Översikt över Haber-Bosch-processen

De Haber-Bosch-processen är en process som fixar kväve med väte för att producera ammoniak - en viktig del i tillverkningen av växtgödsel. Processen utvecklades i början av 1900-talet av Fritz Haber och modifierades senare för att bli en industriell process för att tillverka gödselmedel av Carl Bosch. Haber-Bosch-processen betraktas av många forskare och forskare som ett av 1900-talets viktigaste tekniska framsteg.

Haber-Bosch-processen är oerhört viktig eftersom den var den första av de utvecklade processerna som gjorde det möjligt för människor att massproducera växtgödselmedel på grund av ammoniakproduktion. Det var också en av de första industriella processerna som utvecklades för att använda högt tryck för att skapa en kemisk reaktion (Rae-Dupree, 2011). Detta gjorde det möjligt för jordbrukare att odla mer mat, vilket i sin tur gjorde det möjligt för lantbruk att stödja en större befolkning. Många anser att Haber-Bosch-processen är ansvarig för jordens nuvarande befolkningsexplosion

Efter perioden av industrialisering den mänskliga befolkningen hade vuxit avsevärt, och som ett resultat fanns ett behov av att öka spannmålsproduktionen och jordbruket inleddes i nya områden som Ryssland, Amerika och Australien (Morrison, 2001). För att göra grödor mer produktiva i dessa och andra områden började bönderna leta efter sätt att lägga till kväve i jorden, och användningen av gödsel och senare guano och fossilnitrat växte.

I slutet av 1800-talet och början av 1900-talet började forskare, främst kemister, leta efter sätt att utveckla gödselmedel genom att konstgjorda kväve på samma sätt som baljväxter gör i sina rötter. Den 2 juli 1909 producerade Fritz Haber ett kontinuerligt flöde av flytande ammoniak från väte och kväve gaser som matades in i ett hett trycksatt järnrör över en osmiummetallkatalysator (Morrison, 2001). Det var första gången någon kunde utveckla ammoniak på detta sätt.

Senare arbetade Carl Bosch, en metallurg och ingenjör, för att göra denna process av ammoniaksyntes perfekt så att den kunde användas i hela världen. 1912 började byggandet av en anläggning med kommersiell produktionskapacitet i Oppau, Tyskland. Anläggningen kunde producera ett ton flytande ammoniak på fem timmar och år 1914 producerade anläggningen 20 ton användbart kväve per dag (Morrison, 2001).

Med början av första världskriget, produktionen av kväve för gödselmedel vid anläggningen stannade och tillverkningen växlade till sprängämnen för skyttegrav. En andra anläggning öppnades senare i Sachsen, Tyskland för att stödja krigsinsatsen. I slutet av kriget gick båda växterna tillbaka till produktion av gödselmedel.

Processen fungerar idag mycket som den ursprungligen gjorde genom att använda extremt högt tryck för att tvinga fram en kemisk reaktion. Det fungerar genom att fixera kväve från luften med väte från naturgas för att producera ammoniak (diagram). Processen måste använda högt tryck eftersom kvävemolekyler hålls samman med starka trippelbindningar. I Haber-Bosch-processen används en katalysator eller behållare gjord av järn eller rutenium med en inre temperatur på över 800 F (426 C) och ett tryck på cirka 200 atmosfärer för att tvinga kväve och väte tillsammans (Rae-Dupree, 2011). Elementen flyttas sedan ut från katalysatorn och till industriella reaktorer där elementen så småningom omvandlas till flytande ammoniak (Rae-Dupree, 2011). Den flytande ammoniaken används sedan för att skapa gödselmedel.

I dag bidrar kemiska gödselmedel till ungefär hälften av kväve som släpps in i det globala jordbruket, och antalet är högre i utvecklade länder.

Idag är de platser med mest efterfrågan på dessa gödselmedel också de platser där världens befolkning växer snabbast. Vissa studier visar att cirka "80 procent av den globala ökningen av konsumtion av kvävegödselmedel mellan 2000 och 2009 kom från Indien och Kina" (Blanda, 2013).

Trots tillväxten i världens största länder är den stora befolkningstillväxten globalt sedan utveckling av Haber-Bosch-processen visar hur viktigt det har varit för globala förändringar befolkning.

Den nuvarande processen med kvävefixering är inte heller helt effektiv och en stor mängd går förlorad efter att den appliceras på fält på grund av avrinning när det regnar och en naturlig avgasning när den sitter i fält. Dess skapande är också extremt energikrävande på grund av det höga temperaturtrycket som behövs för att bryta kväveens molekylbindningar. Forskare arbetar för närvarande med att utveckla effektivare sätt att slutföra processen och skapa mer miljövänliga sätt som stöder världens jordbruk och växande befolkning.