تلعب محفزات إنتاج الأمونيا دورًا حيويًا في هذه الصناعة الحيوية من خلال 5 طرق حديثة للتحفيز تهدف إلى تجاوز القيود المعروفة لعملية هابر-بوش (Haber-Bosch) التقليدية، والتي تعد عملية كثيفة الاستهلاك للطاقة.
ويتناول في هذا المقال دور محفزات إنتاج الأمونيا التقليدية والحديثة في عمليات إنتاج هذه المادة التي تُعد مادة استراتيجية للأسمدة والعديد من الكيماويات الأخرى حيث تعد (الأمونيا) إحدى المواد الكيميائية الأكثر إنتاجًا، كما أنها بمثابة لبنة أساسية للعديد من الصناعات الحيوية الحديثة .
جدول المحتويات
محفزات إنتاج الأمونيا التقليدية : محفز الحديد (الجيل الأول)
المحفز الأكثر شيوعًا واستخدامًا تاريخيًا وصناعيًا حتى يومنا هذا هو المحفز القائم على الحديد، والذي يعد نموذجاً لـ محفزات إنتاج الأمونيا التقليدية ويتكون المحفز الصناعي من أكسيد الحديد المغناطيسي كمادة خام، يتم اختزاله بواسطة الهيدروجين في مفاعل الأمونيا لإنتاج حديد معدني عالي المسامية وفعال وتتم عملية تكوين الأمونيا على سطح الحديد ثم تأتي الخطوة المحددة للسرعة وهي الخطوة الأبطأ والأكثر أهمية هي كسر رابطة النيتروجين الثلاثية، ولذلك تُسمى هذه الخطوة بالخطوة المحددة لسرعة التفاعل ويلي سلسلة من الخطوات الرئيسية كالآتي :
1. الامتزاز
تبدأ العملية بامتزاز جزيئات الغازات المتفاعلة على السطح النشط للمحفز (ذرات الحديد). يمتص الهيدروجين ويتفكك بسهولة إلى ذرات منفردة، حيث تشغل كل ذرة موقعًا واحدًا على السطح. ويُعد امتزاز النيتروجين هو الخطوة الأصعب؛ حيث يمتص جزيء النيتروجين على سطح الحديد ويُضعف المحفز رابطته الثلاثية استعدادًا لكسرها.
2. التفكك والكسر
هذه هي الخطوة المحددة للسرعة، ويكمن فيها الدور الرئيسي لـ محفزات إنتاج الأمونيا والمروّجات (خاصة البوتاسيوم) من خلال كسر الرابطة الثلاثية للنيتروجين، حيث يتفكك جزيء النيتروجين الممتز إلى ذرتين من النيتروجين الممتصتين على سطح الحديد. هذه الخطوة تتطلب طاقة تنشيط عالية جدًا. يعمل محفز الحديد على خفض طاقة التنشيط هذه بشكل كبير من خلال توفير مسار بديل للتفاعل.
3. الهدرجة السطحية
بمجرد تفكك النيتروجين إلى ذرات، تبدأ ذرات الهيدروجين الممتصة في التفاعل معها تدريجيًا لتكوين الأمونيا في ثلاث خطوات متتابعة:
-
تكوين النتريل (Imide).
-
تكوين الأميد (Amide).
-
تكوين الأمونيا الممتزة.
4. تحرر الجزيئات
تتحرر جزيئات الأمونيا المتكونة من سطح المحفز كغاز، وبذلك يصبح السطح جاهزًا لاستقبال جزيئات جديدة لإعادة عملية التحفيز.
محفزات الجيل الثاني: الروثينيوم (Ruthenium Catalysts)
على الرغم من فعالية محفز الحديد، إلا أن الحاجة إلى العمل في ضغوط ودرجات حرارة أقل (لتقليل استهلاك الطاقة وتكاليف التشغيل) دفعت الباحثين للبحث عن محفزات بديلة.
