Nous ici sur la terre en direct au fond d’un océan d’azote. près de 80% de chaque souffle que nous prenons est l’azote, et l’élément est un élément essentiel des éléments constitutifs de la vie. L’azote est essentiel à l’épine dorsale de protéines qui forment l’échafaudage que la vie et l’accroche qui catalysent les réactions innombrables dans nos cellules, et les informations nécessaires pour construire ces biopolymères est codée dans les acides nucléiques, eux-mêmes molécules riches en azote.

Et pourtant, sous sa forme gazeuse abondante, l’azote reste directement disponible à des formes de vie supérieures, unusably inerte et non réactive. Nous devons voler notre approvisionnement vital d’azote des rares espèces qui ont appris l’affaire biochimique de transformer l’azote atmosphérique en composés plus réactifs tels que l’ammoniac. Ou du moins jusqu’à récemment, lorsque deux membres particulièrement intelligents de notre espèce a trouvé un moyen d’azote de traction de l’air en utilisant une combinaison de la chimie et de l’ingénierie maintenant connu sous le procédé Haber-Bosch.

Haber-Bosch a été un grand succès, et grâce aux cultures fertilisées avec sa production azotées, est directement responsable de la croissance de la population d’un milliard de personnes en 1900 à près de huit milliards de personnes aujourd’hui. entièrement 50% de l’azote dans votre corps en ce moment est probablement venu d’un endroit du réacteur Haber-Bosch, donc nous dépendons tous littéralement sur elle pour notre vie. Aussi miraculeux que Haber-Bosch est, cependant, ce n’est pas sans ses problèmes, en particulier en cette ère de la diminution des réserves de combustibles fossiles nécessaires pour l’exécuter. Ici, nous allons prendre une plongée profonde dans Haber-Bosch, et nous allons aussi jeter un oeil à des façons de décarboniser potentiellement notre industrie de la fixation de l’azote dans l’avenir.

Facile à trouver, difficile à utiliser

Il devait y avoir une meilleure façon. l’exploitation du guano était autrefois l’une des rares sources d’engrais. Source: Mystic Seaport Museum
Le cœur du problème de l’azote, et la raison pour laquelle la production d’ammoniac est à la fois nécessaire et que l’on consomme beaucoup d’énergie, découle de la nature de l’élément lui-même, en particulier sa tendance à se lier fortement avec les autres de son genre. L’azote a trois électrons non appariés disponibles pour le collage, et la triple liaison qui se traduit par l’azote diatomique qui fait la majeure partie de l’atmosphère est très difficile à briser.

Ces liaisons triples sont ce qui rend l’azote gazeux de manière inerte, mais il crée aussi un problème pour les organismes qui ont besoin d’azote élémentaire pour survivre. La nature a trouvé un certain nombre d’entailles à ce problème, grâce à des processus de fixation d’azote, qui utilisent des enzymes en tant que catalyseurs pour convertir l’azote diatomique en ammoniaque ou d’autres composés azotés.

micro-organismes fixateurs d’azote forment biodisponible d’azote et en bas de la chaîne alimentaire, et pour la plupart de l’histoire humaine, les processus naturels étaient la seule méthode d’obtention de l’azote nécessaire à la fertilisation des cultures. Exploitation des gisements de composés azotés, comme le salpêtre (nitrate de potassium) ou sous la forme de guano de chauve-souris et les excréments d’oiseaux, était autrefois la principale source de nitrates pour l’agriculture et l’industrie.

Mais ces dépôts sont relativement rares et finie dans l’étendue, ce qui conduit à un problème à la fois en termes de nourrir une population mondiale en croissance rapide et en leur fournissant les produits nécessaires pour une prise de niveau de vie. Cela a conduit les chimistes à rechercher des méthodes de transformer les vastes réserves de l’azote atmosphérique en ammoniac utilisable, à partir de la fin du 19ème siècle. Bien qu’il y ait eu plusieurs prétendants succès, la démonstration de laboratoire de chimiste allemand Fritz Haber de faire ammoniac à partir de l’air est devenu le processus de fait; une fois qu’il a été mis à l’échelle et industrialisée par le chimiste et ingénieur Carl Bosch, le procédé Haber-Bosch est né.

