হেবার-বশ বিক্রিয়া প্রক্রিয়া কীভাবে কাজ করে

হেবার-বশ বিক্রিয়া প্রক্রিয়া কীভাবে কাজ করে

হেবার-বশ প্রক্রিয়া শিল্প রসায়নের ইতিহাসে অন্যতম গুরুত্বপূর্ণ আবিষ্কার, কারণ এটি মানুষকে দুটি প্রাকৃতিকভাবে সহজলভ্য গ্যাস—বায়ু থেকে প্রাপ্ত নাইট্রোজেন (N₂) এবং সাধারণত প্রাকৃতিক গ্যাস বা অন্যান্য উৎস থেকে প্রাপ্ত হাইড্রোজেন (H₂)—থেকে বৃহৎ পরিসরে অ্যামোনিয়া (NH₃) উৎপাদন করার সুযোগ করে দেয়। এরপর অ্যামোনিয়া ইউরিয়া এবং অ্যামোনিয়াম নাইট্রেটের মতো নাইট্রোজেন সারের প্রধান কাঁচামাল হয়ে ওঠে, যা বিশ্বব্যাপী কৃষি উৎপাদনশীলতা বৃদ্ধিতে একটি প্রধান ভূমিকা পালন করে। এই প্রক্রিয়াটি ছাড়া, বিশ্বব্যাপী খাদ্যের প্রাপ্যতা সম্ভবত আরও অনেক বেশি সীমিত হতো।

প্রেক্ষাপট: নাইট্রোজেনকে ‘সংগ্রহ’ করা কঠিন কেন?

যদিও বাতাসে প্রায় ৭৮% নাইট্রোজেন থাকে, N₂ গ্যাস খুব স্থিতিশীল কারণ এর দুটি নাইট্রোজেন পরমাণু একটি শক্তিশালী ত্রিবন্ধন (N≡N) দ্বারা আবদ্ধ থাকে। এই বন্ধনটির কারণেই নাইট্রোজেন বিক্রিয়া করতে “অনিচ্ছুক”। উদ্ভিদের প্রোটিন এবং নিউক্লিক অ্যাসিড তৈরির জন্য নাইট্রোজেনের প্রয়োজন হয়, কিন্তু তারা সরাসরি বাতাস থেকে N₂ ব্যবহার করতে পারে না। স্বাভাবিকভাবে, নির্দিষ্ট কিছু ব্যাকটেরিয়া বা বজ্রপাতের মাধ্যমে নাইট্রোজেন সংবন্ধিত হয়, কিন্তু এই প্রাকৃতিক প্রক্রিয়াগুলোর হার আধুনিক কৃষির চাহিদা মেটানোর জন্য যথেষ্ট নয়। এখানেই হেবার-বশ তত্ত্বের ভূমিকা আসে: যা প্রকৌশলগত পরিস্থিতি এবং অনুঘটকের মাধ্যমে নাইট্রোজেনকে বিক্রিয়া করতে “বাধ্য” করার একটি উপায় প্রদান করে।

প্রধান বিক্রিয়া: নাইট্রোজেন ও হাইড্রোজেন থেকে অ্যামোনিয়া

হেবার-বশ প্রক্রিয়ার মূল বিক্রিয়া সমীকরণটি হলো:

N₂(g) + 3H₂(g) ⇌ 2NH₃(g) + তাপ

এই বিক্রিয়াটি উভমুখী (উভয় দিকেই ঘটতে পারে) এবং তাপোৎপাদী (তাপ উৎপন্ন করে)। এর অর্থ হলো, সাম্যাবস্থার নীতি অনুসারে নিম্ন তাপমাত্রায় অ্যামোনিয়া তৈরি হওয়ার সম্ভাবনা বেশি থাকে, কিন্তু তাপমাত্রা অত্যধিক কমে গেলে বিক্রিয়াটি খুব ধীরে সম্পন্ন হয়। তাই, শিল্পক্ষেত্রে বিক্রিয়ার হার এবং সাম্যাবস্থায় উৎপন্ন পরিমাণের মধ্যে একটি ভারসাম্য খুঁজে বের করতে হয়।

হেবার-বশ প্রক্রিয়ার প্রধান পর্যায়গুলি

সাধারণভাবে, হেবার-বশ শিল্প প্রক্রিয়ায় কয়েকটি পর্যায় অন্তর্ভুক্ত থাকে: কাঁচামাল (H₂ এবং N₂) সরবরাহ, বিশুদ্ধকরণ, সংকোচন, অনুঘটকের সাহায্যে সংশ্লেষণ বিক্রিয়া, অ্যামোনিয়া পৃথকীকরণ এবং অবিক্রিয় গ্যাসের পুনর্ব্যবহার।

