נוכח העובדה כי בין שלושה לחמישה אחוזים מהגז הטבעי בעולם משמשים להכנת דשנים, המחקר החדש יוכל להוביל להשלכות משמעותיות במגזרי החקלאות והאנרגיה יחדיו.
מדענים מאוניברסיטת קיימברידג’ מנסים לפתח דרכים לשיפור יעילות תהליך הסינתזה של אמוניה. נוכח העובדה כי בין שלושה לחמישה אחוזים מהגז הטבעי בעולם משמשים להכנת דשנים, המחקר החדש יוכל להוביל להשלכות משמעותיות במגזרי החקלאות והאנרגיה יחדיו.
אמוניה (NH3) מהווה כיום את אחד מהכימיקלים החשובים ביותר בעולמנו המודרני, בעיקר בשל השימוש בה להכנה של דשנים סינתטיים. סינתזת אמוניה (באמצעות תהליך “הבר” או “הבר-בוש”) חיונית לייצור של מאה מיליוני טונות של דשן מדי שנה, החשובים לתמיכה בשליש מאוכלוסיית העולם.
בטבע, אמוניה מתקבלת ע”י צמחים (בעיקר קטניות) וע”י חיידקים מסוגים שונים, אשר קולטים חנקן מהאוויר שבסביבתם באמצעות תהליך המכונה בשם “קיבוע חנקן”. קיבוע חנקן בטבע מתרחש בטמפרטורות ובלחצים מתונים, בעוד שהקיבוע המלאכותי באמצעות תהליך הבר-בוש מחייב לחצים גבוהים (250-150 אטמוספרות) וטמפרטורות גבוהות (550-300 מעלות צלזיוס) על-מנת לייצר את הכמויות הענקיות של אמוניה ההכרחיות למילוי הדרישה העולמית. שלושה עד חמישה אחוזים מייצור הגז הטבעי בעולם, המשמים בתהליך הבר-בוש, מסתכמים בכאחוז עד שניים מאספקת האנרגיה העולמית המיוצרת ע”י האדם.
ד”ר סטיב ג’נקינס, מהמחלקה לכימיה באוניברסיטת קיימברידג’ ואחד מהשותפים לכתיבת המאמר המתאר את המחקר, אמר: תהליך הבר-בוש פותח בתחילת המאה העשרים, אולם מאז נעשו בו שינויים קטנים בלבד. ברור מאליו כי, לאור הייצור העולמי הנרחב של אמוניה, אפילו שיפור קטן ביעילות תהליך הסינתזה של האמוניה יוכל להשפיע באופן משמעותי, לא רק מההיבט הכלכלי של התהליך התעשייתי, אלא גם מההיבט של ביקוש האנרגיה העולמי.”
רכיב המפתח בתהליך ייצור האמוניה הינו זרז ברזל אשר “מעודד” את הביקוע של מולקולות החנקן (N2) ומספק מצע שעל גביו אטומי החנקן (N) הפרטניים יוכלו להיקשר בהצלחה למימן לקבלת הצורונים NH,NH2 ולבסוף אמוניה (NH3). מאמצים גדולים נעשו במשך העשורים הרבים בכדי להבין כיצד בדיוק מבצע הברזל את משימתו, מדוע ההוספה של יסודות מסוימים (כגון אשלגן) יכולה לשפר את פעילות הזרז, וכיצד ניתן ליישם את התובנות המתקבלות מחקר שאלות אלו על-מנת להצביע על ולפתח, בסופו של דבר, זרז אפשרי אחר שיהיה יעיל יותר וכן מסחרי דיו.
ממצאי קבוצת המחקר מאוניברסיטת קיימברידג’, שהתפרסמו בכתב-העת המדעי Proceedings of the National Academy of Sciences, מתייחסים לחלק מהבעיות הללו וסוללים את הדרך להכנה יעילה יותר של דשנים.
מסביר החוקר ג’נקינס: “מדע פני-השטח פונה יותר ויותר לעבר השימוש בדגימות של חד-גבישיי ברזל בעלי רמת ניקיון גבוהה, אשר ייצורם מחייב בד”כ ניסויים המתבצעים בתנאים של ואקום גבוה ביותר. “ביצענו ניסויים המשלבים חלק מהמאפיינים התועלתיים של מדע פני-השטח של חד-גבישים בואקום גבוה מאוד יחד עם אלו שמקורם בשיטות של לחץ גבוה יותר.”
בשלב הראשון, המדענים חשפו את דגימת הברזל שלהם ליוני חנקן על-מנת לקבל כיסוי מלא ככל הניתן של המשטח באטומי חנקן. בתנאים של ואקום גבוה ביותר הם משתמשים בספקטרוסקופיה אלקטרונית מיוחדת (Auger Electron Spectroscopy ,AES) המסוגלת למדוד את כמות החנקן המצוי ע”ג המשטח. בשלב הבא החוקרים חשפו את הדגימה לגז חנקן בלחץ גבוה יותר למשך מספר דקות. לחץ זה עדיין נמוך מאוד יחסית לתנאים התעשייתיים, ויחד עם זאת, הוא מאפשר לתגובה להמשיך במהירות מספקת על-מנת לבצע מדידות חשובות.
החיסרון שבשימוש בלחץ זה הוא חוסר היכולת להשתמש במיקרוסקופיה מסוג AES במהלך החשיפה, אולם ניתן להתגבר על-כך באמצעות עבודה במחזורים: לאחר חשיפה של מספר דקות ללחץ זה, החוקרים רוקנו מחדש את תא הניסויי וחזרו לתנאים של ואקום גבוה מאוד ואז נעזרו במיקרוסקופיה על-מנת להעריך את כמות החנקן שנותרה ע”ג המשטח, ואז שוב חשפו את המשטח לגז מימן וחוזר חלילה. באמצעות ביצוע השלבים הללו מספר מחזורים החוקרים יכולים למדוד את הירידה בכמות החנקן הקשור למשטח (כמות התואמת לכמות ייצור האמוניה) כפונקציה של זמן וטמפרטורה.
מוסיף אחד מהחוקרים: “מצאנו כי הגברת מהירות התגובה בעקבות הוספת כמות קטנה של אשלגן למשטח – כעשרים אחוזים – דומה לזו שנמצאה במחקרים קודמים. אולם, הממצאים שלנו מרמזים כי בתנאים מסוימים – בעיקר כאשר לחץ האמוניה נישאר נמוך – שלבי ההידרוגנציה (הוספת אטומי המימן) עשויים להיות החשובים ביותר.
מסכם החוקר ואומר: “אחד מההיבטים החשובים הנוספים של המחקר הנוכחי הוא הקושי הגדול בעבודה עם ברזל. בהשוואה למתכות פעילות אחרות המשמשות כזרזים (פלטינה, נחושת וניקל) ברזל נוטה להכיל ריכוזים גבוהים של זיהומים, ואלו עלולים לפגוע באחידות התוצאות ולעוות את התכונות של החומר המקורי.
“נדרשו חודשים רבים של ניקוי הדגימה הנוכחית, באמצעות מגוון טכניקות, על-מנת להגיע לממצאים הסופיים. באמצעות עבודה עם לחץ גבוה יותר של מימן אנו יכולים לעבוד בטמפרטורות נמוכות יותר ולהימנע מתגובות לוואי בלתי-רצויות. כלומר, הממצאים שלנו התקבלו מדגימת ברזל שנוקתה היטב קודם לעריכת הניסויים.”
הידיעה על המחקר
עוד בנושא באתר הידען:
תגובה אחת
אז מה הפואנטה?
מה השיפור הצפוי ביעילות התהליך?