Sous pression

La chimie simple du procédé Haber-Bosch dément sa complexité, en particulier lorsqu’ils émanent à l’échelle industrielle. La réaction globale fait paraître assez simple – un peu d’azote, un peu d’hydrogène, et vous avez l’ammoniaque:

Mais les problèmes réside dans la triple liaison mentionnée ci-dessus dans la molécule N2, ainsi que par le fait que la double flèche dans l’équation. Cela signifie que la réaction peut aller dans les deux sens, et en fonction des conditions de réaction telles que la pression et la température, il est en fait plus susceptibles de fonctionner en sens inverse, avec de l’ammoniaque en azote en décomposition retour et de l’hydrogène. Conduire la réaction vers la production d’ammoniac est le tour, comme cela est fournissant l’énergie nécessaire pour briser l’azote diatomique dans l’atmosphère. L’autre astuce fournit suffisamment d’hydrogène, un élément qui est pas particulièrement abondant dans notre atmosphère.

Pour atteindre tous ces objectifs, le procédé Haber-Bosch repose sur la chaleur et la pression – beaucoup de chacun. Le processus commence par la production d’hydrogène par reformage à la vapeur du gaz naturel, du méthane ou:

reformage à la vapeur se déroule comme un processus continu, où le gaz naturel et la vapeur surchauffée sont pompés dans une chambre de réaction contenant un catalyseur de nickel. La sortie du premier processus de reformage est en outreRéagi pour éliminer le monoxyde de carbone et le méthane n’ayant pas réagi et nettoyé de tout composé contenant du soufre et de dioxyde de carbone, jusqu’à ce que rien ne reste mais d’azote et d’hydrogène.

Les deux gaz d’alimentation sont ensuite pompés dans une chambre de réaction à parois épurées dans un rapport de trois molécules d’hydrogène à chaque molécule d’azote. Le récipient du réacteur doit être extrêmement robuste car les conditions optimales pour conduire la réaction à l’achèvement sont une température de 450 ° C et une pression 300 fois atmosphérique. La clé de la réaction est le catalyseur à l’intérieur du réacteur, dont la plupart sont à base de fer en poudre. Le catalyseur permet à l’azote et à l’hydrogène de se lier à l’ammoniac, qui est éliminé en le condensant en un état liquide.

La chose pratique à propos de Haber-Bosch est ce que Bosch a apporté à la table: évolutivité. Les plantes d’ammoniac peuvent être massives et sont souvent co-localisées avec d’autres usines chimiques qui utilisent l’ammoniac comme matière première pour leurs procédés. Environ 80% de l’ammoniac produit par le processus de Haber-Bosch est destiné aux utilisations agricoles, soit appliquées directement sur le sol comme liquide, soit dans la fabrication d’engrais en pelletisée. L’ammoniac est également un ingrédient dans des centaines d’autres produits, des explosifs aux textiles aux colorants, à hauteur de plus de 230 millions de tonnes produites dans le monde en 2018.

Schéma du processus Haber-Bosch. Source: de Palma et al, CC-by
Nettoyant et plus vert?

Entre l’utilisation de méthane comme alimentation en carburant et carburant, Haber-Bosch est un processus très sale d’un point de vue environnemental. Dans le monde entier, Haber-Bosch consomme près de 5% de la production de gaz naturel et est responsable d’environ 2% de l’offre d’énergie mondiale totale. Ensuite, il y a le CO2 Le processus produit; Bien qu’il soit capturé et vendu en tant que sous-produit utile, la production d’ammoniac a produit quelque chose comme 450 millions de tonnes de CO2 en 2010, soit environ 1% des émissions globales totales. Ajouter dans le fait que quelque chose comme 50% de la production alimentaire dépend absolument de l’ammoniac et que vous avez une cible mûre pour la décarbonisation.

