Haber-Bosch y la ecologización de la producción de amoníaco
Hemos aquí en la tierra viven en el fondo de un océano de nitrógeno. Casi el 80% de cada respiración que tomamos es nitrógeno, y el elemento es un componente vital de los bloques de construcción de la vida. El nitrógeno es fundamental para la columna vertebral de proteínas que forman el andamio que la vida se cuelga y que cataliza las reacciones en nuestras células, y la información necesaria para construir estos biopolímeros está codificada en ácidos nucleicos, las moléculas ricas en nitrógeno.
Y, sin embargo, en su abundante forma gaseosa, el nitrógeno permanece directamente no disponible para las formas de vida más altas, inusualmente inertes y no reactivas. Debemos robar nuestro suministro vital de nitrógeno de las pocas especies que han aprendido el truco bioquímico de girar el nitrógeno atmosférico en compuestos más reactivos como el amoníaco. O al menos hasta que sea relativamente recientemente, cuando un par de miembros particularmente inteligentes de nuestra especie encontró una forma de tirar de nitrógeno desde el aire utilizando una combinación de química e ingeniería ahora conocida como el proceso de Haber-Bosch.
Haber-Bosch ha sido exitoso, y gracias a los cultivos fertilizados con su producción nitrogenada, es directamente responsable de crecer la población de mil millones de personas en 1900 a casi ocho mil millones de personas hoy. En este momento, el 50% del nitrógeno en su cuerpo, en este momento, probablemente provenía de un reactor de Haber-Bosch en algún lugar, por lo que todos dependemos, literalmente, dependen de ella por nuestras vidas. Sin embargo, tan milagrosos como Haber-Bosch, no está sin sus problemas, particularmente en esta era de suministros de disminución de los combustibles fósiles necesarios para ejecutarlo. Aquí, tomaremos una zambullida profunda en Haber-Bosch, y también echaremos un vistazo a las formas de descaradamente descarbarbonizar nuestra industria de fijación de nitrógeno en el futuro.
Fácil de encontrar, difícil de usar
Tenía que haber una mejor manera. La minería de Guano fue una vez una de las pocas fuentes de fertilizantes. Fuente: Music Museo de Port
El corazón del problema del nitrógeno, y la razón por la cual la producción de amoníaco es necesaria y tan intensiva en la energía, se deriva de la naturaleza del propio elemento, específicamente su tendencia a considerar fuertemente con otros de su tipo. El nitrógeno tiene tres electrones no pareados disponibles para la unión, y el triple enlace que resulta en el nitrógeno diatómico que constituye la mayor parte de nuestra atmósfera es muy difícil de romper.
Estos triples son los triples que hacen que el nitrógeno gaseoso sea tan inerte, pero también crea un problema para los organismos que necesitan nitrógeno elemental para sobrevivir. La naturaleza ha encontrado una serie de hacks a ese problema, a través de procesos de fijación de nitrógeno, que utilizan enzimas como catalizadores para convertir nitrógeno diatómico en amoníaco u otros compuestos nitrogenados.
Los microorganismos de fijación de nitrógeno hacen que el nitrógeno sea biodisponible hacia arriba y hacia abajo en la cadena alimentaria, y para la mayor parte de la historia humana, los procesos naturales fueron el único método para obtener el nitrógeno necesario para la fertilización de los cultivos. La extracción de depósitos de compuestos nitrogenados, como el salitre (nitrato de potasio) o en forma de guano de goteros de murciélago y aves, fue una vez la fuente principal de nitratos para la agricultura y la industria.
Pero tales depósitos son relativamente raros y finitos, en su medida, lo que lleva a un problema tanto en términos de alimentar una población mundial en rápida expansión y proporcionarles los productos necesarios para un mayor nivel de vida. Esto llevó a los químicos para buscar métodos de convirtiendo las vastas reservas de nitrógeno atmosférico en amoníaco utilizable, a partir de finales del siglo XIX. Si bien hubo varios contendientes exitosos, la demostración de laboratorio de la química alemana Fritz Haber de hacer amoníaco desde el aire se convirtió en el proceso de facto; Una vez que fue escalado e industrializado por químico e ingeniero Carl Bosch, nació el proceso de Haber-Bosch.
Bajo presión
La simple química del proceso de Haber-Bosch cree su complejidad, especialmente cuando se realiza en escalas industriales. La reacción general hace que parezca bastante sencillo, un poco de nitrógeno, un poco de hidrógeno, y tienes amoníaco:
Pero el problema radica en el enlace triple mencionado anteriormente en la molécula N2, así como en esa flecha de doble cabeza en la ecuación. Eso significa que la reacción puede ir en ambos sentidos, y dependiendo de las condiciones de reacción, como la presión y la temperatura, en realidad es más probable que se ejecute a la inversa, con el amoníaco que se descompone de nuevo en nitrógeno e hidrógeno. Conducir la reacción hacia la producción de amoníaco es el truco, ya que está proporcionando la energía necesaria para romper el nitrógeno diatómico en la atmósfera. El otro truco está proporcionando suficiente hidrógeno, un elemento que no es particularmente abundante en nuestra atmósfera.
Para lograr todos estos objetivos, el proceso de Haber-Bosch se basa en calor y presión, muchos de cada uno. El proceso comienza con la producción de hidrógeno por reforma de vapor de gas natural, o metano:
La reforma de vapor se produce como un proceso continuo, donde el gas natural y el vapor sobrecalentado se bomban en una cámara de reacción que contiene catalizador de níquel. La producción del primer proceso reformador es aún más.Reaccionó para eliminar el monóxido de carbono y el metano sin reaccionar y frotarse con compuestos que contienen azufre y dióxido de carbono, hasta que nada permanezca, pero el nitrógeno y el hidrógeno.