1- محفزات الروثينيوم
هي الأكثر نشاطًا بين محفزات إنتاج الأمونيا المعدنية المعروفةو يُظهر الروثينيوم نشاطًا تحفيزيًا أعلى بكثير من الحديد، مما يسمح بتشغيل التفاعل عند ضغوط أقل (أحيانًا أقل من 100 بار) ودرجات حرارة أدنى نسبيًا لزيادة تشتت الروثينيوم (وهو معدن ثمين وباهظ الثمن) وتقليل الكمية المستخدمة، يجب دعمه على حامل ذي مساحة سطح عالية. يُستخدم الجرافيت (Graphite) أو الكربون النشط كحامل مفضل لـ محفزات إنتاج الأمونيا القائمة على الروثينيوم. كما يُستخدم السيزيوم أو الباريوم أو البوتاسيوم كمروّجات قلوية أو قلوية ترابية لزيادة نشاطه.
المحفزات الحديثة والمستقبلية
بدأت الشركات العالمية تطوير محفزات إنتاج الأمونيا تستطيع العمل في ظروف “معتدلة” (درجة حرارة وضغط منخفضان)، مما يمهد الطريق لإنتاج الأمونيا الخضراء (Green Ammonia) التي تعتمد على الهيدروجين المُنتج من مصادر متجددة. ومن أبرز هذه الاتجاهات:
1-محفزات النتريل المعدني
تُعدّ مركبات مثل نتريل الكوبالت والموليبدينوم من محفزات إنتاج الأمونيا الواعدة. تتميز بآلية عمل مختلفة (يُعتقد أنها أقرب لآلية عمل إنزيم النيتروجيناز الطبيعي)، ويمكن أن تُظهر نشاطًا جيدًا عند ضغوط أقل.
2-المحفزات الكهربائية
تُستخدم هذه المحفزات في عملية الاختزال الكهربائي للنيتروجين، حيث يتم تحويل النيتروجين إلى أمونيا باستخدام الكهرباء والماء في درجة حرارة الغرفة وضغط منخفض جدًا، بدلاً من الحرارة والضغط العاليين. وتشمل محفزات إنتاج الأمونيا الكهربائية مركبات الروثينيوم-الغاليوم المدعومة على الكربون، ومعادن أخرى مثل الليثيوم والموليبدينوم.
3-المحفزات القائمة على الحديد والكوبالت المُحسَّنة
طُوِّرت محفزات إنتاج الأمونيا مثل ATA207 الذي يحتوي على الكوبالت ويتميز بخصائص مثل الاختزال السهل ودرجة حرارة التنشيط المحدودة. هناك أنواع أخرى تعتمد على الحديد النيجيري على المغنتيت، وتحفيز الخلايا البيضاء الذي يعتمد على معادن الأرض النادرة، ومحفزات خاصة تجمع بين الزركونيوم والتيتانيوم لتحسين إنتاج الأمونيا.
4-تحفيز إنتاج الأمونيا باستخدام ضوء الشمس
يوجد نوعان من محفزات إنتاج الأمونيا المبتكرة لإنتاج الأمونيا من الماء وضوء الشمس، وذلك من خلال التحكم في عملية التمثيل الضوئي وتقليل استهلاك الطاقة.
5-المحفزات الحديثة في طرق إنتاج الأمونيا عبر البلازما
في بعض طرق التحفيز، يتم ضخ جزيئات من معدن النحاس كعامل محفز، كما يتم استخدام البلازما لتنشيط غاز النيكل.
ختاما : تظل محفزات إنتاج الأمونيا، وخاصة محفز الحديد متعدد المروّجات، هو عماد صناعة الأمونيا العالمية بفضل متانته وتكلفته المنخفضة. ومع ذلك، فإن البحث مستمر في محفزات إنتاج الأمونيا من الجيل الجديد، خاصة تلك القائمة على الروثينيوم والنتريلات، لخفض متطلبات الطاقة اللازمة لإنتاج الأمونيا، وهو ما يمثل هدفًا استراتيجيًا للتنمية المستدامة.
فيديو .. آلية إنتاج الأمونيا
المراجع :
- محفزات تصنيع الأمونيا – antenchem
- محفز الأمونيا – petro-catalyst
-
محفز تخليق الأمونيا – smartcatalyst
اقرأ أيضا :
- 7 مزايا لإنتاج الأمونيا الزرقاء تعرف عليها
- انبعاثات الأمونيا والبيئة : 5 مصادر رئيسية تهدد التوازن البيئي وصحة الإنسان
- استخدامات الأمونيا الصناعية: 9 مجالات حيوية تُشكل حلول مستدامة للطاقة
- عملية هابر – بوش للأمونيا: 116 عام من الإنتاج إلي التحول المستدام
