Überblick über den Haber-Bosch-Prozess

Das Haber-Bosch-Verfahren ist ein Verfahren, bei dem Stickstoff mit Wasserstoff zu Ammoniak gebunden wird - ein wichtiger Bestandteil bei der Herstellung von Pflanzendüngern. Das Verfahren wurde Anfang des 20. Jahrhunderts von Fritz Haber entwickelt und später von Carl Bosch zu einem industriellen Verfahren zur Herstellung von Düngemitteln umgebaut. Der Haber-Bosch-Prozess wird von vielen Wissenschaftlern als einer der wichtigsten technologischen Fortschritte des 20. Jahrhunderts angesehen.

Das Haber-Bosch-Verfahren ist äußerst wichtig, da es das erste Verfahren war, das es den Menschen ermöglichte, aufgrund der Produktion von Ammoniak Pflanzendünger in Serie herzustellen. Es war auch eines der ersten industriellen Verfahren, bei denen unter hohem Druck eine chemische Reaktion erzeugt wurde (Rae-Dupree, 2011). Dies ermöglichte es den Landwirten, mehr Lebensmittel anzubauen, was wiederum der Landwirtschaft ermöglichte, eine größere Bevölkerung zu ernähren. Viele halten den Haber-Bosch-Prozess für die derzeitige Bevölkerungsexplosion auf der Erde für verantwortlich, da "etwa die Hälfte des Proteins des heutigen Menschen aus Stickstoff stammt, der durch den Haber-Bosch-Prozess fixiert wurde" (Rae-Dupree, 2011)..

Geschichte und Entwicklung des Haber-Bosch-Prozesses

In der Zeit der Industrialisierung war die menschliche Bevölkerung beträchtlich gewachsen, und infolgedessen musste die Getreideproduktion gesteigert und die Landwirtschaft in neuen Gebieten wie Russland, Amerika und Australien aufgenommen werden (Morrison, 2001). Um die Ernteerträge in diesen und anderen Gebieten zu steigern, suchten die Landwirte nach Möglichkeiten, dem Boden Stickstoff zuzuführen, und der Einsatz von Gülle und später Guano und fossilem Nitrat nahm zu.

In den späten 1800er und frühen 1900er Jahren begannen Wissenschaftler, vor allem Chemiker, nach Wegen zu suchen, Düngemittel zu entwickeln, indem sie den Stickstoff künstlich wie Hülsenfrüchte in ihren Wurzeln fixierten. Am 2. Juli 1909 erzeugte Fritz Haber einen kontinuierlichen Strom von flüssigem Ammoniak aus Wasserstoff- und Stickstoffgasen, die über einen Osmiummetallkatalysator in ein heißes, unter Druck stehendes Eisenrohr geleitet wurden (Morrison, 2001). Es war das erste Mal, dass jemand auf diese Weise Ammoniak entwickeln konnte.

Später arbeitete der Metallurge und Ingenieur Carl Bosch daran, diesen Prozess der Ammoniaksynthese so zu perfektionieren, dass er weltweit eingesetzt werden kann. 1912 wurde in Oppau mit dem Bau einer Anlage mit kommerzieller Produktionskapazität begonnen. Die Anlage war in der Lage, in fünf Stunden eine Tonne flüssigen Ammoniak zu produzieren, und bis 1914 produzierte die Anlage 20 Tonnen nutzbaren Stickstoff pro Tag (Morrison, 2001)..

Mit Beginn des Ersten Weltkrieges wurde die Produktion von Stickstoff für Düngemittel im Werk eingestellt und die Produktion auf Sprengstoff für die Grabenkriegsführung umgestellt. Ein zweites Werk wurde später in Sachsen eröffnet, um die Kriegsanstrengungen zu unterstützen. Bei Kriegsende produzierten beide Werke wieder Düngemittel.

So funktioniert der Haber-Bosch-Prozess

Das Verfahren funktioniert heute ähnlich wie ursprünglich, indem extrem hoher Druck angewendet wird, um eine chemische Reaktion zu erzwingen. Dabei wird Stickstoff aus der Luft mit Wasserstoff aus Erdgas zu Ammoniak gebunden (Diagramm). Der Prozess muss unter hohem Druck ablaufen, da Stickstoffmoleküle mit starken Dreifachbindungen zusammengehalten werden. Das Haber-Bosch-Verfahren verwendet einen Katalysator oder Behälter aus Eisen oder Ruthenium mit einer Innentemperatur von über 800 F (426 C) und einem Druck von etwa 200 Atmosphären, um Stickstoff und Wasserstoff zusammenzudrücken (Rae-Dupree, 2011). Die Elemente bewegen sich dann aus dem Katalysator heraus und in Industriereaktoren, wo sie schließlich in flüssiges Ammoniak umgewandelt werden (Rae-Dupree, 2011). Das flüssige Ammoniak wird dann zur Herstellung von Düngemitteln verwendet.

Chemische Düngemittel machen heute etwa die Hälfte des Stickstoffs aus, der in der globalen Landwirtschaft anfällt, und diese Zahl ist in den Industrieländern höher.

Bevölkerungswachstum und der Haber-Bosch-Prozess

Heute sind die Orte mit der größten Nachfrage nach diesen Düngemitteln auch die Orte, an denen die Weltbevölkerung am schnellsten wächst. Einige Studien zeigen, dass etwa 80 Prozent des weltweiten Anstiegs des Stickstoffdüngemittelverbrauchs zwischen 2000 und 2009 aus Indien und China stammten (Mingle, 2013)..

Trotz des Wachstums in den größten Ländern der Welt zeigt das weltweite Bevölkerungswachstum seit der Entwicklung des Haber-Bosch-Prozesses, wie wichtig es für die Veränderung der Weltbevölkerung war.

Weitere Auswirkungen und die Zukunft des Haber-Bosch-Prozesses

Der derzeitige Prozess der Stickstofffixierung ist ebenfalls nicht vollständig effizient, und eine große Menge geht verloren, nachdem sie auf Felder aufgebracht wurde, da sie bei Regen abfließt und auf den Feldern eine natürliche Vergasung auftritt. Aufgrund des hohen Temperaturdrucks, der zum Aufbrechen der molekularen Stickstoffbindungen erforderlich ist, ist seine Erzeugung auch äußerst energieintensiv. Wissenschaftler arbeiten derzeit daran, effizientere Wege zu finden, um den Prozess abzuschließen und umweltfreundlichere Wege zu finden, um die Landwirtschaft und die wachsende Bevölkerung der Welt zu unterstützen.