Une façon de frapper Haber-Bosch du piédestal d’ammoniac est de tirer parti des processus électrolytiques. Dans le cas le plus simple, l’électrolyse pourrait être utilisée pour créer la charge d’hydrogène de l’eau plutôt que du méthane. Bien que le gaz naturel serait toujours nécessaire pour générer les pressions et les températures nécessaires à la synthèse de l’ammoniac, cela éliminerait au moins le méthane comme une matière première. Et si les cellules électrolytiques pouvaient être alimentées par des sources renouvelables telles que vent ou solaire, une telle approche hybride pourrait aller un long chemin à nettoyer Haber-Bosch.

Mais certains chercheurs examinent un processus complètement électrolytique qui rendra une production d’ammoniac beaucoup plus verte que même l’approche hybride. Dans un article récent, une équipe de Monash University en Australie détaille un processus électrolytique qui utilise la chimie similaire à celle des batteries au lithium pour rendre l’ammoniac de manière totalement différente, qui élimine potentiellement la plupart des aspects plus sale de Haber-Bosch.

Le processus utilise un électrolyte contenant du lithium dans une petite cellule électrochimique; Lorsque le courant est appliqué sur la cellule, l’azote atmosphérique dissous dans l’électrolyte se combine avec du lithium pour faire du nitrure de lithium (LI3N) à la cathode de la cellule. Le nitrure de lithium ressemble beaucoup à l’ammoniac, avec les trois atomes de lithium debout pour les trois hydrogènes et une sorte d’actes comme un échafaudage sur lequel construire l’ammoniac. Tout ce qui reste consiste à remplacer les atomes de lithium avec de l’hydrogène – un exploit plus facile à dire que fait.

Le secret du processus réside dans une classe de produits chimiques appelés phosphonium, qui sont des molécules chargées positivement avec du phosphore au centre. Le sel de phosphonium utilisé par l’équipe de Monash s’est avéré être efficace pour transporter des protons de l’anode de la cellule au nitrure de lithium, qui a facilement accepté le don. Mais ils ont également constaté que la molécule de phosphonium pouvait relà le processus, ramassant un proton à l’anodes et la livrant au nitrure de lithium à la cathode. De cette manière, les trois atomes de lithium dans le nitrure de lithium sont remplacés par de l’hydrogène, entraînant une ammoniac produite à la température ambiante sans méthane comme alimentation en carburant. Le processus de Monash semble prometteur. Dans un test de 20 heures dans des conditions de laboratoire, une petite cellule a produit 53 nanomoles d’ammoniac par seconde pour chaque centimètre carré de surface d’électrode, et l’a fait avec une efficacité électrique de 69%.

Si la méthode peut prouver, elle présente de nombreux avantages par rapport à Haber-Bosch. Le chef de ceux-ci est l’absence de températures et de pressions élevées, et le fait que tout cela pourrait potentiellement fonctionner sur rien d’autre que l’électricité renouvelable. Il est également possible que cela puisse être la clé de la production d’ammoniac répartie plus petite; Plutôt que de compter sur une relativement peu de plantes industrielles centralisées, la production d’ammoniac pourrait potentiellement être miniaturisée et rapprochée du point d’utilisation.

Il existe de nombreux obstacles à surmonter avec le processus de la monash, bien sûr. compter sur lLes électrolytes de ithium dans un monde où EVS et d’autres dispositifs alimentés à la batterie étirent déjà les limites de l’extraction au lithium semble ténu, et le fait que l’exploitation minière au lithium dépend fortement des combustibles fossiles, du moins pour le temps, ternie du potentiel vert d’électrolytique l’ammoniac aussi. Néanmoins, c’est un développement passionnant et celui qui peut garder le monde nourri et alimenté d’une manière plus propre et plus verte.