របៀបដែលដំណើរការប្រតិកម្ម Haber Bosch ដំណើរការ
ដំណើរការ Haber-Bosch គឺជាការរកឃើញដ៏សំខាន់បំផុតមួយនៅក្នុងប្រវត្តិសាស្ត្រគីមីវិទ្យាឧស្សាហកម្ម ពីព្រោះវាអនុញ្ញាតឱ្យមនុស្សផលិតអាម៉ូញាក់ (NH₃) ក្នុងទ្រង់ទ្រាយធំពីឧស្ម័នធម្មជាតិពីរប្រភេទគឺ អាសូត (N₂) ពីខ្យល់ និងអ៊ីដ្រូសែន (H₂) ដែលជាទូទៅទទួលបានពីឧស្ម័នធម្មជាតិ ឬប្រភពផ្សេងទៀត។ បន្ទាប់មក អាម៉ូញាក់ក្លាយជាវត្ថុធាតុដើមសំខាន់សម្រាប់ជីអាសូតដូចជា អ៊ុយរ៉េ និងអាម៉ូញ៉ូមនីត្រាត ដែលដើរតួនាទីយ៉ាងសំខាន់ក្នុងការបង្កើនផលិតភាពកសិកម្មសកល។ បើគ្មានដំណើរការនេះទេ ភាពអាចរកបាននៃស្បៀងអាហារសកលទំនងជាមានកម្រិតជាង។
សាវតារ៖ ហេតុអ្វីបានជាអាសូតពិបាក «ចាប់យក»?
ទោះបីជាខ្យល់មានអាសូតប្រហែល 78% ក៏ដោយ ឧស្ម័ន N₂ មានស្ថេរភាពខ្លាំង ពីព្រោះអាតូមអាសូតពីររបស់វាត្រូវបានចងភ្ជាប់ដោយចំណងបីជាន់ដ៏រឹងមាំ (N≡N)។ ចំណងនេះគឺជាអ្វីដែលធ្វើឱ្យអាសូត "ស្ទាក់ស្ទើរ" ក្នុងការធ្វើប្រតិកម្ម។ តាមពិតរុក្ខជាតិត្រូវការអាសូតដើម្បីបង្កើតប្រូតេអ៊ីន និងអាស៊ីតនុយក្លេអ៊ីក ប៉ុន្តែពួកវាមិនអាចប្រើប្រាស់ N₂ ដោយផ្ទាល់ពីខ្យល់បានទេ។ ជាធម្មតា អាសូតត្រូវបានជួសជុលដោយបាក់តេរីមួយចំនួន ឬតាមរយៈរន្ទះ ប៉ុន្តែអត្រានៃដំណើរការធម្មជាតិទាំងនេះមិនគ្រប់គ្រាន់ដើម្បីបំពេញតម្រូវការកសិកម្មទំនើបនោះទេ។ នេះជាកន្លែងដែល Haber-Bosch ចូលមក៖ ផ្តល់នូវមធ្យោបាយមួយដើម្បី "បង្ខំ" អាសូតឱ្យមានប្រតិកម្មតាមរយៈលក្ខខណ្ឌវិស្វកម្ម និងកាតាលីករ។
ប្រតិកម្មចម្បង៖ ពីអាសូត និងអ៊ីដ្រូសែនទៅអាម៉ូញាក់
សមីការប្រតិកម្មស្នូលនៃដំណើរការ Haber-Bosch គឺ៖
N₂(ក្រាម) + 3H₂(ក្រាម) ⇌ 2NH₃(ក្រាម) + កំដៅ
ប្រតិកម្មនេះអាចបញ្ច្រាស់បាន (អាចដំណើរការទៅទាំងទិសដៅ) និងបញ្ចេញកំដៅ (បង្កើតកំដៅ)។ នេះមានន័យថា ការបង្កើតអាម៉ូញាក់ត្រូវបានអនុគ្រោះនៅសីតុណ្ហភាពទាបជាង យោងទៅតាមគោលការណ៍លំនឹង ប៉ុន្តែនៅសីតុណ្ហភាពទាបពេក ប្រតិកម្មដំណើរការយឺតណាស់។ ដូច្នេះ ដំណើរការឧស្សាហកម្មត្រូវតែស្វែងរកការសម្របសម្រួលរវាងអត្រាប្រតិកម្ម និងទិន្នផលលំនឹង។
