緑化ここに地球上で私たちのライブの窒素の海の底に。我々が取るすべての息の約80％が窒素であり、かつ要素が生命のビルディングブロックの重要な要素です。窒素は生活上のハングとその触媒する私たちの細胞内で無数の反応という足場を形成するタンパク質のバックボーンに重要であり、これらの生体高分子を構築するために必要な情報は、自身窒素リッチ分子、核酸にコードされています。
そして、まだ、その豊富なガス状で、窒素は、unusably不活性かつ非反応高い生命体に直接使用できないまま。私たちは、アンモニアのようなより反応性化合物の中に大気中の窒素を回すの生化学的トリックを学んできたいくつかの種からの窒素の私たちの重要な供給を盗む必要があります。あるいは、少なくとも、比較的最近まで、時には、私たちの種の特に巧妙なメンバーのカップルは今ハーバー・ボッシュ法として知られている化学と工学の組み合わせを用いて空気から窒素をプルする方法を見つけました。
ハーバー・ボッシュは乱暴に成功しており、その含窒出力と受精作物のおかげで、今日はほぼ80億人に1900年億人からの人口を成長させるために直接責任があります。今、あなたの体中の窒素の完全50％が、おそらくハーバー・ボッシュ原子炉どこから来たので、私たちはすべての文字通り私たちの生活のためにそれに依存しています。ハーバー・ボッシュとして奇跡的であるため、しかし、それは特にそれを実行するために必要な化石燃料の供給を先細りのこの時代に、その問題がないわけではないのです。ここでは、ハーバー・ボッシュに深いダイビングを取るよ、と我々はまた、潜在的に、将来的に私たちの窒素固定業界を脱炭素化する方法を見てみましょう。
使いにくい見つけることは容易で、
もっと良い方法がありました。グアノ採掘は、肥料のいくつかの源の一つ一度でした。出典：ミスティックシーポート博物館
窒素、問題の核心、およびアンモニアの生産に必要なエネルギー集約型のようでもある理由は、その種の他のものと強く結合に特にその傾向、要素自体の性質に由来します。窒素は、当社の雰囲気の大半を占める二原子窒素の結果は解読が非常に困難であること3個の結合のために利用できる不対電子、および三重結合を持っています。
これらの三重結合はとても不活性窒素ガスを作るものですが、それはまた、生き残るために窒素元素を必要とする生物のための問題を作成します。性質は、アンモニアまたは他の窒素含有化合物に二原子窒素に変換する触媒として酵素を使用する窒素固定プロセスを介して、その問題へのハッキングの数を発見しました。
窒素固定微生物は、窒素生物学的に利用可能なアップと食物連鎖ダウンを行い、人間の歴史のほとんどのため、自然のプロセスは、作物の受精のために必要な窒素を得るための唯一の方法でした。そのような硝石（硝酸カリウム）やバットや鳥糞からグアノの形態における窒素化合物の堆積物の採掘は、農業および工業用の硝酸塩の主要源かつて。
しかし、このような堆積物は、両方とも急速に拡大し、世界の人口を供給し、生活の増加標準のために必要な製品とそれらを提供するという点で問題につながる限りでは比較的まれであり、有限です。これは、19世紀の終わりから始まる、使用可能なアンモニアに大気中の窒素の膨大な埋蔵量を回す方法を検索するための化学者を導きました。いくつかの成功した候補があったが、空気からアンモニアを作るドイツの化学者フリッツ・ハーバーの実験室でのデモは事実上のプロセスになりました。それはスケールアップし、化学者とエンジニアのカール・ボッシュ工業化された後は、ハーバー・ボッシュ法が生まれました。
プレッシャーの下で
ハーバー・ボッシュ法の簡単な化学的性質は、工業スケールで行わ場合は特に、その複雑さを偽り。全体の反応は、それが非常に簡単思われてしまう – 少し窒素、少し水素を、そしてあなたは、アンモニアを持っています：
しかし、N2分子中に前述の三重結合における問題の嘘、などで式のもの双頭矢印。ことは、反応は、両方の道を行くことができ、圧力や温度などの反応条件に応じて、それが実際に可能性が高いアンモニアは窒素と水素に背中を分解すると、逆に実行することです。大気中の二原子窒素を分解するのに必要なエネルギーを提供しているとして、アンモニアの生産に向けた反応を駆動することは、トリックです。他のトリックは十分な水素、私たちの雰囲気の中で特に豊富ではない要素を提供しています。
各たくさんの – これらの目標の全てを達成するために、ハーバー・ボッシュ法は、熱と圧力に依存しています。このプロセスは、天然ガス、またはメタンの水蒸気改質による水素の生産を開始します。
水蒸気改質、天然ガス及び過熱蒸気をニッケル触媒を含む反応チャンバに注入される連続プロセスとして行われます。第一改質プロセスの出力は、さらに、あります一酸化炭素および未反応メタンを除去し、窒素および水素が残るまで、任意の硫黄含有化合物および二酸化炭素を洗浄した。
