Amoniac, cố định đạm, hóa học công nghiệp, phân bón, hệ thống thực phẩm, chất xúc tác, áp suất, sử dụng năng lượng và cân bằng khí hậu
Quá trình Haber-Bosch
Quy trình Haber-Bosch là phương pháp công nghiệp kết hợp nitơ từ không khí với hydro để tạo ra amoniac, biến một nguyên tố dồi dào nhưng khó sử dụng thành phân bón, hóa chất và là một trong những công nghệ trọng tâm của nền nông nghiệp hiện đại.
Quá trình làm gì
Quy trình Haber-Bosch tạo ra amoniac từ nitơ và hydro. Khí nitơ có nhiều trong không khí nhưng các nguyên tử của nó được giữ với nhau bằng liên kết rất bền nên hầu hết thực vật không thể sử dụng trực tiếp. Quá trình này phá vỡ rào cản đó bằng cách cho nitơ phản ứng với hydro qua chất xúc tác ở nhiệt độ cao và áp suất cao. Sản phẩm amoniac sau đó có thể được biến thành phân bón và nhiều hóa chất khác.
Tại sao nitơ lại quan trọng
Nitơ là nguyên tố cơ bản trong protein, DNA, chất diệp lục và sự phát triển của thực vật. Trước khi tổng hợp amoniac, nông dân phụ thuộc vào phân bón, phân hữu cơ, luân canh cây trồng, phân chim, trữ lượng nitrat và quá trình cố định đạm sinh học bằng vi khuẩn. Những nguồn đó có giá trị nhưng có giới hạn. Amoniac công nghiệp đã mang lại cho xã hội một cách để bổ sung nitơ có thể sử dụng được vào đất ở quy mô lớn hơn nhiều.
Cách thức hoạt động của hóa học
Phản ứng đơn giản hóa là nitơ cộng với hydro tạo thành amoniac. Trong thực tế, phản ứng rất khó khăn vì khí nitơ ổn định và phản ứng phải cân bằng giữa tốc độ, hiệu suất, nhiệt lượng, áp suất và chi phí. Chất xúc tác gốc sắt giúp các phân tử phản ứng. Áp suất cao tạo điều kiện cho sự hình thành amoniac, trong khi nhiệt độ cao giữ cho phản ứng diễn ra đủ nhanh cho ngành công nghiệp.
Từ phòng thí nghiệm đến nhà máy
Fritz Haber đã chứng minh được phương pháp tổng hợp amoniac khả thi vào đầu thế kỷ XX. Sau đó, Carl Bosch và các kỹ sư tại BASF đã giải quyết vấn đề công nghiệp: xây dựng thiết bị có thể chịu được áp suất cao, vận hành liên tục, lọc khí, xúc tác, thu hồi nhiệt và vật liệu đáng tin cậy. Thành tựu này không chỉ là một khám phá hóa học. Đó cũng là một thắng lợi của kỹ thuật hóa học.
Phân bón và thực phẩm
Hầu hết amoniac được tạo ra từ quá trình này được sử dụng làm phân bón nitơ như urê, amoni nitrat và amoni photphat. Những loại phân bón này đã giúp nâng cao năng suất cây trồng và hỗ trợ dân số lớn. Lợi ích tương tự cũng tạo ra sự phụ thuộc vào chuỗi cung ứng phân bón tiêu tốn nhiều năng lượng và thay đổi cách thức hoạt động của các trang trại, đất đai, sông ngòi và hệ thống lương thực toàn cầu.
Chi phí và tác dụng phụ
Quy trình Haber-Bosch thường dựa vào hydro được tạo ra từ khí tự nhiên hoặc than đá, giải phóng carbon dioxide. Việc sử dụng phân bón cũng có thể giải phóng oxit nitơ, một loại khí nhà kính mạnh và lượng nitơ dư thừa có thể trôi vào đường thủy, cung cấp thức ăn cho tảo nở hoa và vùng chết. Quá trình này đã giúp nuôi sống hàng tỷ người nhưng nó cũng làm tăng cường những thay đổi của con người đối với chu trình nitơ.
Chỉ đường mới
Các nhà nghiên cứu và công ty đang nghiên cứu sản xuất amoniac có hàm lượng carbon thấp hơn bằng cách sử dụng điện tái tạo, hydro xanh, chất xúc tác tốt hơn, lò phản ứng điện khí hóa, cải thiện thời gian phân bón, nông nghiệp chính xác và tái chế nitơ. Những thay đổi này không xóa bỏ tầm quan trọng của amoniac. Họ hỏi liệu một trong những quy trình công nghiệp quan trọng nhất của thế kỷ 20 có thể được làm sạch hơn và hiệu quả hơn hay không.
Tại sao nó quan trọng
Quá trình Haber-Bosch quan trọng vì nó liên kết không khí, năng lượng, hóa học, nông nghiệp, giá lương thực, khí hậu và địa chính trị. Nó cho thấy một phản ứng công nghiệp đơn lẻ có thể định hình lại cuộc sống hàng ngày như thế nào: thu hoạch nhiều hơn, dân số đông hơn, các vấn đề ô nhiễm mới và trách nhiệm mới. Hiểu nó giúp giải thích cả sức mạnh lẫn sự đánh đổi của công nghệ hiện đại.