ដំណាក់កាលសំខាន់ៗនៅក្នុងដំណើរការ Haber-Bosch
ជាទូទៅ ដំណើរការឧស្សាហកម្ម Haber-Bosch រួមមានដំណាក់កាលជាច្រើន៖ ការផ្គត់ផ្គង់វត្ថុធាតុដើម (H₂ និង N₂) ការបន្សុទ្ធ ការបង្ហាប់ ប្រតិកម្មសំយោគជាមួយកាតាលីករ ការបំបែកអាម៉ូញាក់ និងការកែច្នៃឧស្ម័នដែលមិនទាន់មានប្រតិកម្ម។
១. ប្រភព និងការផលិតអ៊ីដ្រូសែន (H₂)
អ៊ីដ្រូសែនសម្រាប់ដំណើរការ Haber-Bosch ភាគច្រើនបានមកពីការកែច្នៃឧស្ម័នធម្មជាតិ (មេតាន, CH₄)។ ជំហានទាំងនោះរួមមាន៖
– ការធ្វើឲ្យមេតានឡើងទម្រង់ដោយចំហាយទឹក (SMR)៖ មេតានត្រូវបានប្រតិកម្មជាមួយចំហាយទឹកនៅសីតុណ្ហភាពខ្ពស់ដើម្បីបង្កើតជាល្បាយឧស្ម័ន (ស៊ីងហ្គាស) ដែលមាន H₂, CO និង CO₂។
– ប្រតិកម្មផ្លាស់ប្តូរទឹក-ឧស្ម័ន៖ បន្ទាប់មក CO ត្រូវបានធ្វើប្រតិកម្មម្តងទៀតជាមួយចំហាយទឹកដើម្បីបង្កើត CO₂ និងបន្ថែម H₂។
ជាចុងក្រោយ CO₂ ត្រូវបានបំបែក ហើយអ៊ីដ្រូសែនត្រូវបានបន្សុទ្ធ។ នៅក្នុងរុក្ខជាតិមួយចំនួន អ៊ីដ្រូសែនក៏អាចទទួលបានពីអេឡិចត្រូលីសទឹកផងដែរ ជាពិសេសនៅកន្លែងដែលមានអគ្គិសនីកកើតឡើងវិញ ទោះបីជាវាច្រើនតែមានតម្លៃថ្លៃជាងឧស្ម័នធម្មជាតិក៏ដោយ។
២. ការស្រូបយកអាសូត (N₂) ពីខ្យល់
ជាទូទៅ អាសូតត្រូវបានស្រង់ចេញតាមរយៈការបំបែកខ្យល់ដោយប្រើឯកតា cryogenic (ធ្វើឱ្យត្រជាក់ដល់សីតុណ្ហភាពទាបបំផុត) ឬបច្ចេកវិទ្យាផ្សេងទៀតដូចជាការស្រូបយកសម្ពាធ (PSA)។ គោលដៅគឺដើម្បីទទួលបានអាសូតដែលមានភាពបរិសុទ្ធខ្ពស់ ព្រោះសារធាតុចម្លងរោគមួយចំនួនអាចបំពុលកាតាលីករ និងរំខានដល់ប្រតិកម្ម។
៣. ការបន្សុទ្ធឧស្ម័ន៖ ការដកយកសារធាតុពុលចេញពីកាតាលីករ
កាតាលីករដែលប្រើក្នុង Haber-Bosch (ជាធម្មតាមានមូលដ្ឋានលើជាតិដែក) មានភាពរសើបខ្លាំងចំពោះសមាសធាតុដូចជា ស្ពាន់ធ័រ (S) កាបូនម៉ូណូអុកស៊ីត (CO) និងភាពមិនបរិសុទ្ធជាច្រើនទៀត។ ដូច្នេះ ឧស្ម័នចំណីត្រូវតែត្រូវបានបន្សុទ្ធ៖
