Overzicht van het Haber-Bosch-proces

Sommigen beschouwen het Haber-Bosch-proces als reponsibiel voor de bevolkingsgroei in de wereld

Het Haber-Bosch-proces is een proces dat stikstof met waterstof vastzet om ammoniak te produceren - een cruciaal onderdeel bij de productie van plantenmeststoffen. Het proces werd in de vroege jaren 1900 ontwikkeld door Fritz Haber en later aangepast om een ​​industrieel proces te worden voor het maken van meststoffen door Carl Bosch. Het Haber-Bosch-proces wordt door veel wetenschappers beschouwd als een van de belangrijkste technologische ontwikkelingen van de 20ste eeuw.

Het Haber-Bosch-proces is uitermate belangrijk omdat het de eerste processen waren die mensen in staat stelden om plantenmeststoffen massaal 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 creëren (Rae-Dupree, 2011). Dit maakte het voor boeren mogelijk om meer voedsel te verbouwen, wat op zijn beurt het voor de landbouw mogelijk maakte om een ​​grotere populatie te ondersteunen. Velen beschouwen het Haber-Bosch-proces als verantwoordelijk voor de huidige bevolkingsexplosie van de aarde als "ongeveer de helft van het eiwit in de mens van vandaag is ontstaan ​​met stikstof die is gefixeerd via het Haber-Bosch-proces" (Rae-Dupree, 2011).

Geschiedenis en ontwikkeling van het Haber-Bosch-proces

Al honderden eeuwen waren graangewassen het hoofdbestanddeel van het menselijke dieet en als gevolg daarvan moesten boeren een manier ontwikkelen om voldoende gewassen te telen om de bevolking te ondersteunen. Uiteindelijk kwamen ze erachter dat velden tussen de oogsten moesten rusten en dat granen en granen niet de enige oogst konden zijn. Om hun akkers te herstellen, begonnen boeren andere gewassen te planten en toen ze peulvruchten plantten, realiseerden ze zich dat de geplante graangewassen het beter deden. Later werd geleerd dat peulvruchten belangrijk zijn voor het herstel van landbouwvelden omdat ze stikstof aan de grond toevoegen.

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

Aan het einde van de negentiende en vroege twintigste eeuw gingen wetenschappers, voornamelijk scheikundigen, op zoek naar manieren 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 werden toegevoerd aan een hete, onder druk staande ijzeren buis boven een osmiummetaalkatalysator (Morrison, 2001). Het was de eerste keer dat iemand op deze manier ammonia kon ontwikkelen.

Later werkte Carl Bosch, een metaalbewerker 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 in 1914 produceerde de fabriek 20 ton bruikbare stikstof per dag (Morrison, 2001).

Met de start van de Eerste Wereldoorlog stopte de productie van stikstof voor meststoffen in de fabriek en werd de productie overgeschakeld naar 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 terug naar het produceren van meststoffen.

Hoe het Haber-Bosch-proces werkt

In 2000 produceerde het Haber-Bosch-proces van ammoniaksynthese ongeveer 2 miljoen ton ammoniak per week en tegenwoordig is 99% van de anorganische inputs van stikstofmeststoffen op boerderijen afkomstig van Haber-Bosch-synthese (Morrison, 2001).

Het proces werkt vandaag 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 binden 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 800̊F (426̊C) en een druk van ongeveer 200 atmosfeer om stikstof en waterstof samen te binden (Rae-Dupree, 2011). De elementen gaan vervolgens uit de katalysator en in 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 tot ongeveer de helft van de stikstof die in de mondiale landbouw wordt gestoken en dit aantal is hoger in de ontwikkelde landen.

Bevolkingsgroei en het Haber-Bosch-proces

De grootste impact van het Haber-Bosch-proces en de ontwikkeling van deze veel gebruikte, betaalbare meststoffen werpt een wereldwijde populatie op. Deze bevolkingsgroei is waarschijnlijk het gevolg van een verhoogde voedselproductie als gevolg van de meststoffen. In 1900 was de wereldbevolking 1,6 miljard mensen terwijl de bevolking vandaag meer dan 7 miljard mensen is.

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

Ondanks de groei in 's werelds grootste landen, toont de grote bevolkingsgroei wereldwijd sinds de ontwikkeling van het Haber-Bosch proces aan hoe belangrijk het is geweest voor veranderingen in de wereldbevolking.

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

Naast de toename van de wereldbevolking heeft het Haber-Bosch-proces ook een aantal gevolgen gehad voor de natuurlijke omgeving. De grote populatie van de wereld heeft meer hulpbronnen verbruikt, maar belangrijker nog, er is meer stikstof in het milieu terechtgekomen, waardoor dode zones in de oceanen en zeeën van de wereld zijn ontstaan ​​als gevolg van landbouwafvloeiing (Mingle, 2013). Bovendien zorgen stikstofmeststoffen er ook voor dat natuurlijke bacteriën lachgas produceren dat een broeikasgas is en dat het ook zure regen kan veroorzaken (Mingle, 2013). Al deze dingen hebben geleid tot een afname van de biodiversiteit.

Het huidige proces van stikstoffixatie is ook niet volledig efficiënt en er gaat veel verloren nadat het is toegepast op velden als gevolg van afvoer wanneer het regent en een natuurlijke vergassing als het in velden zit. De creatie ervan is ook extreem energie-intensief vanwege de hoge temperatuurdruk die nodig is om de moleculaire bindingen van stikstof te verbreken. Wetenschappers werken momenteel aan het ontwikkelen van efficiëntere manieren om het proces te voltooien en om milieuvriendelijkere manieren te creëren ter ondersteuning van de landbouw en de groeiende bevolking in de wereld.