Überblick über den Haber-Bosch-Prozess

Das Haber-Bosch-Prozess ist ein Prozess, bei dem Stickstoff mit Wasserstoff gebunden wird, um Ammoniak zu produzieren - ein entscheidender Bestandteil bei der Herstellung von Pflanzendüngern. Das Verfahren wurde Anfang des 20. Jahrhunderts von Fritz Haber entwickelt und später von Carl Bosch zu einem industriellen Verfahren zur Herstellung von Düngemitteln umgebaut. Der Haber-Bosch-Prozess wird von vielen Wissenschaftlern als einer der wichtigsten technologischen Fortschritte des 20. Jahrhunderts angesehen.

Das Haber-Bosch-Verfahren ist äußerst wichtig, da es das erste entwickelte Verfahren war, mit dem Menschen aufgrund der Ammoniakproduktion Pflanzendünger in Massenproduktion herstellen konnten. Es war auch eines der ersten industriellen Verfahren, bei denen unter hohem Druck eine chemische Reaktion ausgelöst wurde (Rae-Dupree, 2011). Dies ermöglichte es den Landwirten, mehr Lebensmittel anzubauen, was es wiederum ermöglichte Landwirtschaft eine größere Bevölkerung zu unterstützen. Viele halten den Haber-Bosch-Prozess für verantwortlich für die Erdströmung

Bis zum Zeitraum von Industrialisierung Die menschliche Bevölkerung war beträchtlich gewachsen, und infolgedessen musste die Getreideproduktion gesteigert werden, und die Landwirtschaft begann in neuen Gebieten wie Russland, Amerika und Australien (Morrison, 2001). Um die Produktivität der Pflanzen in diesen und anderen Gebieten zu steigern, suchten die Landwirte nach Möglichkeiten, dem Boden Stickstoff hinzuzufügen, und die Verwendung von Gülle und später von Guano und fossilem Nitrat nahm zu.

In den späten 1800er und frühen 1900er Jahren suchten Wissenschaftler, hauptsächlich Chemiker, nach Wegen, um Düngemittel zu entwickeln, indem sie Stickstoff künstlich fixierten, wie es Hülsenfrüchte in ihren Wurzeln tun. Am 2. Juli 1909 erzeugte Fritz Haber einen kontinuierlichen Strom von flüssigem Ammoniak aus Wasserstoff und Stickstoff Gase, die über einen Osmiummetallkatalysator in ein heißes, unter Druck stehendes Eisenrohr eingespeist wurden (Morrison, 2001). Es war das erste Mal, dass jemand auf diese Weise Ammoniak entwickeln konnte.

Später arbeitete der Metallurge und Ingenieur Carl Bosch daran, diesen Prozess der Ammoniaksynthese so zu perfektionieren, dass er weltweit eingesetzt werden kann. 1912 begann in Oppau mit dem Bau einer Anlage mit kommerzieller Produktionskapazität. Die Anlage war in der Lage, in fünf Stunden eine Tonne flüssigen Ammoniaks zu produzieren, und bis 1914 produzierte die Anlage 20 Tonnen nutzbaren Stickstoff pro Tag (Morrison, 2001).

Mit dem Beginn von Erster WeltkriegDie Produktion von Stickstoff für Düngemittel im Werk wurde eingestellt und die Produktion auf Sprengstoff für die Grabenkriegsführung umgestellt. Ein zweites Werk wurde später in Sachsen eröffnet, um die Kriegsanstrengungen zu unterstützen. Am Ende des Krieges produzierten beide Werke wieder Düngemittel.

Das Verfahren funktioniert heute ähnlich wie ursprünglich unter Verwendung von extrem hohem Druck, um eine chemische Reaktion zu erzwingen. Es fixiert Stickstoff aus der Luft mit Wasserstoff aus Erdgas, um Ammoniak zu erzeugen (Diagramm). Der Prozess muss unter hohem Druck stehen, da Stickstoffmoleküle mit starken Dreifachbindungen zusammengehalten werden. Das Haber-Bosch-Verfahren verwendet einen Katalysator oder Behälter aus Eisen oder Ruthenium mit einer Innentemperatur von über 800 F (426 C) und ein Druck von etwa 200 Atmosphären, um Stickstoff und Wasserstoff zusammenzudrücken (Rae-Dupree, 2011). Die Elemente bewegen sich dann aus dem Katalysator in industrielle Reaktoren, wo die Elemente schließlich in flüssiges Ammoniak umgewandelt werden (Rae-Dupree, 2011). Aus dem flüssigen Ammoniak werden dann Düngemittel hergestellt.

Heute tragen chemische Düngemittel etwa die Hälfte des Stickstoffs in die globale Landwirtschaft ein, und diese Zahl ist in Industrieländern höher.

Die Orte mit der größten Nachfrage nach diesen Düngemitteln sind heute auch die Orte, an denen die Weltbevölkerung wächst am schnellsten. Einige Studien zeigen, dass "80 Prozent des weltweiten Anstiegs des Verbrauchs von Stickstoffdüngern zwischen 2000 und 2009 aus Indien und China stammten" (Mischen, 2013).

Trotz des Wachstums in den größten Ländern der Welt ist das große Bevölkerungswachstum weltweit seit dem Die Entwicklung des Haber-Bosch-Prozesses zeigt, wie wichtig es für globale Veränderungen war Population.

Der derzeitige Prozess der Stickstofffixierung ist ebenfalls nicht vollständig effizient und es geht eine große Menge verloren nachdem es auf Felder angewendet wird, weil es bei Regen abfließt und beim Sitzen eine natürliche Vergasung auftritt Felder. Seine Erzeugung ist auch aufgrund des hohen Temperaturdrucks, der zum Aufbrechen der molekularen Bindungen von Stickstoff erforderlich ist, äußerst energieintensiv. Wissenschaftler arbeiten derzeit daran, effizientere Wege zu entwickeln, um den Prozess abzuschließen und umweltfreundlichere Wege zu schaffen, um die Landwirtschaft und die wachsende Bevölkerung der Welt zu unterstützen.