Quy trình Haber-Bosch là gì?

Tổng quan về quy trình Haber-Bosch

Quy trình Haber-Bosch là một quy trình cố định nitơ bằng hydro để sản xuất amoniac – một phần quan trọng trong sản xuất phân bón thực vật. Quá trình này được Fritz Haber phát triển vào đầu những năm 1900 và sau đó được sửa đổi để trở thành một quy trình công nghiệp để sản xuất phân bón của Carl Bosch. Quá trình Haber-Bosch được nhiều nhà khoa học và học giả coi là một trong những tiến bộ công nghệ quan trọng nhất của thế kỷ 20.

Quy trình Haber-Bosch cực kỳ quan trọng vì đây là quy trình đầu tiên được phát triển cho phép mọi người sản xuất phân bón thực vật hàng loạt do sản xuất amoniac. Đây cũng là một trong những quy trình công nghiệp đầu tiên được phát triển sử dụng áp suất cao để tạo ra phản ứng hóa học ( Rae-Dupree , 2011). Điều này làm cho nông dân có thể trồng nhiều lương thực hơn, từ đó tạo điều kiện cho nông nghiệp hỗ trợ dân số lớn hơn. Nhiều người coi quá trình Haber-Bosch chịu trách nhiệm cho sự bùng nổ dân số hiện tại của Trái đất là “khoảng một nửa protein ở người ngày nay có nguồn gốc từ nitơ cố định thông qua quy trình Haber-Bosch” (Rae-Dupree, 2011).

Lịch sử và sự phát triển của quy trình Haber-Bosch

Vào thời kỳ công nghiệp hóa, dân số loài người đã tăng lên đáng kể và kết quả là cần phải tăng sản xuất ngũ cốc và nông nghiệp bắt đầu ở các khu vực mới như Nga, Châu Mỹ và Úc ( Morrison , 2001). Để làm cho cây trồng có năng suất cao hơn ở những khu vực này và các khu vực khác, nông dân bắt đầu tìm cách thêm nitơ vào đất và sử dụng phân chuồng và sau đó guano và nitrat hóa thạch phát triển.

Vào cuối những năm 1800 và đầu những năm 1900, các nhà khoa học, chủ yếu là các nhà hóa học, bắt đầu tìm cách phát triển phân bón bằng cách cố định nitơ nhân tạo theo cách mà các cây họ đậu làm trong rễ của chúng. Vào ngày 2 tháng 7 năm 1909 Fritz Haber đã tạo ra một dòng amoniac lỏng liên tục từ khí hydro và nitơ được đưa vào một ống sắt chịu áp lực nóng trên chất xúc tác kim loại osmium (Morrison, 2001). Đây là lần đầu tiên bất cứ ai cũng có thể phát triển amoniac theo cách này.

Sau này Carl Bosch, một nhà luyện kim và kỹ sư, đã làm việc để hoàn thiện quá trình tổng hợp amoniac này để nó có thể được sử dụng trên quy mô toàn thế giới. Năm 1912, việc xây dựng một nhà máy có năng lực sản xuất thương mại bắt đầu tại Oppau, Đức. Nhà máy có khả năng sản xuất một tấn amoniac lỏng trong năm giờ và đến năm 1914, nhà máy đã sản xuất 20 tấn nitơ có thể sử dụng mỗi ngày (Morrison, 2001).

Khi bắt đầu Chiến tranh thế giới thứ nhất, việc sản xuất nitơ cho phân bón tại nhà máy đã dừng lại và việc sản xuất chuyển sang sử dụng chất nổ cho chiến tranh chiến hào. Một nhà máy thứ hai sau đó được mở tại Sachsen, Đức để hỗ trợ nỗ lực chiến tranh. Vào cuối cuộc chiến, cả hai nhà máy đã quay trở lại sản xuất phân bón.

Cách thức hoạt động của quy trình Haber-Bosch

Quá trình hoạt động ngày nay giống như ban đầu đã làm bằng cách sử dụng áp suất cực cao để tạo ra phản ứng hóa học. Nó hoạt động bằng cách cố định nitơ từ không khí bằng hydro từ khí tự nhiên để tạo ra amoniac ( sơ đồ ). Quá trình phải sử dụng áp suất cao vì các phân tử nitơ được giữ cùng với liên kết ba mạnh mẽ. Quá trình Haber-Bosch sử dụng chất xúc tác hoặc vật chứa bằng sắt hoặc ruthenium với nhiệt độ bên trong hơn 800̊F (426̊C) và áp suất khoảng 200 atm để buộc nitơ và hydro với nhau (Rae-Dupree, 2011). Các nguyên tố sau đó di chuyển ra khỏi chất xúc tác và vào các lò phản ứng công nghiệp nơi các nguyên tố cuối cùng được chuyển thành amoniac lỏng (Rae-Dupree, 2011). Amoniac chất lỏng sau đó được sử dụng để tạo ra phân bón.

Ngày nay phân bón hóa học đóng góp khoảng một nửa lượng nitơ đưa vào nông nghiệp toàn cầu và con số này cao hơn ở các nước phát triển.

Gia tăng dân số và quy trình Haber-Bosch

Ngày nay, những nơi có nhu cầu nhiều nhất về các loại phân bón này cũng là nơi dân số thế giới tăng nhanh nhất. Một số nghiên cứu cho thấy khoảng “80% mức tăng tiêu thụ phân bón nitơ toàn cầu từ năm 2000 đến năm 2009 đến từ Ấn Độ và Trung Quốc” ( Mingle , 2013).

Bất chấp sự tăng trưởng ở các quốc gia lớn nhất thế giới, sự gia tăng dân số lớn trên toàn cầu kể từ khi phát triển quy trình Haber-Bosch cho thấy tầm quan trọng của nó đối với những thay đổi trong dân số toàn cầu.

Các tác động khác và tương lai của quy trình Haber-Bosch

Quá trình cố định nitơ hiện tại cũng không hoàn toàn hiệu quả và một lượng lớn bị mất sau khi nó được áp dụng cho các trường do dòng chảy khi trời mưa và khí thải tự nhiên khi nó nằm trên các cánh đồng. Việc tạo ra nó cũng cực kỳ tốn năng lượng do áp suất nhiệt độ cao cần thiết để phá vỡ liên kết phân tử của nitơ. Các nhà khoa học hiện đang làm việc để phát triển các cách hiệu quả hơn để hoàn thành quá trình và tạo ra những cách thân thiện với môi trường hơn để hỗ trợ nền nông nghiệp và dân số ngày càng tăng của thế giới.

Domin Võ

Dành ra 12 tiếng/ngày cho công việc tẻ nhạt ở ngân hàng, chỉ khi viết bài cho Mingeek, anh ấy mới thật sự là chính mình. Anh muốn cho mọi người thấy rằng, khoa học không nhàm chán như trong SGK đâu! Nếu các bạn phát hiện sai sót gì trong bài, có thể liên hệ với anh ấy qua Facebook bên dưới. Hoặc nếu bạn muốn trò chuyện về Khoa học, hãy kết bạn luôn nào <3

Related Articles

Back to top button