– សមាសធាតុស្ពាន់ធ័រត្រូវបានយកចេញដោយប្រើសារធាតុស្រូបយកពិសេស។
– CO និង CO₂ ត្រូវបានដោះស្រាយតាមរយៈប្រតិកម្មគីមី (ការផ្លាស់ប្តូរ មេតាន) ឬការបំបែករូបវន្ត/គីមី។
– សំណើម (H₂O) ក៏ត្រូវបានកាត់បន្ថយផងដែរ ដើម្បីកុំឱ្យជ្រៀតជ្រែកជាមួយដំណើរការនេះ។
ការបន្សុទ្ធនេះមានសារៈសំខាន់ខ្លាំងណាស់ ពីព្រោះប្រសិទ្ធភាពរោងចក្រ និងអាយុកាលកាតាលីករពឹងផ្អែកយ៉ាងខ្លាំងទៅលើអនាម័យឧស្ម័ន។
៤. ការបង្ហាប់៖ ការបង្កើនសម្ពាធដើម្បីផ្លាស់ប្តូរលំនឹង
ប្រតិកម្មនេះផលិតឧស្ម័នតិចជាងមុន (ពីឧស្ម័ន ៤ ម៉ូល ទៅឧស្ម័ន ២ ម៉ូល)។ យោងតាមគោលការណ៍របស់ Le Chatelier សម្ពាធខ្ពស់នឹងផ្លាស់ប្តូរលំនឹងឆ្ពោះទៅរកផលិតផល (NH₃)។ ដូច្នេះ ល្បាយនៃ N₂ និង H₂ ត្រូវបានបង្ហាប់ទៅសម្ពាធខ្ពស់ ជាញឹកញាប់នៅក្នុងបរិយាកាសរាប់រយនៅក្នុងការអនុវត្តឧស្សាហកម្មទំនើប (ចំនួនពិតប្រាកដអាចប្រែប្រួលអាស្រ័យលើការរចនារោងចក្រ)។
ទោះជាយ៉ាងណាក៏ដោយ សម្ពាធខ្ពស់មានន័យថាតម្រូវការថាមពលច្រើនសម្រាប់ម៉ាស៊ីនបង្ហាប់ ដូច្នេះរោងចក្រត្រូវតែធ្វើឱ្យប្រសើរឡើងរវាងទិន្នផលអាម៉ូញាក់ និងថ្លៃដើមថាមពល។
៥. រ៉េអាក់ទ័រសំយោគ៖ តួនាទីរបស់កាតាលីករ និងសីតុណ្ហភាពប្រតិបត្តិការ
នៅក្នុងរ៉េអាក់ទ័រ ល្បាយនៃ N₂ និង H₂ ត្រូវបានឆ្លងកាត់កាតាលីករ។ កាតាលីករបុរាណសម្រាប់ដំណើរការ Haber-Bosch គឺជាតិដែក (Fe) ជាមួយនឹងប្រូម៉ូទ័រដូចជាអុកស៊ីដប៉ូតាស្យូម (K₂O) អុកស៊ីដអាលុយមីញ៉ូម (Al₂O₃) និងអុកស៊ីដកាល់ស្យូម (CaO)។ ប្រូម៉ូទ័រជួយបង្កើនសកម្មភាព និងស្ថេរភាពរបស់កាតាលីករ។
ជាទូទៅ សីតុណ្ហភាពប្រតិកម្មត្រូវបានកំណត់ខ្ពស់គ្រប់គ្រាន់ដើម្បីធានាបាននូវអត្រាប្រតិកម្មគ្រប់គ្រាន់។ ទោះជាយ៉ាងណាក៏ដោយ ដោយសារតែប្រតិកម្មបង្កើតអាម៉ូញាក់មានលក្ខណៈបញ្ចេញកំដៅ សីតុណ្ហភាពខ្ពស់ពេកពិតជាធ្វើឱ្យទិន្នផលលំនឹងថយចុះ។ ដូច្នេះ សីតុណ្ហភាពត្រូវបានកំណត់ក្នុងជួរសម្របសម្រួលដែលអនុញ្ញាតឱ្យប្រតិកម្មដំណើរការយ៉ាងឆាប់រហ័ស ខណៈពេលដែលនៅតែផ្តល់ទិន្នផលល្អ។