Los dos gases de alimentación se bombean luego en una cámara de reacción de pared pesada en una proporción de tres moléculas de hidrógeno a cada molécula de nitrógeno. El recipiente del reactor debe ser extremadamente robusto porque las condiciones óptimas para impulsar la reacción a la finalización son una temperatura de 450 ° C y una presión 300 veces atmosférica. La clave de la reacción es el catalizador dentro del reactor, la mayoría de las cuales se basan en hierro en polvo. El catalizador permite que el nitrógeno y el hidrógeno se unen al amoníaco, que se elimina condensándolo en un estado líquido.
La cosa práctica de Haber-Bosch es lo que Bosch llevó a la mesa: escalabilidad. Las plantas de amoníaco pueden ser masivas, y a menudo se ubican co-ubicadas con otras plantas químicas que usan amoníaco como materia prima para sus procesos. Alrededor del 80% del amoníaco producido por el proceso de Haber-Bosch está destinado a usos agrícolas, ya sea aplicado directamente al suelo como un líquido, o en la fabricación de fertilizantes peletizados. El amoníaco también es un ingrediente en cientos de otros productos, desde explosivos hasta textiles hasta tintes, hasta la melodía de más de 230 millones de toneladas producidas en todo el mundo en 2018.
Esquema del proceso de Haber-Bosch. Fuente: por palma et al, cc-by
Más limpio y más verde?
Entre el uso de metano como materia prima y combustible, Haber-Bosch es un proceso muy sucio desde un punto de vista ambiental. En todo el mundo, Haber-Bosch consume casi el 5% de la producción de gas natural, y es responsable de aproximadamente el 2% del suministro total de energía mundial. Luego está el CO2 el proceso produce; Mientras que muchos de ellos se capturan y se venden como un subproducto útil, la producción de amoníaco produjo algo como 450 millones de toneladas de CO2 en 2010, o aproximadamente el 1% de las emisiones globales totales. Agregue el hecho de que algo como el 50% de la producción de alimentos depende absolutamente del amoníaco, y tiene un objetivo maduro para la descarbonización.
Una forma de golpear a Haber-Bosch fuera del pedestal de amoníaco es aprovechar los procesos electrolíticos. En el caso más sencillo, la electrólisis se puede usar para crear la materia prima de hidrógeno del agua en lugar de metano. Mientras que el gas natural tendría que sería necesario para generar las presiones y las temperaturas necesarias para la síntesis de amoníaco, esto al menos eliminaría el metano como materia prima. Y si las células electrolíticas podrían ser alimentadas por fuentes renovables, como el viento o la energía solar, un enfoque híbrido de este tipo podría recorrer un largo camino para limpiar a Haber-Bosch.
Pero algunos investigadores están mirando un proceso completamente electrolítico que hará que la producción de amoníaco sea mucho más verde que incluso el enfoque híbrido. En un periódico reciente, un equipo de la Universidad de Monash en Australia detalla un proceso electrolítico que utiliza la química similar a la de las baterías de litio para hacer amoníaco de una manera completamente diferente, uno que potencialmente elimina la mayoría de los aspectos más sucios de Haber-Bosch.
El proceso utiliza un electrolito que contiene litio en una pequeña célula electroquímica; Cuando se aplica la corriente a la celda, el nitrógeno atmosférico disuelto en el electrolito se combina con litio para hacer que el nitruro de litio (LI3N) en el cátodo de la célula. El nitruro de litio se parece mucho a amoníaco, con los tres átomos de litio que se encuentran en los tres hidrogenadores, y un tipo de actos como un andamio sobre el cual construir amoníaco. Todo lo que queda es reemplazar los átomos de litio con hidrógeno, una hazaña, se dijo una hazaña que hecha.
El secreto del proceso se encuentra en una clase de productos químicos llamada fosfonio, que son moléculas cargadas positivamente con fósforo en el centro. La sal de fosfonio utilizada por el equipo de Monash demostró ser eficaz para llevar a los protones desde el ánodo de la célula hasta el nitruro de litio, que aceptó fácilmente la donación. Pero también encontraron que la molécula de fosfonio podría volver a pasar por el proceso, recogiendo un protón en los ánodos y entregándolo al nitruro de litio en el cátodo. De esta manera, los tres átomos de litio en el nitruro de litio se reemplazan con hidrógeno, lo que resulta en un amoníaco producido a temperatura ambiente sin metano como materia prima. El proceso de Monash parece prometedor. En una prueba de 20 horas en condiciones de laboratorio, una célula pequeña produjo 53 nanomoles de amoníaco por segundo para cada centímetro cuadrado de la superficie del electrodo, y lo hizo con una eficiencia eléctrica del 69%.
Si el método puede ser probado, tiene muchas ventajas sobre Haber-Bosch. El jefe de estos es la falta de altas temperaturas y presiones, y el hecho de que todo lo que podría funcionar en nada más que la electricidad renovable. También existe la posibilidad de que esto pueda ser la clave para la producción de amoníaco distribuida más pequeña; En lugar de confiar en una relativamente pocas plantas industriales centralizadas, la producción de amoníaco podría potencialmente miniaturizada y acercarse al punto de uso.
Hay muchos obstáculos para superar el proceso de Monash, por supuesto. confiar en lLos electrolitos de iNitio en un mundo donde los dispositivos EV y otros dispositivos con batería ya están estirando los límites de la extracción de litio parece tenue, y el hecho de que la minería de litio depende en gran medida de los combustibles fósiles, al menos por el momento, empaña el potencial verde de la electrolítica. Amoniaco también. Aún así, es un desarrollo emocionante y uno que puede mantener al mundo alimentado y alimentado en una manera más limpia y más verde.