次いで、2つの供給ガスを、各窒素分子に対する3つの水素分子の比率で重層反応室に汲み上げられる。反応を完了まで駆動する最適な条件は450℃の温度および300倍大気圧の温度であるので、反応容器は極めて頑丈でなければならない。反応の鍵は反応器内の触媒であり、そのほとんどは粉末鉄に基づいている。触媒は、窒素および水素がアンモニアに結合することを可能にし、これはそれを液体状態に凝縮させることによって除去される。
Haber-Boschについての便利なことは、Boschがテーブルに持ってきたものです。スケーラビリティ。アンモニア植物は大量になり、それらのプロセスのために供給原料としてアンモニアを使用する他の化学植物と同じ場所に配置されることがよくあります。 Haber-Boschプロセスによって製造されたアンモニアの約80％は、液体として土壌に直接適用された農業用途、またはペレット化肥料の製造のいずれかである。アンモニアはまた、2018年に世界中で生産された2億3000万トンを超える2億3000万トンの曲への爆発物から染料への成分でもある。
Haber-Boschプロセスの概略図出典：Palma et al、CC-by
クリーナーと環境に優しい？
原料と燃料との両方としてのメタンの使用は、Haber-Boschは環境の観点から非常に汚れたプロセスです。世界中で、Haber-Boschは天然ガス生産の約5％を消費し、全世界のエネルギー供給の約2％を占めています。その後、プロセスが生産するCO2があります。それの多くのそれの多くが有用な副産物として捕獲されそして販売されているが、アンモニア生産は2010年に4億5000万トンのCO2のようなもの、または全世界的な排出量の約1％を生産した。食料生産の50％のようなものがアンモニアに絶対に依存しているという事実を追加し、脱炭化のための熟したターゲットを持っています。
アンモニアペデスタルからハーバーボッシュオフをノックする1つの方法は、電解プロセスを活用することです。最も単純な場合には、電気分解を使用してメタンではなく水から水素供給原料を作り出すことができる。天然ガスは、アンモニア合成に必要な圧力および温度を生成するために必要とされる可能性があるが、これは少なくとも原料としてメタンを除去するであろう。そして、電解電池を風や太陽のような再生可能な供給源によって電力を供給することができれば、そのようなハイブリッドアプローチはハーバーボッシュを洗浄するための長い道のりを得ることができた。
しかし、いくつかの研究者は、ハイブリッドアプローチよりもアンモニアプロダクションをはるかに環境にする完全に電解プロセスを見ています。最近の論文では、オーストラリアのモナッシュ大学のチームは、リチウム電池と同様の化学的プロセスを完全に異なる方法で使用する電解プロセスを、Haber-Boschのほとんどの汚染された側面を排除する潜在的に潜在的に排除されます。
この方法は、小型の電気化学セル内のリチウム含有電解質を使用する。電流がセルに印加されると、電解質に溶解した大気圧窒素がリチウムと結合してセルの陰極で窒化リチウム（Li 3 N）を作製する。窒化リチウムは、3つのヒドロゲンのために3つのリチウム原子が立っていると、アンモニアのように見え、そしてアンモニアを構築するための足場のような種類の作用を達成する。残っているのは、リチウム原子を水素と置き換えることです。
このプロセスの秘訣は、中心にリンを有する正荷電分子であるホスホニウムと呼ばれる化学物質のクラスにあります。モナッシュチームによって使用されるホスホニウム塩は、細胞の陽極から窒化リチウムへのプロトンを担持するのに効果的であることが証明されており、これは寄付を容易に受け入れた。しかし、それらはまた、ホスホニウム分子が再びプロセスを通過し、陽極でプロトンをピックアップし、それをカソードで窒化リチウムに送達することができることを見出した。このようにして、窒化リチウム中の3つのリチウム原子全てが水素に置き換えられ、原料としてメタンを含まない室温でアンモニアが生じる。モナッシュプロセスは有望なようです。ラボ条件下で20時間の試験では、小細胞は電極表面の平方センチメートルごとに1秒間に53ナノモーンのアンモニアを生成し、69％の電気効率でそれを行いました。
方法が証明できる場合は、Haber-Boschよりも多くの利点があります。これらの中でも、高い温度と圧力がないこと、および全体が再生可能な電力以外何もない潜在的に走る可能性があるという事実です。これが小型で分散型アンモニア生産への鍵となる可能性もあります。比較的少数の集中工業植物に頼るのではなく、アンモニア生産は潜在的に小型化され、使用点に近づくことができた。
もちろん、モナッシュプロセスで克服するための障害がたくさんあります。 L.に頼るEVSおよび他の電池式装置がすでにリチウム抽出の限界を伸ばしている世界のイチウム電解質は、リチウム採掘の範囲を洗浄しており、リチウム採掘が化石燃料に大きく依存しているという事実は、少なくとも当面の間に、電解質の緑色の可能性を悪くする。 アンモニアも同様に。 それでも、それは刺激的な発展であり、世界をより洗練された、より環境に富んだ方法で給餌し、燃料をかけ続けるかもしれません。