Was ist Ammoniaksynthese?
Die Ammoniaksynthese ist die Herstellung von Ammoniak aus der Kombination von Wasserstoff- und Stickstoffgasen. Der größte Teil des produzierten Ammoniaks wird als Düngemittel verwendet, obwohl er auch für andere Zwecke wie die Herstellung von Sprengstoffen verwendet werden kann. Das Verfahren wurde in den frühen 1900er Jahren in Deutschland entwickelt.
Die Atmosphäre ist mit Stickstoffgas gefüllt, reagiert jedoch nicht und verbindet sich im Allgemeinen nicht mit anderen Elementen. Die grundlegende Strategie zur Herstellung von Ammoniak, NH 3 , besteht darin, Wasserstoffgas, H 2 , mit Stickstoffgas, N 2 , bei einer hohen Temperatur und unter hohem Druck zu kombinieren. Chemisch gesehen ist dies eine schwierige Reaktion, daher ist ein Mittel erforderlich, um den Prozess zu beschleunigen.
Ein Katalysator ist eine Verbindung, die eine Reaktion schneller abläuft. Bei der Ammoniaksynthese wird in der Regel Eisen als Katalysator eingesetzt. Die Art des verwendeten Eisens ist reduziertes Magnetiterz . Es gibt andere Chemikalien, die als Katalysatoren verwendet werden können, aber am häufigsten ist Eisen.
Die Quelle des Wasserstoffgases ist üblicherweise Erdgas, auch bekannt als Methan, CH 4 . Dies beschreibt den grundlegenden Prozess der Ammoniaksynthese. Viele andere Schritte finden in einer Ammoniaksyntheseanlage statt. Schwefelverbindungen werden zunächst durch Umsetzung mit Zinkoxid, das in Zinksulfid umgewandelt wird, aus dem Erdgas entfernt. Dadurch bleibt freies Methan übrig, das mehrere weitere Umwandlungen durchläuft, um Wasserstoffgas zu erzeugen.
Die verwendete Temperatur beträgt ungefähr 1482 ° F (400 ° C). Der angewendete Druck liegt unter dem für die Reaktion optimalen Wert. Aus Sicherheitsgründen wird ein Druck von ungefähr 200 Atmosphären (atm) verwendet. Die Ausbeute beträgt unter diesen Bedingungen etwa 10-20%. Wenn das Gemisch den Reaktor verlässt, wird es abgekühlt, so dass das Ammoniak flüssig wird. Die Wärme wird aufgefangen und zur Erwärmung der einströmenden Gase wiederverwendet.
Diese Ammoniaksynthesemethode ist als Haber-Verfahren bekannt , da sie vom deutschen Chemiker Fritz Haber entwickelt wurde, der die Bedingungen für die chemische Reaktion entwickelte. Er entwickelte es, als es Anfang des 20. Jahrhunderts an stickstoffhaltigen Düngemitteln mangelte, und weil Deutschland für den Ersten Weltkrieg Sprengstoff benötigte. Derzeit wird Ammoniak weltweit in großem Umfang produziert.
Ein alternativer Weg, um den Wasserstoff für die Reaktion herzustellen, ist die Elektrolyse von Wasser. Bei der Elektrolyse wird Elektrizität zum Abbau von Verbindungen verwendet. In diesem Fall wird Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt. Dies geschah im Zusammenhang mit der Stromerzeugung aus Wasserkraftwerken. Bereits 1911 wurde durch Elektrolyse von Wasser Wasserstoff für die Ammoniaksynthese gewonnen.
Einige Mikroorganismen können Stickstoffgas aus der Luft zur Erzeugung von Ammoniak verwenden. Dieser Vorgang wird als Stickstofffixierung bezeichnet . In diesem Fall sind die Katalysatoren komplexe Enzyme, die als Stickstoffasen bekannt sind . Die Bakterien, die diesen Prozess ausführen, leben an den Wurzeln von Hülsenfrüchten wie Erbsenpflanzen. Die Stickstoffbindung hat den Nährstoffstatus vieler Böden signifikant verbessert.