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制造化肥保护环境新方法减少碳排放

2021-08-12 来源:深圳机械信息网

制造化肥保护环境?新方法减少碳排放

1909年,德国化学家哈伯发明了合成氨工艺。经卡尔·博施改良后的高压合成氨方法——哈伯—博施法实现了合成氨的工业化生产,在百年间养活了几十亿人,成为20世纪初地球人口大爆炸的主要原因。在哈伯之前,农民只能依靠天然肥为作物补充氮元素,随着种植面积的扩大,人与动物的粪便完全无法满足种植业对氮肥的需求。而哈伯—博施法可以将空气中源源不绝的氮气转化为植物可以利用的氨。工厂中大量生产的合成氨成为当时农业的救星,直到今天依然是氮肥的主要来源。

然而农业的救星同时也是环境的杀手。氮气作为一种化学键相对稳定的惰性气体,转化成氨需要严苛的反应条件。哈伯—博施法利用氮气合成氨的方法可分为三个步骤,分别在三个独立的反应器中进行:1.蒸汽甲烷重整。蒸汽与甲烷在固态镍催化剂的作用下分解成为氢气和一氧化碳。2.将蒸汽和一氧化碳转化为二氧化碳和氢气。3.将氢气和氮转化为氨。这一过程需要高压以及达1000℃的高温环境,会消耗大量能源,并且反应中还会释放大量的二氧化碳。有数据指出,工业合成氨大约消耗了全球2%的能源,产生了全球大约1%的二氧化碳排放。因合成氨直接或间接产生的碳排放令人心惊。

自哈伯—博施法开始大规模应用以来,科学家们从来没有停止过改良这一化学反应的尝试。例如澳大利亚莫纳什大学的研究团队利用具有高氮气溶解度的离子液体作为电解质,在纳米结构铁催化剂的参与下通过氮气电还原制氨反应合成氨,这一过程在常规条件下即可完成反应。CSIRO能源公司开展了膜反应器合成氨的研究,可以降低反应对温度和压力的要求,而且所需能源也可以用清洁能源提供的电力代替。我国科学家也取得了不少成果,中科院大连化学物理所的研究人员构筑了新型催化剂体系,可以提高金属催化剂在温和条件下的合成氨性能。中科院合肥研究院固体所也在光催化方向有所突破。

近,来自荷兰和希腊的化学工程师有了新的收获。他们设计了一种新的陶瓷反应器,将合成氨的反应器从3个减少到1个,并将反应过程中排放的二氧化碳量减少了一半。反应器是一根薄薄的陶瓷管,管道内外壁覆盖不同的催化剂,内壁的镍催化剂产生带正电荷的氢离子、电子和二氧化碳,外壁的催化剂含有钒、氮和铁等,可以使氢离子、电子和氮分子进入管道形成氨。陶瓷管外部添加了导线,当袋带负电荷的电子来到陶瓷管外壁时,产生的离子虹吸作用会加快内壁催化剂的反应速度,也让反应只需在约600℃的温度以及正常大气压下就可以进行。

这是改良合成氨工艺的新方向。虽然与上面提到的其他改良方法一样在转化效率或者成本上都还无法与哈伯—博施法相比,但至少让研究有了新的方向。工业合成氨反应可以说是改变了人类命运的化学反应,但也是横亘在化学领域的一座大山,化学家们奋斗了将近一个世纪也只能仰望山顶。然而越是难以攀登,越是激励着人们前赴后继。随着研究的进步,新的设备与方法必然会取代哈伯—博施法,让氮肥的获取更环保更廉价。

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