وبالنظر إلى حقيقة أن ما بين ثلاثة وخمسة بالمائة من الغاز الطبيعي في العالم يستخدم لصنع الأسمدة، فإن البحث الجديد يمكن أن يؤدي إلى عواقب وخيمة في قطاعي الزراعة والطاقة معًا.
يحاول علماء من جامعة كامبريدج تطوير طرق لتحسين كفاءة عملية تصنيع الأمونيا. وبالنظر إلى حقيقة أن ما بين ثلاثة وخمسة بالمائة من الغاز الطبيعي في العالم يستخدم لصنع الأسمدة، فإن البحث الجديد يمكن أن يؤدي إلى عواقب وخيمة في قطاعي الزراعة والطاقة معًا.
تعتبر الأمونيا (NH3) حاليا من أهم المواد الكيميائية في عالمنا الحديث، ويرجع ذلك أساسا إلى استخدامها في تحضير الأسمدة الاصطناعية. يعد تصنيع الأمونيا (باستخدام عملية "هابر" أو "هابر-بوش") ضروريًا لإنتاج مئات الملايين من الأطنان من الأسمدة كل عام، وهي مهمة لدعم ثلث سكان العالم.
في الطبيعة، يتم الحصول على الأمونيا عن طريق النباتات (البقوليات بشكل رئيسي) وعن طريق البكتيريا بأنواعها المختلفة، التي تمتص النيتروجين من الهواء الموجود في بيئتها من خلال عملية تعرف باسم "تثبيت النيتروجين". يتم تثبيت النيتروجين في الطبيعة عند درجات حرارة وضغوط معتدلة، في حين أن التثبيت الاصطناعي باستخدام عملية هابر بوش يتطلب ضغوطا عالية (250-150 ضغط جوي) ودرجات حرارة عالية (550-300 درجة مئوية) من أجل إنتاج كميات هائلة من الأمونيا اللازمة ل تلبية الطلب العالمي. إن ثلاثة إلى خمسة في المائة من إنتاج الغاز الطبيعي في العالم، من عملية هابر بوش، يعادل نحو اثنين إلى اثنين في المائة من إمدادات الطاقة العالمية التي ينتجها الإنسان.
وقال الدكتور ستيف جينكينز، من قسم الكيمياء بجامعة كامبريدج وأحد المؤلفين المشاركين للمقال الذي يصف البحث: لقد تم تطوير عملية هابربوش في بداية القرن العشرين، ولكن لم يتم إدخال سوى تغييرات طفيفة عليها بذلت لذلك منذ ذلك الحين. ومن الواضح أنه في ضوء الإنتاج العالمي الكبير للأمونيا، فإن أي تحسن بسيط في كفاءة عملية تصنيع الأمونيا يمكن أن يكون له تأثير كبير، ليس فقط من الجانب الاقتصادي للعملية الصناعية، ولكن أيضًا من الجانب الاقتصادي. الطلب العالمي على الطاقة."
المكون الرئيسي في عملية إنتاج الأمونيا هو محفز الحديد الذي "يشجع" انشطار جزيئات النيتروجين (N2) ويوفر الركيزة التي يمكن لذرات النيتروجين (N) الفردية أن ترتبط بها بنجاح مع الهيدروجين للحصول على الأشكال NH، NH2 وأخيرا الأمونيا (NH3). لقد تم بذل جهود كبيرة على مدى عقود عديدة لفهم كيفية أداء الحديد لمهمته بالضبط، ولماذا يمكن لإضافة عناصر معينة (مثل البوتاسيوم) تحسين نشاط المحفز، وكيف يمكن تطبيق الأفكار التي تم الحصول عليها من البحث في هذه الأسئلة من أجل الإشارة والتطوير، في النهاية، سيكون هناك محفز آخر محتمل أكثر فعالية وتجاريًا بدرجة كافية.
وتعالج النتائج التي توصلت إليها مجموعة البحث من جامعة كامبريدج، والتي نشرت في المجلة العلمية Proceedings of the National Academy of Sciences، بعض هذه المشكلات وتمهد الطريق لإعداد أكثر كفاءة للأسمدة.
