مسیری جدید به سوی آمونیاک سبز و ...
** مسیری جدید به سوی آمونیاک سبز**
(سنتز آمونیاک بدون شرایط سختِ فرایند« هابر- بوش» امکان‌پذیر گردید)
تاریخ انتشار منبع اصلی: 15.06.2026
استفاده از چارچوب‌های فلزی-آلی (*MOFs) به عنوان کاتالیزور، جایگزین پایداری برای سنتز آمونیاک خواهد بود.
محققان دانشگاه فنی وین (اتریش) (TU Wien ) اکنون نشان داده‌اند که چگونه می‌توان این ساختارهای MOF را به طور « هدف دار» برای فعال کردنِ برای تشکیل آمونیاک، مورد استفاده قرار داد.
* MOFs یا چارچوب‌های فلزی-آلی، مواد خودآرا ( یا خود "مرتب" کننده) هستند که از (یون‌ها ) یا خوشه‌های فلزی به عنوان « ساختار (های) مرکزی» و ترکیبات آلی به عنوان لیگاند(ها) تشکیل شده‌اند. این ترکیبات با ساختارهای قابل کنترل، منافذ (یا حفره‌های) منظم و خواص شیمیایی منحصر به فرد شناسایی می‌شوند.
حال و با بهره گیری از این ترکیبات آلی-فلزی، دانشگاه فنی وین (TU Wien ) به دنبال پاسخ به این سوال است که چگونه می‌توان آمونیاک (NH3) را با انرژی بسیار کمتری نسبت به آنچه که تا کنون با آن مواجه بوده ایم ( و هستیم)- فرایند معروف به « هابر-بوش»- تولید کرد.
شرکای " نقش آفرین" برای این واکنش :
خورشید، آب، هوا و کاتالیزورهای آلی-فلزی
محققان دست اندر کاره این پروژه (جدید) به دو دلیل- مصرف انرژی بسیار زیاد و تولید گاز گلخانه ای بسیار بالا- ، به دنبال یک راه‌حل" پایدار" برای جایگزین کردن فرایند « هابر- بوش» برای تولید آمونیاک هستند.
در این این پروژه تحقیقاتی که با همکاری تیم‌های بین‌المللی انجام می شود، موضوع مرتبط با داده‌های اندازه‌گیری مهم توسط ویرجینیا تک (ایالات متحده آمریکا) (Virginia Tech USA) و موضوع شبیه‌سازی‌های کامپیوتری توسط موسسه فناوری اسرائیل، تکنیون (Israel Institute of Technology ) در دست اقدام است.
یکی از قوی‌ترین پیوندها در شیمی
جانا بیش‌هوف (Jana Bischoff) از موسسه شیمی مواد در دانشگاه فنی وین(TU Wien )و نویسنده اصلی مقاله حاضر می‌گوید: « ما باید یکی از قوی‌ترین پیوندها در تمام شیمی را از میان برداریم ( یا بشکنیم)» نیتروژن در هوا به صورت یک مولکول N₂ وجود دارد که در آن دو اتم نیتروژن با یک پیوند سه‌گانه بسیار با ثبات به هم متصل شده‌اند. حال و برای تولید آمونیاک (NH₃)می بایست ( ابتد) مولکول N₂ شکسته شود و اتم‌های نیتروژنِ " بسیا رتهاجمی"( هر یک)به صورت جداگانه با اتصال به هیدروژن " آرام گیرند" !
** روش تولید آمونیاک در فرایند « هابر-بوش» (Haber-Bosch-Verfahren ) در پایان بخش خبری این مطلب توضیح داده خواهد شد.
ادامه مقاله اصلی
طبیعت به عنوان الگو
جداسازی مولکول‌های نیتروژن - بر خلاف روش « هابر-بوش » - که با نیروی (بی‌رحمانه) فشارها و دماهای بسیار بالا ممکن می شود، در روش جدید با کمک یک کاتالیزورکه ( به دقت )و هوشمندانه انتخاب شده است، با الهام از طبیعت صورت می‌گیرد. برخی باکتری‌ها که از« نیتروژناز»- آنزیمی حاوی آهن- استفاده می‌کنند، قادرند مولکول‌های نیتروژن را به نوعی ابتدا " به خود متصل کرده " و سپس (آنها ) را از هم جدا کنند .
اثر مشابه- برخی باکتری‌ها که از نیتروژناز استفاده می کنند-را می‌توان با "چارچوب‌های فلزی-آلی ( MOFs)" به دست آورد. این گروه ار "چارچوب‌های فلزی-آلی"، مواد متخلخلی هستند که در آنها یون‌های فلزی با ترکیبات آلی خاص پیوند عرضی برقرار کرده و ساختار بزرگتری تشکیل می‌دهند.
