哈伯-博施工艺全介绍

文章来源：上海橙哲学堂（公众号：橙哲国际K12）

哈伯-博施法是一种将氮和氢固定在一起生产氨的方法，氨是植物肥料生产的关键部分。该工艺在20世纪初由弗里茨·哈伯(Fritz Haber)开发，后来被卡尔·博世(Carl Bosch)修改为生产化肥的工业工艺。哈伯-博施法被许多科学家和学者认为是20世纪最重要的技术进步之一。

哈伯-博施工艺是非常重要的，因为它是第一个开发出的工艺，允许人们大量生产植物肥料，也就是生产氨。这也是第一个利用高压产生化学反应的工业过程(Rae-Dupree, 2011)。这使得农民有可能种植更多的粮食，从而使农业有可能养活更多的人口。许多人认为哈伯-博施过程对地球目前的人口爆炸负有责任，因为“今天人类大约一半的蛋白质来源于通过哈伯-博施过程固定的氮”(Rae-Dupree, 2011)。

哈伯-博世工艺的历史与发展

在工业化时期，人口大幅增长，因此，有必要增加粮食生产和农业开始在新的地区，如俄罗斯，美洲和澳大利亚(莫里森，2001)。为了在这些地区和其他地区提高作物产量，农民们开始寻找向土壤中添加氮的方法，并开始使用粪肥、后来的鸟粪和化石硝酸盐。

在19世纪末和20世纪初，科学家(主要是化学家)开始寻找开发肥料的方法，像豆类植物在根部人工固定氮一样。1909年7月2日，弗里茨·哈伯(Fritz Haber)用氢气和氮气制造出连续流动的液氨，这些气体被送入一个热的、加压的铁管中，上面有一个金属钐催化剂(Morrison, 2001)。这是第一次有人能够以这种方式产生氨。

后来，冶金学家兼工程师卡尔·博世(Carl Bosch)致力于完善这种氨合成工艺，使之能够在世界范围内使用。1912年，在德国欧波开始建设具有商业生产能力的工厂。该工厂能够在5小时内生产一吨液氨，到1914年，该工厂每天生产20吨可用氮(Morrison, 2001)。

随着第一次世界大战的开始，工厂停止生产用于化肥的氮，转而生产用于堑壕战的炸药。第二家工厂后来在德国萨克森(Saxony)开业，以支持战争努力。战争结束时，这两家工厂都重新开始生产化肥。

哈伯-博施流程是如何运作的

这一过程现在的工作原理与最初的做法非常相似，即使用极高的压力迫使化学反应。它的工作原理是将空气中的氮气与天然气中的氢气固定在一起，从而产生氨(图)。这个过程必须使用高压，因为氮分子是用强的三键结合在一起的。Haber-Bosch工艺使用一种由铁或钌制成的催化剂或容器，其内部温度超过800华氏度(426摄氏度)，压力约为200个大气压，迫使氮和氢在一起(Rae-Dupree, 2011)。然后，这些元素从催化剂中取出，进入工业反应堆，在那里，这些元素最终被转化为液氨(Rae-Dupree, 2011年)。然后，液氨被用来制造肥料。

今天，化肥贡献了全球农业中大约一半的氮，这个数字在发达国家更高。

人口增长和哈伯-博施过程

今天，对这些肥料需求最大的地方也是世界人口增长最快的地方。一些研究表明，“2000年至2009年全球氮肥消费增长的80%来自印度和中国”(Mingle, 2013)。

尽管世界上最大的国家都在增长，但自哈伯-博施过程发展以来，全球人口的大量增长显示出它对全球人口变化的重要性。

哈伯-博施工艺的其他影响和未来

目前的固氮过程也不是完全有效的，在施用于农田后，由于下雨时的径流和田间的自然气体，大量的氮流失。由于打破氮的分子键需要高温压力，它的生成也是极其耗能的。科学家们目前正在努力开发更有效的方法来完成这一过程，并创造更环保的方式来支持世界农业和不断增长的人口。