১. হাইড্রোজেনের (H₂) উৎস ও উৎপাদন

হ্যাবার-বশ প্রক্রিয়ার জন্য হাইড্রোজেন বেশিরভাগ ক্ষেত্রে প্রাকৃতিক গ্যাসের (মিথেন, CH₄) রিফর্মিং থেকে আসে। এর ধাপগুলো হলো:

– স্টিম মিথেন রিফর্মিং (SMR): উচ্চ তাপমাত্রায় মিথেনকে জলীয় বাষ্পের সাথে বিক্রিয়া করিয়ে H₂, CO, এবং CO₂ সমন্বিত একটি গ্যাস মিশ্রণ (সিনগ্যাস) উৎপন্ন করা হয়।
– জল-গ্যাস স্থানান্তর বিক্রিয়া: এরপর CO পুনরায় জলীয় বাষ্পের সাথে বিক্রিয়া করে CO₂ উৎপন্ন করে এবং H₂ যুক্ত করে।

অবশেষে, CO₂ আলাদা করা হয় এবং হাইড্রোজেন বিশুদ্ধ করা হয়। কিছু প্ল্যান্টে, জল তড়িৎ বিশ্লেষণের মাধ্যমেও হাইড্রোজেন আহরণ করা যেতে পারে, বিশেষ করে যেখানে নবায়নযোগ্য বিদ্যুৎ পাওয়া যায়, যদিও এটি প্রায়শই প্রাকৃতিক গ্যাসের চেয়ে বেশি অর্থনৈতিকভাবে ব্যয়বহুল।

২. বাতাস থেকে নাইট্রোজেন (N₂) গ্রহণ

সাধারণত ক্রায়োজেনিক ইউনিট (অত্যন্ত নিম্ন তাপমাত্রায় শীতলীকরণ) ব্যবহার করে বায়ু পৃথকীকরণের মাধ্যমে অথবা প্রেসার সুইং অ্যাডসর্পশন (পিএসএ)-এর মতো অন্যান্য প্রযুক্তির সাহায্যে নাইট্রোজেন নিষ্কাশন করা হয়। এর লক্ষ্য হলো উচ্চ-বিশুদ্ধ নাইট্রোজেন লাভ করা, কারণ কিছু দূষক পদার্থ অনুঘটককে বিষাক্ত করে তুলতে পারে এবং বিক্রিয়ায় বাধা সৃষ্টি করতে পারে।

৩. গ্যাস পরিশোধন: অনুঘটকের ‘বিষাক্ত পদার্থ’ অপসারণ

হ্যাবার-বশ পদ্ধতিতে ব্যবহৃত অনুঘটকগুলি (সাধারণত লোহা-ভিত্তিক) সালফার (S), কার্বন মনোক্সাইড (CO) এবং আরও বিভিন্ন অপদ্রব্যের মতো যৌগের প্রতি অত্যন্ত সংবেদনশীল। তাই, সরবরাহকৃত গ্যাস অবশ্যই বিশুদ্ধ করতে হবে:

বিশেষ অধিশোষক ব্যবহার করে সালফার যৌগ অপসারণ করা হয়।
– CO এবং CO₂ রাসায়নিক বিক্রিয়া (শিফট, মিথেনেশন) অথবা ভৌত/রাসায়নিক পৃথকীকরণের মাধ্যমে নিয়ন্ত্রণ করা হয়।
– প্রক্রিয়াটিতে যাতে কোনো ব্যাঘাত না ঘটে, সেজন্য আর্দ্রতাও (H₂O) কমিয়ে আনা হয়।

এই পরিশোধন অত্যন্ত গুরুত্বপূর্ণ, কারণ প্ল্যান্টের কার্যকারিতা এবং অনুঘটকের জীবনকাল গ্যাসের বিশুদ্ধতার উপর অনেকাংশে নির্ভর করে।

৪. সংকোচন: সাম্যাবস্থা পরিবর্তনের জন্য চাপ বৃদ্ধি করা।

এই বিক্রিয়ায় কম সংখ্যক গ্যাস উৎপন্ন হয় (৪ মোল গ্যাস থেকে ২ মোল গ্যাসে)। লে শ্যাটেলিয়ারের নীতি অনুসারে, উচ্চ চাপ সাম্যাবস্থাকে উৎপাদের (NH₃) দিকে সরিয়ে দেয়। তাই, N₂ এবং H₂-এর মিশ্রণকে উচ্চ চাপে সংকুচিত করা হয়, যা আধুনিক শিল্পক্ষেত্রে প্রায়শই শত শত অ্যাটমোস্ফিয়ার পর্যন্ত হয়ে থাকে (প্ল্যান্টের নকশার উপর নির্ভর করে সঠিক সংখ্যাটি ভিন্ন হতে পারে)।

