خداحافظی با کاتالیست فعلی سنتز واحد آمونیاک

خداحافظی با هیدروژن تولیدی از سوخت های فسیلی


 جمع آوری و ترجمه : آقای مهندس عیسی نوروزی پور
 شرکت :پتروشیمی خراسان
 
بیست و هفتم فروردین ۱۳۹۹

اخیرا در ماه آپریل ۲۰۲۰ در دانشکده فنی توکیو یک کاتالیست جدید برای سنتز واحد آمونیاک ساخته و معرفی شده است که قادر است در دمای محیط و کمتر از ۵۰ درجه سانتی گراد از ترکیب هیدروژن و ازت ،گاز آمونیاک تولید نماید. در حال حاضر بالغ بر  170 milion  T/y میلیون تن آمونیاک  و به تبع آن  1.9  میلیارد تن در سال دانه های کشاورزی و ۲۳۰ میلیون تن گوشت  تولید می شود  که بیش از ۷۰ درصد از جمعیت جهان  به طور غیر مستقیم از آن استفاده می نمایند.

بنابراین آمونیاک نقش اساسی در تولید مواد غذایی ایفا می نماید.

برای تولید آمونیاک ، هیدروژن آن از سوختن منابع فسیلی از قبیل گاز طبیعی و همچنین  ازت آن،  از هوا مورد استفاده قرار می گیرد.در حین استفاده از سوختهای فسیلی در واحدهای امونیاک حدود ۳ الی ۶ درصد انتشار دی اکسید کربن به اتمسفر اتفاق می افتد و حدود دو درصد از مصرف انرژی جهان را به خود اختصاص می دهد.

در روش جدید سعی خواهد شد ،تولید هیدروژن از تجزیه آب و با استفاده ازبرق تولیدی  نیروگاههای بادی صورت پذیرد که اگر این هیدروژن در مجاورت کاتالیست فعلی قرار گیرد که از صد سال پیش توسط هابر و بوش که جایزه نوبل را دریافت نمودند و در دمای بیش از  400 درجه سانتی گراد تولید آمونیاک بدست آید  از جذابیت طرح کاسته می شود. بنابراین در این روش  بدلیل استفاده از کاتالیست هایی با عملکرد دمایی بالا ،باعث مصرف انرژی زیادی خواهد شد. 

حال با معرفی کاتالیست RU- Ca FH می توان تولید آمونیاک را در دمای محیط و حدود ۵۰ درجه سانتی گراد انجام داد که این کاتالیست با از دست دادن هیدروژن اتمی، بار منفی به خود گرفته و بار منفی خود را به اوربیتال خالی مولکول ازت N2 داده و موجب می شود که پیوند سه گانه بین اتم های آن که بسیار قوی نیز
 می باشد را شکسته و به دو اتم ازت N تبدیل نماید و هر اتم ازت با سه اتم هیدروژن مجاور خود ترکیب شده و موجب تولید آمونیاک گردد.

بنابراین می توان با تولید هیدروژن از تجزیه مولکول  آب و ترکیب آن با ازت محیط و در مجاورت کاتالیست نانو ذرات روتنیم  Ru-CaFH  و بدون انتشار گاز گلخانه ای دی اکسید کربن و با استفاده از انرژی برق نیروگاههای بادی به تولید آمونیاک پاک ،دسترسی پیدا نمود.

مولکول  N2یک پیوند سه گانه دارد که بسیار قوی و پایدار  بوده و برای شکستن آن به انرژی و الکترون آزاد نیاز می باشد. بنابراین برای تولید آمونیاک نیاز هست که ابتدا مولکول N2 شکسته شده و به دو اتم ازت تبدیل گردد.این کار به  آسانی صورت نمی گیرد ولی چون مولکول ازت دارای اوربیتال خالی در اطراف خود می باشد با تزریق الکترون به اوربیتال خالی آن، پیوند سه گانه آن ضعیف شده و شکسته می شود.در روش هابر و بوش که بیش از یکصد سال قدمت دارد این الکترون را در اربیتال  dیک فلز همانند فلز آهن پیدا نمودند که نقش کلیدی در انتقال الکترون به اوربیتال خالی مولکول N2داشته و موجب شکسته شدن پیوند سه گانه کاتالیست می شود.

متاسفانه الکترون اوربیتال d  فلز آهن به تنهایی قادر به شکستن پیوند سه گانه مولکول ازت نمی باشد به همین خاطر یک الکترون دهنده دیگری به کاتالیست سنتز آمونیاک اضافه کرده اند .این ماده جدید به عنوان بوستر و تقویت کننده تحویل دهنده الکترون فلزی به مولکول ازت شناخته  شده تا مولکول ازت شکسته و به اتم آن تبدیل گردد.

