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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：5167

　　【儀器網(wǎng) 能源環(huán)境】1909年，德國化學家哈伯發(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。氮氣作為一種化學鍵相對穩(wěn)定的惰性氣體，轉(zhuǎn)化成氨需要嚴苛的反應條件。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1000℃的高溫環(huán)境，會消耗大量能源，并且反應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)模應用以來，科學家們從來沒有停止過改良這一化學反應的嘗試。例如澳大利亞莫納什大學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合成氨，這一過程在常規(guī)條件下即可完成反應。CSIRO能源公司開展了“膜反應器”合成氨的研究，可以降低反應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。我國科學家也取得了不少成果，中科院大連化學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工程師有了新的收獲。他們設計了一種新的陶瓷反應器，將合成氨的反應器從3個減少到1個，并將反應過程中排放的二氧化碳量減少了一半。反應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線，當袋帶負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)壁催化劑的反應速度，也讓反應只需在約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)合成氨反應可以說是改變了人類命運的化學反應，但也是橫亙在化學領(lǐng)域的一座大山，化學家們奮斗了將近一個世紀也只能仰望山頂。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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