Pregled procesa Haber-Bosch

Haber-Bosch postupak je postupak koji fiksira dušik s vodikom da bi se proizveo amonijak - ključni dio u proizvodnji biljnih gnojiva. Proces je razvijen u ranim 1900-ima Fritz Haber, a kasnije je modificiran u industrijski postupak Carl Bosch za proizvodnju gnojiva. Haber-Boschov postupak mnogi znanstvenici i znanstvenici smatraju jednim od najvažnijih tehnoloških dostignuća 20. stoljeća.

Proces Haber-Bosch izuzetno je važan jer je prvi od tih procesa razvio ljude koji su omogućili masovnu proizvodnju biljnih gnojiva zbog proizvodnje amonijaka. To je ujedno i jedan od prvih industrijskih procesa razvijenih za korištenje visokog tlaka za stvaranje kemijskih reakcija (Rae-Dupree, 2011). To je poljoprivrednicima omogućilo uzgoj više hrane, što je zauzvrat i omogućilo poljoprivreda za podršku većoj populaciji. Mnogi smatraju da je proces Haber-Bosch odgovoran za Zemljinu struju eksplozija stanovništva kao "otprilike polovina proteina današnjih ljudi nastala je dušikom fiksiranim postupkom Haber-Bosch" (Rae-Dupree, 2011).

Do razdoblja od industrijalizacija ljudska populacija znatno je narasla, i kao rezultat toga, pojavila se potreba za povećanjem proizvodnje žitarica, a poljoprivreda je započela u novim područjima poput Rusije, Amerike i Australije (Morrison, 2001). Kako bi usjevi bili produktivniji na ovim i drugim područjima, poljoprivrednici su počeli tražiti načine dodavanja dušika u tlo, a upotreba stajskog gnoja i kasnije gvano i fosilnih nitrata je rasla.

Krajem 1800-ih i početkom 1900-ih, znanstvenici, uglavnom kemičari, počeli su tražiti načine razvoja gnojiva umjetnim fiksiranjem dušika na način na koji mahunarke unose u svoje korijene. 2. srpnja 1909. Fritz Haber proizveo je kontinuirani protok tekućeg amonijaka iz vodika i dušika plinovi koji se dovode u vruću željeznu cijev pod tlakom preko metalnog katalizatora osmija (Morrison, 2001). To je bio prvi put da je netko mogao razviti amonijak na ovaj način.

Kasnije je Carl Bosch, metalurg i inženjer, radio na usavršavanju ovog procesa sinteze amonijaka kako bi se mogao koristiti u svjetskim razmjerima. 1912. započela je gradnja tvornice komercijalnog proizvodnog kapaciteta u Oppauu u Njemačkoj. Postrojenje je moglo proizvesti tonu tekućeg amonijaka u pet sati, a do 1914. postrojenje je proizvodilo 20 tona korisnog dušika dnevno (Morrison, 2001).

S početkom u prvi svjetski rat, obustavljena je proizvodnja dušika za gnojiva u postrojenju, a proizvodnja je prešla na eksplozivnu eksploataciju za rov. Kasnije se otvorila druga tvornica u Saksoniji, Njemačka, kako bi podržala ratne napore. Na kraju rata obje su se biljke vratile na proizvodnju gnojiva.

Proces danas djeluje slično kao što se u početku događao korištenjem ekstremno visokog tlaka da bi se izazvala kemijska reakcija. Djeluje tako što fiksira dušik iz zraka s vodikom iz prirodnog plina i stvara amonijak (dijagram). U postupku se mora koristiti visoki tlak, jer se molekuli dušika drže zajedno s jakim trostrukim vezama. Haber-Bosch postupak koristi katalizator ili posudu izrađenu od željeza ili rutenija s unutarnjom temperaturom preko 800 F (426 C) i tlak od oko 200 atmosfera da zajedno dovode dušik i vodik (Rae-Dupree, 2011). Zatim se elementi premještaju iz katalizatora u industrijske reaktore, gdje se elementi na kraju pretvaraju u tekući amonijak (Rae-Dupree, 2011). Tekući amonijak tada se koristi za stvaranje gnojiva.

Danas kemijska gnojiva doprinose otprilike polovici dušika koji se stavlja u globalnu poljoprivredu, a taj je broj veći u razvijenim zemljama.

Danas su mjesta sa najviše potražnje za tim gnojivima također mjesta na kojima svjetska populacija raste najbrže. Neka istraživanja pokazuju da je oko „80 posto globalnog povećanja potrošnje dušičnih gnojiva između 2000. i 2009. dolazilo iz Indije i Kine“ (Pomiješati, 2013).

Unatoč rastu u najvećim svjetskim zemljama, velik je porast stanovništva u globalu od tada Razvoj procesa Haber-Bosch pokazuje koliko je to bilo važno promjenama u svijetu populacija.

Sadašnji postupak fiksacije dušika također nije u potpunosti učinkovit, a gubi se velika količina nakon što se nanese na polja zbog otjecanja kada pada kiša i prirodnog plinovanja dok sjedi polja. Njegova je tvorba također izuzetno energetski intenzivna zbog visokog temperaturnog tlaka potrebnog za razbijanje molekularnih veza dušika. Znanstvenici trenutno rade na razvoju učinkovitijih načina za dovršetak procesa i stvaranju ekološki prihvatljivijih načina za podršku svjetskoj poljoprivredi i rastućem stanovništvu.