Co to jest synteza amoniaku?
Synteza amoniaku polega na wytwarzaniu amoniaku z połączenia wodoru i gazów azotowych. Większość wytwarzanego amoniaku jest wykorzystywana jako nawóz, chociaż może być również wykorzystywana do innych celów, takich jak wytwarzanie materiałów wybuchowych. Proces został opracowany w Niemczech na początku XX wieku.
Atmosfera jest pełna azotu, ale nie reaguje i na ogół nie łączy się z innymi pierwiastkami. Podstawową strategią wytwarzania amoniaku, NH3, jest łączenie gazowego wodoru, H2, z gazowym azotem, N2, w wysokiej temperaturze i pod wysokim ciśnieniem. Chemicznie jest to trudna reakcja, więc wymaga środka w celu przyspieszenia procesu.
Katalizator to związek, który przyspiesza przebieg reakcji. Jako katalizator stosuje się zazwyczaj żelazo w syntezie amoniaku. Rodzaj zastosowanego żelaza to zredukowana ruda magnetytowa . Istnieją inne chemikalia, które można wykorzystać jako katalizatory, ale żelazo jest najbardziej powszechne.
Źródłem wodoru jest zwykle gaz ziemny, znany również jako metan, CH 4 . Opisuje to podstawowy proces syntezy amoniaku. Wiele innych etapów ma miejsce w zakładzie syntezy amoniaku. Związki siarki są najpierw usuwane z gazu ziemnego w reakcji z tlenkiem cynku, który przekształca się w siarczek cynku. Pozostawia to wolny metan, który przechodzi kilka kolejnych przemian w celu wytworzenia gazowego wodoru.
Zastosowana temperatura wynosi około 1482 ° F (400 ° C). Zastosowane ciśnienie jest niższe niż optymalne dla reakcji. Ze względów bezpieczeństwa stosuje się ciśnienie około 200 atmosfer (atm). Wydajność wynosi około 10-20% w tych warunkach. Gdy mieszanina opuszcza reaktor, jest chłodzona, dzięki czemu amoniak stanie się cieczą. Ciepło jest wychwytywane i ponownie wykorzystywane do ogrzewania wchodzących gazów.
Ta metoda syntezy amoniaku jest znana jako proces Habera , ponieważ został stworzony przez niemieckiego chemika Fritza Habera, który opracował warunki dla reakcji chemicznej. Opracował go podczas niedoboru nawozów zawierających azot na początku XX wieku, a ponieważ Niemcy potrzebowały materiałów wybuchowych do I wojny światowej. Obecnie amoniak jest produkowany na dużą skalę na całym świecie.
Alternatywnym sposobem wytwarzania wodoru do reakcji jest elektroliza wody. Elektroliza wykorzystuje energię elektryczną do rozkładania związków. W takim przypadku woda jest rozkładana na wodór i tlen. Dokonano tego w połączeniu z produkcją energii elektrycznej z elektrowni wodnych. Już w 1911 r. Elektroliza wody była wykorzystywana do zapewnienia wodoru do syntezy amoniaku.
Niektóre mikroorganizmy są w stanie wykorzystywać gazowy azot z powietrza do produkcji amoniaku. Ten proces nazywa się wiązaniem azotu . W tym przypadku katalizatorami są złożone enzymy znane jako azotazy . Bakterie, które przeprowadzają ten proces, żyją na korzeniach roślin strączkowych, takich jak rośliny grochu. Wiązanie azotu znacznie poprawiło stan odżywienia wielu gleb.