کاتالیست  Ru/CaH2 در دمای کمتز از ۲۰۰ درجه سانتی گراد الکترون می دهد و حتی در دمای کمتر نیز این کار امکان پذیر می باشد.بنابراین اگر موادی  ساخته شوند که باعث الکترون دهی در دمای پایین تری بشوند این مشکل نیز حل خواهد شد.نهایتا کاتالیست Ru/ CaH2 ساخته شد که H منفی در دمای بالای ۲۰۰ درجه سانتی گراد آزاد می کند و الکترون بر روی CaH2 قرار می دهد.

اما پیوند یونی  هیدروژن منفی، با کلسیم دوبار مثبت آن قدر قوی می باشد که در دمای کمتر از ۲۰۰ درجه امکان آزاد سازی اتم هیدروژن وجود ندارد به همین خاطر کاتالیست  Ru/CaH2 در دمای کمتر از ۲۰۰ درجه سانتی گراد  فعال نخواهد بود.

بنابراین اگر بخواهیم در دمای کمتر از ۲۰۰ درجه سانتی گراد و حتی در دمای محیط شکستن پیوند قوی هیدروژن با کلسیم را انجام دهیم می بایست پیوند یونی بین  Ca++ و H   را ضعیف کنیم .با تقویت یک پیوند یونی می توان پیوند یونی دیگر را ضعیف نموده و اینجا بود که برروی یون فلورین منفی F تمرکز شده بود.

پیوند بین کلسیم  Ca++ با  F در حدود دو برابر قویتر از Ca ++ با H  می باشد. به همین خاطر یکی از H مربوط به  Ca H2را با یون منفی فلور   جایگزین نمودند که هایبرید فلوراید کلسیم CaFH تولید گردید.

همانطوریکه انتظار داشتیم پیوند Ca F نسبت به پیوند  CaHپایدارتر می باشد.

به همین خاطر اتم هیدروژن حتی در دمای محیط نیز قابل جدا شدن می باشد حتی در دمای کمتر از ۲۰ درجه سانتی گراد. این کار یک قدرت خارق العاده ای در آزاد سازی اتم هیدروژن به همراه خواهد داشت و این کار قابل مقایسه با پتاسیم فلزی K در کاتالیست مرسوم قدیمی  می باشد.

در کاتالیست جدید، فلز روتنیوم  Ru به صورت ذرات نانو و در اندازه ۳-۸ nm نانو متر می باشد.بنابراین ذرات نانویی Ru بر روی ذرات CaFH رسوب نمونده و آماده انتقال اکلترون و اتم می باشند.

 همانطوریکه می دانیم هیچ واکنشی شروع نخواهد شد مگر اینکه از یک سطح انرژی گذر نماید که همان انرژی اکتیواسیون می باشد که برای تبدیل N2,H2 به آمونیاک و استفاده از کاتالیست آهن ،این انرژی  بیش از ۴OKj/mol  می باشد.این درحالی است که انرژی فعال سازی کاتالیست جدید RuCaFH درحد ۲۰Kj/mol می باشد.

به عنوان مثال مقدار آمونیاک سازی در دمای ۲۰۰ درجه سانتی گراد و در حضور Ru/CaH2 بیش از  500µmol/gh ولی برای کاتالیست RuCaFH بیش ازµmol/gh 1000 می رسد.

بنابراین به این نتیجه می رسیم که کاتالیست جدید می تواند در دمای پایین و حتی کمتر از ۵۰C فعالیت نماید.

شرح مکانیزم عملکرد کاتالیست جدید:

در دمای حدود ۵۰ درجه سانتی گراد ،‌ اتم های  H  از  سطح  CaFHجدا شده و الکترون خود را به جای
 می گذارند.این  جزء کاتالیست ، بسیار قوی تر از پتاسیم فلزی در آزاد سازی اتم  و الکترون عمل می کند. نهایتا  الکترون مربوطه  به سمت  Ruمتمایل می شود و در سطح آن پیوند سه گانه مولکول  N2را تضعیف نموده و به دو اتم ازت  N تقسیم می کند . بعد از آن اتم های هیدروژن با N ترکیب شده و مولکول  NH3 تولید  و از سطح کاتالیست جدا می شوند .

نتبجه گیری:

کاتالیست قدیمی در دمای کمتر از ۱۰۰ درجه سانتی گراد فعال نبوده  و هیچ گونه آمونیاکی در سطح آن تولید نمی گردد .ولی کاتالیست جدید  RuCaFHدر دمای کمتر از ۱۰۰ درجه و حتی دمای کمتر از ۵۰ درجه فعال بوده و آمونیاک در سطح آن تولید می شود.

با توجه به مقرون به صرفه بودن و کاهش مصرف چشم گیر انرژی در استفاده از این کاتالیست جدید ، می توان من بعد از سوختهای فسیلی اسفاده ننموده و از انتشار گازهای گل خانه ای   CO2‌جلوگیری نمود .ضمنا  از انرژی های تجدید پذیر مثل نیروگاههای بادی بهره برده ، آب را تجزیه و از هیدروژن آن در تولید آمونیاک استفاده نمود.