তবে, উচ্চ চাপের কারণে কম্প্রেসরের জন্য প্রচুর শক্তির প্রয়োজন হয়, তাই প্ল্যান্টটিকে অ্যামোনিয়া উৎপাদন এবং শক্তি ব্যয়ের মধ্যে একটি ভারসাম্য বজায় রাখতে হবে।

৫. সংশ্লেষণ রিঅ্যাক্টর: অনুঘটকের ভূমিকা এবং পরিচালন তাপমাত্রা

রিঅ্যাক্টরে, নাইট্রোজেন (N₂) এবং হাইড্রোজেন (H₂) এর একটি মিশ্রণ একটি অনুঘটকের উপর দিয়ে চালনা করা হয়। হেবার-বশ প্রক্রিয়ার চিরায়ত অনুঘটক হলো লোহা (Fe), যার সাথে পটাশিয়াম অক্সাইড (K₂O), অ্যালুমিনিয়াম অক্সাইড (Al₂O₃), এবং ক্যালসিয়াম অক্সাইড (CaO)-এর মতো প্রোমোটার ব্যবহৃত হয়। প্রোমোটারগুলো অনুঘটকের সক্রিয়তা এবং স্থিতিশীলতা বাড়াতে সাহায্য করে।

বিক্রিয়ার হার পর্যাপ্ত রাখার জন্য বিক্রিয়ার তাপমাত্রা সাধারণত যথেষ্ট বেশি রাখা হয়। তবে, যেহেতু অ্যামোনিয়া তৈরির বিক্রিয়াটি তাপোৎপাদী, তাই অতিরিক্ত উচ্চ তাপমাত্রা সাম্যাবস্থায় উৎপাদনের পরিমাণ কমিয়ে দেয়। এই কারণে, তাপমাত্রা এমন একটি আপোসযোগ্য সীমার মধ্যে নির্ধারণ করা হয়, যা বিক্রিয়াটিকে দ্রুত এগিয়ে যেতে সাহায্য করার পাশাপাশি ভালো উৎপাদনও নিশ্চিত করে।

আণবিক স্তরে, অনুঘটকসমূহ নিম্নোক্ত উপায়ে কাজ করে:
– অনুঘটকের পৃষ্ঠে থাকা N≡N বন্ধনগুলো ভাঙা (এটি সবচেয়ে কঠিন ধাপ)।
– H₂ শোষণ করে এবং এটিকে ভেঙে H পরমাণুতে পরিণত করে।
– NH₃ তৈরি না হওয়া পর্যন্ত N–H বন্ধনের ক্রমান্বয়িক গঠনে সাহায্য করে।
– অনুঘটকের পৃষ্ঠ থেকে NH₃ নির্গত করা, যাতে সক্রিয় স্থানগুলো পুনরায় ব্যবহার করা যায়।

৬. শীতলীকরণ ও ঘনীভবন: গ্যাস থেকে অ্যামোনিয়া পৃথকীকরণ

রিঅ্যাক্টর থেকে বের হওয়ার পর গ্যাস মিশ্রণে NH₃-এর পাশাপাশি অবিক্রিয় N₂ এবং H₂ থাকে। এরপর এই মিশ্রণটিকে ঠান্ডা করা হয়। নির্দিষ্ট পরিস্থিতিতে অ্যামোনিয়া সহজেই তরলীকৃত হয়, ফলে ঘনীভবনের মাধ্যমে একে তরল অ্যামোনিয়ায় পৃথক করা যায়।

এই ঘনীভবন-ভিত্তিক পৃথকীকরণ খুবই উপকারী, কারণ:
– দক্ষতার সাথে মূল পণ্যটি সংগ্রহ করুন
– বিক্রিয়াকে চলতে উৎসাহিত করে (উৎপাদসমূহ অপসারিত হয়, সাম্যাবস্থা উৎপাদসমূহের দিকে ধাবিত হয়)