នៅកម្រិតម៉ូលេគុល កាតាលីករដំណើរការដោយ៖
– ការបំបែកចំណង N≡N នៅលើផ្ទៃកាតាលីករ (នេះជាជំហានដ៏លំបាកបំផុត)។
- ស្រូបយក H₂ ហើយបំបែកវាទៅជាអាតូម H ។
– ជួយបង្កើតចំណង N–H បន្តិចម្តងៗរហូតដល់ NH₃ ត្រូវបានបង្កើតឡើង។
– ការបញ្ចេញ NH₃ ចេញពីផ្ទៃកាតាលីករ ដើម្បីឱ្យកន្លែងសកម្មអាចប្រើឡើងវិញបាន។
៦. ការត្រជាក់ និងការខាប់៖ ការបំបែកអាម៉ូញាក់ចេញពីឧស្ម័ន
បន្ទាប់ពីចាកចេញពីរ៉េអាក់ទ័រ ល្បាយឧស្ម័នមានផ្ទុក NH₃ ក៏ដូចជា N₂ និង H₂ ដែលមិនមានប្រតិកម្ម។ បន្ទាប់មកល្បាយនេះត្រូវបានធ្វើឱ្យត្រជាក់។ អាម៉ូញាក់ងាយនឹងរលាយក្នុងស្ថានភាពជាក់លាក់ ដែលអនុញ្ញាតឱ្យវាត្រូវបានបំបែកដោយការខាប់ទៅជាអាម៉ូញាក់រាវ។
ការបំបែកដោយផ្អែកលើការខាប់នេះមានប្រយោជន៍ខ្លាំងណាស់ពីព្រោះ៖
- ស្វែងរកប្រភពផលិតផលសំខាន់ៗប្រកបដោយប្រសិទ្ធភាព
- លើកទឹកចិត្តឱ្យប្រតិកម្មបន្ត (ផលិតផលត្រូវបានយក លំនឹងត្រូវបានរុញទៅរកផលិតផល)
៧. ការកែច្នៃឧស្ម័នឡើងវិញ៖ បង្កើនប្រសិទ្ធភាពរួម
មិនមែន N₂ និង H₂ ទាំងអស់ត្រូវបានបំប្លែងទៅជា NH₃ ក្នុងការឆ្លងកាត់តែមួយតាមរយៈរ៉េអាក់ទ័រនោះទេ។ ដូច្នេះ ឧស្ម័នដែលនៅសល់ជាធម្មតាត្រូវបានកែច្នៃឡើងវិញទៅក្នុងរ៉េអាក់ទ័របន្ទាប់ពីត្រូវបានបំបែកចេញពីអាម៉ូញាក់។ ការកែច្នៃឡើងវិញបង្កើនអត្រាបំប្លែងទាំងមូលនៃដំណើរការយ៉ាងខ្លាំង និងធ្វើឱ្យការប្រើប្រាស់វត្ថុធាតុដើមកាន់តែមានប្រសិទ្ធភាព។
ក្នុងពេលជាមួយគ្នានេះ ផ្នែកតូចមួយនៃឧស្ម័នអាចត្រូវបាន "បន្សុទ្ធ" ដើម្បីការពារការប្រមូលផ្តុំនៃនិចលភាពដូចជាអារហ្គុនដែលដឹកពីលើអាកាស។
កត្តាដែលជះឥទ្ធិពលដល់លទ្ធផលនៃដំណើរការ
មានកត្តាសំខាន់ៗចំនួនបីដែលតែងតែត្រូវបានពិភាក្សានៅក្នុង Haber-Bosch៖
