Overzicht van het Haber-Bosch-proces

Het Haber-Bosch-proces is een proces dat stikstof met waterstof fixeert om ammoniak te produceren - een cruciaal onderdeel bij de productie van plantenmeststoffen. Het proces werd begin 1900 ontwikkeld door Fritz Haber en werd later aangepast tot een industrieel proces om kunstmest te maken door Carl Bosch. Het Haber-Bosch-proces wordt door veel wetenschappers en wetenschappers beschouwd als een van de belangrijkste technologische ontwikkelingen van de 20e eeuw.

Het Haber-Bosch-proces is uiterst belangrijk omdat het de eerste was van processen die mensen in staat stelden om plantaardige meststoffen in massa te produceren vanwege de productie van ammoniak. Het was ook een van de eerste industriële processen die werden ontwikkeld om hoge druk te gebruiken om een ​​chemische reactie te veroorzaken (Rae-Dupree, 2011). Dit maakte het mogelijk voor boeren om meer voedsel te verbouwen, waardoor de landbouw op zijn beurt een grotere bevolking kon ondersteunen. Velen beschouwen het Haber-Bosch-proces als de oorzaak van de huidige bevolkingsexplosie van de aarde, omdat "ongeveer de helft van het eiwit in de huidige mens afkomstig is van stikstof dat is gefixeerd via het Haber-Bosch-proces" (Rae-Dupree, 2011).

Geschiedenis en ontwikkeling van het Haber-Bosch-proces

Door de periode van industrialisatie was de menselijke bevolking aanzienlijk gegroeid, en als gevolg hiervan was er behoefte aan verhoging van de graanproductie en begon de landbouw in nieuwe gebieden zoals Rusland, Amerika en Australië (Morrison, 2001). Om gewassen in deze en andere gebieden productiever te maken, gingen boeren op zoek naar manieren om stikstof aan de bodem toe te voegen, en het gebruik van mest en later groeide guano en fossiel nitraat.

Aan het einde van de 19e eeuw en het begin van de 20e eeuw begonnen wetenschappers, voornamelijk chemici, manieren te zoeken om kunstmest te ontwikkelen door stikstof kunstmatig te fixeren zoals peulvruchten dat doen in hun wortels. Op 2 juli 1909 produceerde Fritz Haber een continue stroom vloeibare ammoniak uit waterstof- en stikstofgassen die in een hete, onder druk staande ijzeren buis over een katalysator van osmiummetaal werden gevoerd (Morrison, 2001). Het was de eerste keer dat iemand op deze manier ammoniak kon ontwikkelen.

Later werkte Carl Bosch, een metallurg en ingenieur, om dit proces van ammoniaksynthese te perfectioneren, zodat het op een wereldwijde schaal kon worden gebruikt. In 1912 begon de bouw van een fabriek met een commerciële productiecapaciteit in Oppau, Duitsland. De fabriek was in staat om in vijf uur een ton vloeibare ammoniak te produceren en tegen 1914 produceerde de fabriek 20 ton bruikbare stikstof per dag (Morrison, 2001).

Met het begin van de Eerste Wereldoorlog stopte de productie van stikstof voor meststoffen in de fabriek en schakelde de productie over op die van explosieven voor loopgravenoorlog. Een tweede fabriek werd later geopend in Saksen, Duitsland om de oorlogsinspanning te ondersteunen. Aan het einde van de oorlog gingen beide planten weer meststoffen produceren.

Hoe het Haber-Bosch-proces werkt

Het proces werkt tegenwoordig net zoals het oorspronkelijk deed door extreem hoge druk te gebruiken om een ​​chemische reactie af te dwingen. Het werkt door stikstof uit de lucht te fixeren met waterstof uit aardgas om ammoniak te produceren (diagram). Het proces moet hoge druk gebruiken omdat stikstofmoleculen bij elkaar worden gehouden met sterke drievoudige bindingen. Het Haber-Bosch-proces maakt gebruik van een katalysator of container gemaakt van ijzer of ruthenium met een binnentemperatuur van meer dan 800 F (426 C) en een druk van ongeveer 200 atmosfeer om stikstof en waterstof samen te dwingen (Rae-Dupree, 2011). De elementen worden vervolgens uit de katalysator verplaatst naar industriële reactoren waar de elementen uiteindelijk worden omgezet in vloeibare ammoniak (Rae-Dupree, 2011). De vloeibare ammoniak wordt vervolgens gebruikt om meststoffen te maken.

Tegenwoordig dragen chemische meststoffen bij aan ongeveer de helft van de stikstof die in de wereldwijde landbouw wordt gebracht, en dit aantal is hoger in ontwikkelde landen.

Bevolkingsgroei en het Haber-Bosch-proces

Tegenwoordig zijn de plaatsen met de meeste vraag naar deze meststoffen ook de plaatsen waar de wereldbevolking het snelst groeit. Sommige studies tonen aan dat ongeveer "80 procent van de wereldwijde toename van het verbruik van stikstofmeststoffen tussen 2000 en 2009 uit India en China kwam" (Mingle, 2013).

Ondanks de groei in de grootste landen ter wereld, laat de grote bevolkingsgroei wereldwijd sinds de ontwikkeling van het Haber-Bosch-proces zien hoe belangrijk het is geweest voor veranderingen in de wereldbevolking.

Andere gevolgen en de toekomst van het Haber-Bosch-proces

Het huidige proces van stikstofbinding is ook niet volledig efficiënt, en een groot deel gaat verloren nadat het op velden is aangebracht als gevolg van afspoeling als het regent en een natuurlijke gassing terwijl het in velden zit. De creatie ervan is ook extreem energie-intensief vanwege de hoge temperatuur die nodig is om de moleculaire bindingen van stikstof te verbreken. Wetenschappers werken momenteel aan efficiëntere manieren om het proces te voltooien en milieuvriendelijkere manieren te creëren om de landbouw en de groeiende bevolking van de wereld te ondersteunen.