৭. গ্যাস পুনর্ব্যবহার: সামগ্রিক দক্ষতা বৃদ্ধি করে।

রিঅ্যাক্টরের মধ্য দিয়ে একবার চালনার ফলে সমস্ত N₂ এবং H₂ অ্যামোনিয়াতে রূপান্তরিত হয় না। তাই, অবশিষ্ট গ্যাসকে অ্যামোনিয়া থেকে আলাদা করার পর সাধারণত রিঅ্যাক্টরে পুনরায় ব্যবহার করা হয়। এই পুনঃচক্রায়ন প্রক্রিয়াটির সামগ্রিক রূপান্তরের হার উল্লেখযোগ্যভাবে বাড়িয়ে দেয় এবং কাঁচামালের ব্যবহারকে আরও কার্যকর করে তোলে।

একই সময়ে, বাতাস থেকে বাহিত আর্গনের মতো নিষ্ক্রিয় পদার্থের জমা হওয়া রোধ করতে গ্যাসের একটি ক্ষুদ্র অংশ “পরিশোধিত” করা যেতে পারে।

প্রক্রিয়ার ফলাফলকে প্রভাবিত করে এমন উপাদানসমূহ

হেবার-বশ পদ্ধতিতে তিনটি মূল বিষয় নিয়ে সর্বদা আলোচনা করা হয়:

১. চাপ: চাপ যত বেশি হবে, NH₃ উৎপন্ন হওয়ার প্রবণতাও তত বাড়বে।
২. তাপমাত্রা: নিম্ন তাপমাত্রা সাম্যাবস্থার পক্ষে সহায়ক, কিন্তু উচ্চ তাপমাত্রা বিক্রিয়ার হারকে ত্বরান্বিত করে।
৩. অনুঘটক: সাম্যাবস্থার অবস্থান নিজে পরিবর্তন না করে সাম্যাবস্থা অর্জনের প্রক্রিয়াকে ত্বরান্বিত করে।

শিল্প প্রতিষ্ঠানগুলো অর্থনীতি, নিরাপত্তা, শক্তি দক্ষতা এবং যন্ত্রপাতির স্থায়িত্ব বিবেচনা করে সর্বোত্তম পরিচালন পরিস্থিতি নির্বাচন করে।

আধুনিক প্রভাব এবং চ্যালেঞ্জ

হেবার-বশ প্রক্রিয়া কৃষিক্ষেত্রে অমূল্য অবদান রেখেছে, কিন্তু এটি পরিবেশগত চ্যালেঞ্জও তৈরি করে। প্রাকৃতিক গ্যাস থেকে হাইড্রোজেন উৎপাদনে CO₂ নির্গমন হয়। তাই, আধুনিক গবেষণার একটি বড় অংশ নিম্নলিখিত বিষয়গুলির দিকে পরিচালিত হচ্ছে:
– নবায়নযোগ্য শক্তি-ভিত্তিক জল তড়িৎ বিশ্লেষণ থেকে “সবুজ” হাইড্রোজেন
– অ্যামোনিয়া প্ল্যান্টে কার্বন ক্যাপচার এবং স্টোরেজ (CCS)
– নতুন অনুঘটকের উদ্ভাবন, যাতে কম চাপে বা তাপমাত্রায় বিক্রিয়া সম্পন্ন করা যায়।

এই প্রচেষ্টাগুলোর লক্ষ্য হলো অ্যামোনিয়ার উল্লেখযোগ্য উপকারিতা—বিশেষ করে সার হিসেবে—বজায় রাখার পাশাপাশি এর কার্বন পদচিহ্ন হ্রাস করা।

উপসংহার

হেবার-বশ প্রক্রিয়া হলো বায়ুতে থাকা নাইট্রোজেনের স্থিতিশীলতা কাটিয়ে উঠে বিপুল পরিমাণে অ্যামোনিয়া উৎপাদনের জন্য পরিকল্পিত ধারাবাহিক শিল্প ধাপসমূহ। এটি মূলত N₂ এবং H₂-এর একটি অনুঘটক-চালিত বিক্রিয়া, যা উচ্চ চাপ, নিয়ন্ত্রিত তাপমাত্রা, গ্যাস পরিশোধন এবং একটি পৃথকীকরণ ও পুনর্ব্যবহার ব্যবস্থার মাধ্যমে সর্বোত্তম করা হয়। এর ফলস্বরূপ অ্যামোনিয়া উৎপাদিত হয়, যা আধুনিক সারের মেরুদণ্ড এবং বৈশ্বিক খাদ্য নিরাপত্তার জন্য একটি গুরুত্বপূর্ণ ভিত্তি। এই প্রক্রিয়ার ভবিষ্যতের জন্য মূল চ্যালেঞ্জ হলো স্বল্প-নিঃসরণকারী হাইড্রোজেন উৎস এবং উন্নত শক্তি দক্ষতার মাধ্যমে এটিকে আরও পরিবেশবান্ধব করে তোলা।