១. សម្ពាធ៖ សម្ពាធកាន់តែខ្ពស់ ទំនោរក្នុងការផលិត NH₃ កាន់តែខ្ពស់។
២. សីតុណ្ហភាព៖ សីតុណ្ហភាពទាបអំណោយផលដល់លំនឹង ប៉ុន្តែសីតុណ្ហភាពខ្ពស់បង្កើនល្បឿនប្រតិកម្ម។
៣. កាតាលីករ៖ បង្កើនល្បឿននៃការសម្រេចបាននូវលំនឹងដោយមិនផ្លាស់ប្តូរទីតាំងលំនឹងខ្លួនឯង។
ឧស្សាហកម្មជ្រើសរើសលក្ខខណ្ឌប្រតិបត្តិការល្អបំផុតដែលគិតគូរពីសេដ្ឋកិច្ច សុវត្ថិភាព ប្រសិទ្ធភាពថាមពល និងភាពធន់នៃឧបករណ៍។
ផលប៉ះពាល់ និងបញ្ហាប្រឈមសម័យទំនើប
ដំណើរការ Haber-Bosch មានតម្លៃមិនអាចកាត់ថ្លៃបានចំពោះវិស័យកសិកម្ម ប៉ុន្តែវាក៏បង្កបញ្ហាប្រឈមផ្នែកបរិស្ថានផងដែរ។ ការផលិតអ៊ីដ្រូសែនពីឧស្ម័នធម្មជាតិបង្កើតការបំភាយឧស្ម័ន CO₂។ ដូច្នេះ ការស្រាវជ្រាវទំនើបជាច្រើនត្រូវបានផ្តោតលើ៖
– អ៊ីដ្រូសែន «បៃតង» ពីអេឡិចត្រូលីសទឹកដែលមានមូលដ្ឋានលើថាមពលកកើតឡើងវិញ
– ការចាប់យក និងរក្សាទុកកាបូន (CCS) នៅក្នុងរោងចក្រអាម៉ូញាក់
– ការអភិវឌ្ឍកាតាលីករថ្មី ដើម្បីឱ្យប្រតិកម្មអាចកើតឡើងនៅសម្ពាធ ឬសីតុណ្ហភាពទាបជាង
កិច្ចខិតខំប្រឹងប្រែងទាំងនេះមានគោលបំណងរក្សាអត្ថប្រយោជន៍សំខាន់ៗរបស់អាម៉ូញាក់ ជាពិសេសជាជី ខណៈពេលដែលកាត់បន្ថយការបញ្ចេញកាបូនរបស់វា។
សេចក្តីសន្និដ្ឋាន
ដំណើរការ Haber-Bosch គឺជាស៊េរីនៃជំហានឧស្សាហកម្មដែលត្រូវបានរចនាឡើងដើម្បីយកឈ្នះលើស្ថេរភាពនៃអាសូតនៅក្នុងខ្យល់ និងផលិតអាម៉ូញាក់យ៉ាងច្រើន។ វាគឺជាប្រតិកម្មជំរុញដោយកាតាលីករនៃ N₂ និង H₂ ដែលត្រូវបានធ្វើឱ្យប្រសើរឡើងតាមរយៈសម្ពាធខ្ពស់ សីតុណ្ហភាពដែលបានសម្របសម្រួល ការបន្សុទ្ធឧស្ម័ន និងប្រព័ន្ធបំបែក និងកែច្នៃឡើងវិញ។ លទ្ធផលគឺការផលិតអាម៉ូញាក់ ដែលជាឆ្អឹងខ្នងនៃជីទំនើប និងជាមូលដ្ឋានដ៏សំខាន់សម្រាប់សន្តិសុខស្បៀងអាហារសកល។ បញ្ហាប្រឈមដ៏សំខាន់សម្រាប់អនាគតនៃដំណើរការនេះគឺធ្វើឱ្យវាកាន់តែងាយស្រួលដល់បរិស្ថានតាមរយៈប្រភពអ៊ីដ្រូសែនដែលមានការបំភាយឧស្ម័នទាប និងប្រសិទ្ធភាពថាមពលប្រសើរឡើង។