يوضح الباحث جنكينز: "يتجه علم الأسطح أكثر فأكثر نحو استخدام عينات من بلورات الحديد المفردة ذات مستوى عالٍ من النظافة، والتي يتطلب إنتاجها عادةً تجارب يتم إجراؤها في ظل ظروف فراغ عالية للغاية. "لقد أجرينا تجارب تجمع بين بعض الخصائص المفيدة لعلم الأسطح البلورية الفردية في فراغ عالٍ للغاية مع تلك المستمدة من طرق الضغط العالي."
في الخطوة الأولى، قام العلماء بتعريض عينة الحديد الخاصة بهم لأيونات النيتروجين من أجل الحصول على تغطية كاملة للسطح قدر الإمكان بذرات النيتروجين. في ظل ظروف الفراغ العالي للغاية، يستخدمون التحليل الطيفي الإلكتروني الخاص (Auger Electron Spectroscopy، AES) القادر على قياس كمية النيتروجين الموجودة على السطح. وفي الخطوة التالية، قام الباحثون بتعريض العينة لغاز النيتروجين عند ضغط أعلى لعدة دقائق. لا يزال هذا الضغط منخفضًا جدًا مقارنة بالظروف الصناعية، وفي الوقت نفسه، يسمح للتفاعل بالمضي قدمًا بسرعة كافية لإجراء قياسات مهمة.
عيب استخدام هذا الضغط هو عدم القدرة على استخدام الفحص المجهري AES أثناء التعرض، ولكن يمكن التغلب على ذلك من خلال العمل في دورات: بعد بضع دقائق من التعرض لهذا الضغط، أعاد الباحثون إفراغ الغرفة التجريبية وعادوا إلى مستويات عالية جدًا. ظروف الفراغ ومن ثم استخدم الفحص المجهري لتقدير كمية النيتروجين التي تركها السطح، ثم تم تعريض السطح مرة أخرى لغاز الهيدروجين ولا سمح الله. من خلال تنفيذ هذه الخطوات عدة دورات، يمكن للباحثين قياس الانخفاض في كمية النيتروجين المرتبطة بالسطح (كمية مقابلة لكمية إنتاج الأمونيا) كدالة للوقت ودرجة الحرارة.
ويضيف أحد الباحثين: "لقد وجدنا أن الزيادة في سرعة رد الفعل بعد إضافة كمية قليلة من البوتاسيوم إلى السطح - حوالي عشرين بالمائة - تشبه تلك الموجودة في الدراسات السابقة. ومع ذلك، تشير النتائج التي توصلنا إليها إلى أنه في ظل ظروف معينة - خاصة عندما يظل ضغط الأمونيا منخفضًا - قد تكون خطوات الهدرجة (إضافة ذرات الهيدروجين) هي الأكثر أهمية.
ويختتم الباحث ويقول: "من الجوانب المهمة الأخرى في الدراسة الحالية هو الصعوبة الكبيرة في العمل بالحديد. بالمقارنة مع المعادن النشطة الأخرى المستخدمة كمحفزات (البلاتين والنحاس والنيكل)، يميل الحديد إلى احتواء تركيزات عالية من الشوائب، وقد يؤدي ذلك إلى الإضرار بتوحيد النتائج وتشويه خصائص المادة الأصلية.
"لقد استغرق الأمر عدة أشهر من تنظيف العينة الحالية، باستخدام مجموعة متنوعة من التقنيات، من أجل التوصل إلى النتائج النهائية. ومن خلال العمل بضغط أعلى من الهيدروجين، يمكننا العمل في درجات حرارة منخفضة وتجنب التفاعلات الجانبية غير المرغوب فيها. أي أن النتائج التي توصلنا إليها تم الحصول عليها من عينة حديد تم تنظيفها جيدًا قبل إجراء التجارب."
أخبار الدراسة
المزيد عن الموضوع على موقع العلوم:
תגובה אחת
لذلك ما هي النقطة؟
ما هو التحسن المتوقع في كفاءة العملية؟