Panoramica del processo Haber-Bosch

Il processo Haber-Bosch è un processo che fissa l'azoto con l'idrogeno per produrre ammoniaca, una parte fondamentale nella produzione di fertilizzanti vegetali. Il processo è stato sviluppato nei primi anni del 1900 da Fritz Haber e in seguito è stato modificato per diventare un processo industriale per produrre fertilizzanti da Carl Bosch. Il processo Haber-Bosch è considerato da molti scienziati e studiosi come uno dei più importanti progressi tecnologici del 20 ° secolo.

Il processo Haber-Bosch è estremamente importante perché è stato il primo dei processi sviluppati che ha permesso alle persone di produrre in serie fertilizzanti vegetali a causa della produzione di ammoniaca. È stato anche uno dei primi processi industriali sviluppati per utilizzare l'alta pressione per creare una reazione chimica (Rae-Dupree, 2011). Ciò ha permesso agli agricoltori di coltivare più cibo, il che a sua volta ha permesso all'agricoltura di sostenere una popolazione più ampia. Molti considerano il processo Haber-Bosch responsabile dell'attuale esplosione demografica della Terra in quanto "circa la metà della proteina nell'uomo di oggi ha avuto origine con azoto fissato attraverso il processo Haber-Bosch" (Rae-Dupree, 2011).

Storia e sviluppo del processo Haber-Bosch

Nel periodo di industrializzazione la popolazione umana era cresciuta considerevolmente e, di conseguenza, era necessario aumentare la produzione di grano e l'agricoltura iniziò in nuove aree come la Russia, le Americhe e l'Australia (Morrison, 2001). Al fine di rendere le colture più produttive in queste e altre aree, gli agricoltori hanno iniziato a cercare modi per aggiungere azoto al suolo e l'uso di letame e successivamente guano e nitrato fossile è cresciuto.

Alla fine del 1800 e agli inizi del 1900, gli scienziati, principalmente i chimici, iniziarono a cercare modi per sviluppare fertilizzanti fissando artificialmente l'azoto come fanno i legumi nelle loro radici. Il 2 luglio 1909, Fritz Haber produceva un flusso continuo di ammoniaca liquida da idrogeno e gas azoto che venivano immessi in un tubo di ferro caldo e pressurizzato su un catalizzatore di metallo ad osmio (Morrison, 2001). Era la prima volta che qualcuno era in grado di sviluppare l'ammoniaca in questo modo.

Successivamente, Carl Bosch, metallurgista e ingegnere, ha lavorato per perfezionare questo processo di sintesi dell'ammoniaca in modo che potesse essere utilizzato su scala mondiale. Nel 1912 iniziò la costruzione di un impianto con una capacità di produzione commerciale a Oppau, in Germania. L'impianto era in grado di produrre una tonnellata di ammoniaca liquida in cinque ore e nel 1914 produceva 20 tonnellate di azoto utilizzabile al giorno (Morrison, 2001).

Con l'inizio della prima guerra mondiale, la produzione di azoto per fertilizzanti nell'impianto si interruppe e la produzione passò a quella degli esplosivi per la guerra di trincea. In seguito venne aperto un secondo impianto in Sassonia, in Germania, per sostenere lo sforzo bellico. Alla fine della guerra entrambe le piante tornarono a produrre fertilizzanti.

Come funziona il processo Haber-Bosch

Il processo oggi funziona in modo molto simile a quello originario usando una pressione estremamente elevata per forzare una reazione chimica. Funziona fissando azoto dall'aria con idrogeno dal gas naturale per produrre ammoniaca (diagramma). Il processo deve usare l'alta pressione perché le molecole di azoto sono tenute insieme con forti legami tripli. Il processo Haber-Bosch utilizza un catalizzatore o un contenitore in ferro o rutenio con una temperatura interna di oltre 800 F (426 C) e una pressione di circa 200 atmosfere per forzare insieme azoto e idrogeno (Rae-Dupree, 2011). Gli elementi si spostano quindi fuori dal catalizzatore e in reattori industriali dove gli elementi vengono infine convertiti in ammoniaca fluida (Rae-Dupree, 2011). L'ammoniaca fluida viene quindi utilizzata per creare fertilizzanti.

Oggi, i fertilizzanti chimici contribuiscono a circa metà dell'azoto immesso nell'agricoltura globale e questo numero è più elevato nei paesi sviluppati.

Crescita della popolazione e processo Haber-Bosch

Oggi, i luoghi con la maggiore domanda di questi fertilizzanti sono anche i luoghi in cui la popolazione mondiale sta crescendo più velocemente. Alcuni studi dimostrano che "circa l'80% dell'aumento globale del consumo di fertilizzanti azotati tra il 2000 e il 2009 proveniva dall'India e dalla Cina" (Mingle, 2013).

Nonostante la crescita nei più grandi paesi del mondo, la grande crescita della popolazione a livello globale dallo sviluppo del processo Haber-Bosch mostra quanto sia stato importante per i cambiamenti nella popolazione globale.

Altri impatti e il futuro del processo Haber-Bosch

Anche l'attuale processo di fissazione dell'azoto non è completamente efficiente e una grande quantità viene persa dopo che è stata applicata ai campi a causa del deflusso quando piove e di una naturale gassificazione mentre si trova nei campi. La sua creazione è inoltre estremamente dispendiosa in termini di energia a causa della pressione ad alta temperatura necessaria per rompere i legami molecolari dell'azoto. Gli scienziati stanno attualmente lavorando per sviluppare modi più efficienti per completare il processo e per creare modi più rispettosi dell'ambiente per supportare l'agricoltura mondiale e la popolazione in crescita.