아의 생산이 필요한 이유와 에너지 집약적 인 이유는 원소 자체의 성질, 특히 그 종류의 다른 사람들과 강하게 유대되는 경향이 있습니다. 질소는 결합에 사용할 수없는 전자가 3 개가 있고, 대부분의 분위기의 대부분을 구성하는 규조토 질소를 생성시키는 트리플 결합은 매우 어렵습니다.
이 트리플 결합은 가스 질소가 불활성이되도록하는 것이지만, 원소 질소가 생존하기 위해서는 원소 질소가 필요한 유기체에 문제가 발생합니다. Nature는 질소 고정 공정을 통해 효소를 사용하여 규조성 질소를 암모니아 또는 다른 질소 화합물로 전환시키는 촉매로 효소를 사용하는 문제에 대한 많은 해킹을 발견했습니다.
질소 고정 미생물은 질소 생체 이용 가능을 식품 체인을 위아래로하며 대부분의 인류 역사를 위해 자연 공정은 작물의 수정에 필요한 질소를 얻는 유일한 방법이었다. 박쥐 및 조류 배지에서 구아노와 같은 질소 화합물의 침전물의 광산감은 일단 농업 및 산업을위한 질산염의 주요 원천이었습니다.
그러나 이러한 예금은 신속하게 확장 된 세계 인구를 먹이고 생활 수준을 높이기 위해 필요한 제품을 제공하는 측면에서 문제를 일으키는면에서 상대적으로 희귀하고 유한합니다. 이 LED 화학자들은 19 세기 말에부터 사용 가능한 암모니아로 광대 한 질소를 선보이는 방법을 찾는이었다. 많은 성공적인 경쟁자가 있었지만 독일 화학자 프리츠 헤버의 암모니아를 공기로 만드는 실험실 시위는 사실상 공정이되었습니다. 일단 그것이 화학자와 엔지니어 칼 보쉬에 의해 확장되고 산업화되면 Haber-Bosch 공정이 탄생했습니다.
압력에서
Haber-Bosch 공정의 간단한 화학은 특히 산업 저울에서 수행 될 때의 복잡성을 믿습니다. 전반적인 반응은 상당히 간단하게 보입니다 – 작은 질소, 약간의 수소, 당신은 암모니아가 있습니다.
그러나 문제는 N2 분자의 전술 한 삼중 결합뿐만 아니라 방정식의 양방향 화살표에있다. 즉, 반응은 두 가지 방법으로 가고 압력 및 온도와 같은 반응 조건에 따라 실제로 역방향으로 진행될 가능성이 더 큽니다. 암모니아가 질소 및 수소로 분해됩니다. 암모니아의 생산에 대한 반응을 주행하는 것은 대기 중의 규조토 성 질소를 파괴하는 데 필요한 에너지를 제공하는 것과 마찬가지로 트릭입니다. 다른 트릭은 충분한 수소를 제공하고 있으며, 특히 우리 대기에서 풍부하지 않은 요소입니다.
이러한 목표를 모두 달성하기 위해 Haber-Bosch 프로세스는 열과 압력에 의존합니다. 이 과정은 천연 가스의 증기 개질 또는 메탄에 의한 수소 생산으로 시작됩니다.
증기 개혁은 천연 가스 및 과열 증기가 니켈 촉매를 함유하는 반응 챔버로 펌핑되는 연속 공정으로서 일어난다. 첫 번째 개혁 과정의 출력은 더 나아갑니다아무것도 남아 있지만, 질소 원자 및 수소까지 일산화탄소 및 미 반응의 메탄을 제거하고 임의의 황 – 함유 화합물 및 이산화탄소 세정하는 반응.
두 공급 가스를 각각의 질소 분자 세 수소 분자의 비율 두꺼운 벽으로 반응 챔버 내로 펌핑된다. 최적의 조건으로 반응 완료를 구동 450 ° C의 온도 및 압력을 300 배이다 대기하기 때문에 반응 용기는 매우 견고해야한다. 반응의 핵심은 철 분말을 기반으로 대부분의 반응기 내부의 촉매이다. 촉매를 액체 상태로 응축하여 제거 암모니아로 결합하는 질소 원자 및 수소를 허용한다.
확장 성 : 하버 – 보쉬에 대한 편리한 점은 보쉬가 테이블에 가져온 것입니다. 암모니아 플랜트는 대규모가 될 수 있고, 종종 다른 화학 공장과 함께 위치해있는 자신의 프로세스를위한 공급 원료로 사용 암모니아가. 하버 – 보쉬 공정에 의해 제조 된 암모니아의 약 80 %는 농업 용도로 향하는 어느 액체로서 토양에 직접 적용하거나, 펠렛 비료의 제조에있다. 암모니아는 2018 년 전 세계적으로 생산 만 230 톤의 조정, 폭발물에서 염료로 섬유에, 다른 제품의 수백에있는 성분이다.
