Přehled procesu Haber-Bosch

Haber-Bosch proces je proces, který fixuje dusík vodíkem za vzniku amoniaku - kritická část při výrobě rostlinných hnojiv. Tento proces byl vyvinut na počátku 20. století společností Fritz Haber a později byl upraven tak, aby se stal průmyslovým procesem výroby hnojiv od společnosti Carl Bosch. Haber-Boschův proces je mnoha vědci a vědci považován za jeden z nejdůležitějších technologických pokroků 20. století.

Proces Haber-Bosch je nesmírně důležitý, protože to byl první z vyvinutých procesů, který lidem umožnil hromadně vyrábět rostlinná hnojiva kvůli produkci amoniaku. Byl to také jeden z prvních průmyslových procesů vyvinutých za použití vysokého tlaku k vytvoření chemické reakce (Rae-Dupree, 2011). To umožnilo zemědělcům pěstovat více potravin, což zase umožnilo zemědělství podporovat větší populaci. Mnozí považují proces Haber-Bosch za zodpovědný za aktuální Zemi populační exploze jako „přibližně polovina bílkovin v dnešních lidech pocházela z dusíku fixovaného procesem Haber-Bosch“ (Rae-Dupree, 2011).

Do období industrializace lidská populace značně rostla a v důsledku toho bylo potřeba zvýšit produkci obilí a zemědělství začalo v nových oblastech, jako je Rusko, Amerika a Austrálie (Morrison, 2001). Za účelem zvýšení produktivity plodin v těchto a dalších oblastech začali zemědělci hledat způsoby, jak přidat do půdy dusík, a používání hnoje a později guanového a fosilního dusičnanu rostlo.

Na konci osmdesátých a na počátku dvacátých let začali vědci, hlavně chemici, hledat způsoby, jak vyvinout hnojiva umělým fixováním dusíku tak, jak luštěniny v kořenech. 2. července 1909 Fritz Haber vytvořil kontinuální proud kapalného amoniaku z vodíku a dusíku plyny, které byly přiváděny do horké tlakové železné zkumavky přes katalyzátor z osmium kovu (Morrison, 2001). Bylo to poprvé, kdy se někdo mohl tímto způsobem vyvíjet amoniak.

Později Carl Bosch, metalurg a inženýr, pracoval na zdokonalení tohoto procesu syntézy amoniaku tak, aby mohl být použit v celosvětovém měřítku. V roce 1912 byla v německém Oppau zahájena výstavba závodu s komerční výrobní kapacitou. Závod byl schopen vyrobit tunu tekutého amoniaku za pět hodin a do roku 1914 závod produkoval 20 tun využitelného dusíku denně (Morrison, 2001).

Se začátkem první světová válka, výroba dusíku pro hnojiva v závodě se zastavila a výroba přešla na výrobu výbušnin pro příkopové války. Druhá továrna se později otevřela v Sasku v Německu na podporu válečného úsilí. Na konci války se obě rostliny vrátily k výrobě hnojiv.

Tento proces dnes funguje stejně jako původně použitím extrémně vysokého tlaku k vyvolání chemické reakce. Funguje tak, že dusík ze vzduchu fixuje vodíkem ze zemního plynu za vzniku amoniaku (diagram). Proces musí používat vysoký tlak, protože molekuly dusíku jsou drženy pohromadě se silnými trojnými vazbami. Proces Haber-Bosch používá katalyzátor nebo nádobu vyrobenou ze železa nebo ruthenia s vnitřní teplotou vyšší 800 F (426 ° C) a tlak kolem 200 atmosfér k vzájemnému přivedení dusíku a vodíku (Rae-Dupree, 2011). Prvky se pak přesunou ven z katalyzátoru do průmyslových reaktorů, kde se tyto prvky nakonec přemění na tekutý amoniak (Rae-Dupree, 2011). Kapalný amoniak se potom používá k tvorbě hnojiv.

V současné době přispívají chemická hnojiva přibližně k polovině dusíku do celosvětového zemědělství a toto číslo je vyšší ve vyspělých zemích.

V dnešní době jsou místa s největší poptávkou po těchto hnojivech také místa, kde světové populace roste nejrychleji. Některé studie ukazují, že „asi 80 procent celosvětového nárůstu spotřeby dusíkatých hnojiv v letech 2000 až 2009 pocházelo z Indie a Číny“ (Mingle, 2013).

Navzdory růstu v největších zemích světa se od roku 2008 celosvětově zvýšil počet obyvatel vývoj procesu Haber-Bosch ukazuje, jak důležité to bylo ke změnám v globálním měřítku populace.

Současný proces fixace dusíku také není úplně účinný a velké množství se ztratí poté, co se aplikuje na pole kvůli odtoku, když prší a přirozené plynování se vypíná, jak sedí pole. Jeho tvorba je také extrémně energeticky náročná kvůli vysokému teplotnímu tlaku potřebnému k přerušení molekulárních vazeb dusíku. Vědci v současné době pracují na vývoji účinnějších způsobů, jak tento proces dokončit a na vytváření ekologičtějších způsobů podporujících světové zemědělství a rostoucí populaci.