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制造化肥保護環(huán)境？新方法減少碳排放

2019-11-09 10:57:08來源：儀器網(wǎng)關(guān)鍵詞：合成氨閱讀量：5055

導(dǎo)讀：合成氨工藝養(yǎng)活了幾十億人，但也是環(huán)境殺手，會消耗大量能源，并且反應(yīng)還會釋放大量的二氧化碳?？茖W(xué)家們從來沒有停止過改良這一化學(xué)反應(yīng)的嘗試。近，來自荷蘭和希臘的化學(xué)工程師設(shè)計了一種新的陶瓷反應(yīng)器，反應(yīng)過程中排放的二氧化碳量減少了一半。

　　【儀器網(wǎng) 能源環(huán)境】1909年，德國化學(xué)家哈伯發(fā)明了合成氨工藝。經(jīng)卡爾·博施改良后的高壓合成氨方法——“哈伯—博施法”實現(xiàn)了合成氨的工業(yè)化生產(chǎn)，在百年間養(yǎng)活了幾十億人，成為20世紀(jì)初地球人口大爆炸的主要原因。在哈伯之前，農(nóng)民只能依靠天然肥為作物補充氮元素，隨著種植面積的擴大，人與動物的糞便完全無法滿足種植業(yè)對氮肥的需求。而哈伯—博施法可以將空氣中源源不絕的氮氣轉(zhuǎn)化為植物可以利用的氨。工廠中大量生產(chǎn)的合成氨成為當(dāng)時農(nóng)業(yè)的救星，直到今天依然是氮肥的主要來源。

　　然而農(nóng)業(yè)的救星同時也是環(huán)境的殺手。氮氣作為一種化學(xué)鍵相對穩(wěn)定的惰性氣體，轉(zhuǎn)化成氨需要嚴(yán)苛的反應(yīng)條件。哈伯—博施法利用氮氣合成氨的方法可分為三個步驟，分別在三個獨立的反應(yīng)器中進行：1.蒸汽甲烷重整。蒸汽與甲烷在固態(tài)鎳催化劑的作用下分解成為氫氣和一氧化碳。2.將蒸汽和一氧化碳轉(zhuǎn)化為二氧化碳和氫氣。3.將氫氣和氮轉(zhuǎn)化為氨。這一過程需要高壓以及達(dá)1000℃的高溫環(huán)境，會消耗大量能源，并且反應(yīng)中還會釋放大量的二氧化碳。有數(shù)據(jù)指出，工業(yè)合成氨大約消耗了2%的能源，產(chǎn)生了大約1%的二氧化碳排放。因合成氨直接或間接產(chǎn)生的碳排放令人心驚。

　　自哈伯—博施法開始大規(guī)模應(yīng)用以來，科學(xué)家們從來沒有停止過改良這一化學(xué)反應(yīng)的嘗試。例如澳大利亞莫納什大學(xué)的研究團隊利用具有高氮氣溶解度的離子液體作為電解質(zhì)，在納米結(jié)構(gòu)鐵催化劑的參與下通過氮氣電還原制氨反應(yīng)合成氨，這一過程在常規(guī)條件下即可完成反應(yīng)。CSIRO能源公司開展了“膜反應(yīng)器”合成氨的研究，可以降低反應(yīng)對溫度和壓力的要求，而且所需能源也可以用清潔能源提供的電力代替。我國科學(xué)家也取得了不少成果，中科院大連化學(xué)物理所的研究人員構(gòu)筑了新型催化劑體系，可以提高金屬催化劑在溫和條件下的合成氨性能。中科院合肥研究院固體所也在光催化方向有所突破。

　　近，來自荷蘭和希臘的化學(xué)工程師有了新的收獲。他們設(shè)計了一種新的陶瓷反應(yīng)器，將合成氨的反應(yīng)器從3個減少到1個，并將反應(yīng)過程中排放的二氧化碳量減少了一半。反應(yīng)器是一根薄薄的陶瓷管，管道內(nèi)外壁覆蓋不同的催化劑，內(nèi)壁的鎳催化劑產(chǎn)生帶正電荷的氫離子、電子和二氧化碳，外壁的催化劑含有釩、氮和鐵等，可以使氫離子、電子和氮分子進入管道形成氨。陶瓷管外部添加了導(dǎo)線，當(dāng)袋帶負(fù)電荷的電子來到陶瓷管外壁時，產(chǎn)生的離子虹吸作用會加快內(nèi)壁催化劑的反應(yīng)速度，也讓反應(yīng)只需在約600℃的溫度以及正常大氣壓下就可以進行。

　　這是改良合成氨工藝的新方向。雖然與上面提到的其他改良方法一樣在轉(zhuǎn)化效率或者成本上都還無法與哈伯—博施法相比，但至少讓研究有了新的方向。工業(yè)合成氨反應(yīng)可以說是改變了人類命運的化學(xué)反應(yīng)，但也是橫亙在化學(xué)領(lǐng)域的一座大山，化學(xué)家們奮斗了將近一個世紀(jì)也只能仰望山頂。然而越是難以攀登，越是激勵著人們前赴后繼。隨著研究的進步，新的設(shè)備與方法必然會取代哈伯—博施法，讓氮肥的獲取更環(huán)保更廉價。

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