하버 – 보쉬 공정의 개략도. 출처 : 팔마 등, CC-BY로
클리너 및 친환경?
원료 및 연료 모두 메탄의 사용 사이 하버 – 보쉬는 환경 측면에서 매우 더러운 과정이다. 세계는 하버 – 보쉬는 천연 가스 생산의 약 5 %를 소비하고, 세계 총 에너지 공급의 약 2 %에 대한 책임이 있습니다. 프로세스는 생산 CO2가있다; 그것의 많은 캡처 유용한 부산물로 매각되는 동안, 암모니아 생산은 2010 년에 CO2 450 만 톤 같은 것을 생산, 또는 세계 총 배출량의 1 %에 대해. 식품 생산의 50 % 같은 암모니아에 절대적으로 의존하고 탈탄에 익은 목표를 가지고 있다는 사실에 추가 할 수 있습니다.
암모니아 받침대 떨어져 하버 – 보쉬을 노크하는 한 가지 방법은 전해 프로세스를 활용하는 것입니다. 가장 간단한 경우에, 전기 분해는 물보다는 메탄으로부터 수소 공급 원료를 생성하는데 사용될 수있다. 천연 가스는 여전히 가능성이 암모니아 합성에 필요한 압력과 온도를 생성하는 데 필요한 것이지만, 이것은 적어도 원료로 메탄을 제거하는 것입니다. 전해 세포가 바람이나 태양열과 같은 재생 에너지 원에 의해 구동 될 수있는 경우, 이러한 하이브리드 접근 방식은 하버 – 보쉬 청소에 먼 길을 갈 수 있습니다.
그러나 일부 연구자들은 심지어 하이브리드 방식에 비해 암모니아 생산 훨씬 친환경적를 만들 것입니다 완전히 전해 과정에서 찾고 있습니다. 최근 논문에서, 호주의 모나 쉬 대학에서 팀은 리튬 배터리에서 유사한 용도의 화학 잠재적 하버 – 보쉬의 더러운 측면의 대부분을 제거하는 완전히 다른 방식으로, 하나의 암모니아를 만드는 것을 전해 프로세스에 대한 설명입니다.
프로세스는 작은 전기 화학 전지에서 리튬 함유 전해질을 사용한다; 현재이 셀에인가 될 때, 대기는 질소 전지의 음극에서 리튬 질화물 (Li3N)을 만들기 위해 리튬과 전해질 콤바인에 용해시켰다. 리튬 질화물은 세 개의 리튬 원자 어떤 따라 빌드 암모니아에 발판 같은 세 개의 수소에 대한, 그리고 일종의 행위의 서와, 암모니아처럼 많이 보인다. 그 모든 유물은 수소와 리튬 원자를 대체하는 것입니다 – 위업은 쉽게 말처럼.
긍정적 중심 인와 분자가 청구됩니다 포스라는 화학 물질의 클래스의 프로세스 거짓말의 비밀. 모나 쉬 팀에서 사용되는 포스 포 늄염을 용이하게 기부를 허용 리튬 질화물로 셀의 애노드로부터 양성자를 운반에 효과적인 것으로 입증되었다. 그러나 그들은 또한 포스 분자가 양극에서 양성자를 따기과 음극에서 리튬 질화물로 전달, 다시 과정을 통해 갈 수있는 것을 발견했다. 이러한 방식으로, 질화 리튬의 세 리튬 원자 원료로서 메탄없이 실온에서 암모니아 생성을 초래 수소로 대체된다. 모나 쉬 프로세스는 약속이 나타납니다. 실험실 조건 하에서 20 시간 시험에서, 작은 셀 전극면마다 제곱 센티미터 초당 53 nanomoles 암모니아를 제조하고, 69 %의 전기 효율을했다.
이 방법은 증명할 수 있다면, 그것은 하버 – 보쉬 이상의 많은 장점을 가지고있다. 이 중 최고 높은 온도와 압력의 부족, 그리고 모든 일 가능성이 아무것도하지만 신 재생 전기에서 실행할 수 있다는 사실이다. 이 작은 분산 암모니아 생산의 핵심이 될 수있는 가능성도있다; 오히려 상대적으로 적은 중앙 산업 공장에 의존하지 않고, 암모니아 생산은 잠재적으로 소형화 할 가까이 사용 지점에 가져 수 있습니다.
물론, 모나 쉬 과정을 극복하기 위해 장애물의 많음이있다. 리터에 의존EV 및 기타 배터리 전원 공급 장치가 이미 리튬 추출의 한계를 늘리는 세계의 미터의 전해질은 리튬 광산이 화석 연료에 크게 의존하는 사실을 적어도 전해질의 녹색 잠재력을 변색 시킨다는 사실 암모니아도. 아직도, 흥미 진진한 발전이며, 세계를 먹이를주고 깨끗하고 친한적인 방법으로 연료를 공급할 수 있습니다.