به گفته (بانو)دکتر کورنلیا فون بکمن از دانشگاه فنی وین (Dr. Cornelia von Baeckmann (TU Wien)): « ما در چارچوب‌های فلزآلی خود، مانند نیتروژناز طبیعی از آهن- فلزی که ارزان و به راحتی در دسترس است-. استفاده می کنیم. سوال اساسی در تحقیقات ما این بود که چگونه لیگاندهای آلی را طوری تنظیم کنیم که این ترکیب بتواند آمونیاک تولید کند؟»
نقش نورو چگونگی اثر‌گذاری آن
نور( انرژی نوری) باعث ایجاد حالت برانگیخته در چارچوب فلزی-آلی می‌شود. سپس بار الکتریکی در داخل ماده به سمت اتم‌های آهن، تغییر مکان می‌دهند (یا جابجا می‌شوند)، پروفسور دومینیک اِدر (Prof. Dominik Eder, TU Wien) توضیح می‌دهد: «پیونددهنده‌های آلی اطراف این اتم‌های آهن مانند منظم کننده‌های شیمیایی عمل می‌کنند.» «آنها می‌توانند الکترون‌ها را از فلز دور کرده و به طور نامحسوس بر رفتار آهن تأثیر بگذارند. به این ترتیب آنها تعیین می‌کنند که نیتروژن چقدر خوب متصل شده است و پروتون‌ها چگونه از محیط آبی به نیتروژن منتقل می‌شوند».
وقتی یک مولکول نیتروژن به یک اتم آهن به نوعی" آویزان " می‌شود، پیوند سه‌گانه بسیار پایدار آن ضعیف شده و نیتروژن از نظر شیمیایی واکنش‌پذیر(تر) می‌شود. سپس این مولکول می‌تواند به تدریج توسط الکترون‌ها و پروتون‌ها به آمونیاک تبدیل شود.
گامی مهم برای فناوری‌های جدید
جانا بیشوف (Jana Bischoff ) می‌گوید: «تغییرات کوچک در لیگاندهای آلی می‌تواند رفتار آهن را به شدت تغییر دهد. ما طیف وسیعی از ترکیبات آلی را بررسی کرده‌ایم تا بفهمیم چگونه می‌توانیم با انتخاب دقیق ترکیبات، در مسیری که به دنبال (هدف) هستیم، به درستی گام برداریم »... « کار حاضر هنوز نشانه‌ای از آغاز برای تولید صنعتی آمونیاک نیست، اما گامی مهم در این جهت است ». بگفته نامبرده « چارچوب‌های فلزی-آلی قطعاً راه‌های جدید و مهمی را برای فعال کردن کاتالیزورهای ویژه نشان می‌دهند، حتی در فرآیندهایی مهم از نظر انرژی و دشوار از نظر فناوری، در سراسر جهان مانند سنتز آمونیاک.
منبع اصلی :
Ein neuer Pfad zu grünem Ammoniak
chemie.de - Das Chemie Fachportal vom Labor bis zum Prozess
chem.de 15.06.2026
********************************************
بیش از یکصد و ده سال از اولین سنتزصنعتی‌آمونیاک گذشت
( با ویرایش مجدد و بروز رسانی )
نگارنده وبلاگ در چهاردهم فروردین 1392 پستی با عنوان« یکصد‌سال از اولین سنتزصنعتی آمونیاک گذشت » منتشر نمود. اکنون خلاصه ای از مطلب فوق را با یک ویرایش مجدد و کمی هم بروزرسانی در اینجا مشاهده خواهید کرد.
کارهای اولیه در اشل "پایلوت" پایه و اساس کار برای سنتز آمونیاک از عناصر نیتروژن و هیدروژن درسال 1904 توسط فریتز هابر(Fritz Haber) دردانشگاه صنعتی کالسروهه به ثمر رسید.
سپس و در سال 1909 صنعتی سازی مدل طراحی شده توسط فریتز هابر (Fritz Haber) را شرکت ب- آ- اس- اف- با یک گروه از مهندسان تحت رهبری کارل بوش (Carl Bosch) بر عهده گرفت.
ایستادن در مقابل راکتوری با 20 مترارتفاع درشهر لودویکزهافن (آلمان) که از اولین کارخانه سنتز آمونیاک درشرکت ب- آ –اس- اف (BASF) بجامانده است، انسان را به تحسین وشاید هم تعجب وامی دارد.
درماه مارس 1913 درون این راکتور برای اولین بار آمونیاک-محصولی از مخلوطی از گازهای ازت وهیدروژن- به تولید انبوه رسیده و بدین ترتیب به یک روش علمی-صنعتی تا آن روز غیرممکن جامه عمل پوشانده شد. غلو نشده است، اگر این روش ازتولید (سنتزی) آمونیاک راکه به روش‌‌هابر بوش (Haber-Bosch-Verfahren) معروف است، به عنوان گام بسیارتعیین کننده ای درعصر کودشیمیائی غیر آلی- تأمین غذای میلیاردها انسان- نام‌گذاری کنیم. درحال حاضر نیز در کنار راکتور فشار بالای سنتز آمونیاک بجامانده از آن دوران، تأسیسات جدید و تکامل یافته ای به تولید روزانه 2000 (دوهزار)تن آمونیاک مشغول است.
این صنعتی سازی– که بعدها به روش هابر-بوش معروف شد- (Haber-Bosch-Verfahren ) برای تولید انبوه آمونیاک درابتدای امر با مشکلات وخطرات عمده ای همراه بود. مهمترین مشکل موجود درآن زمان، کارکردن در فشار نزدیک به 300 بار و دمای تا 500 درجه سانتیگراد بود. اولین راکتورهای ساخته شده برای سنتز آمونیاک قادر به تحمل شرایط لازم مانند فشار ودماهای ذکرشده را نداشته و منفجر می‌شدند. برای حل این معضل‌شیمی‌دان با تجربه درمتالوژی‌کارل بوش (Carl Bosch)به کمک آمده وعلت مشکل را پیداکرد."هیدروژن داغ درفشار بالای 250 بار کربن (مسئول استحکام) را از درون فولادِ بدنه راکتور "حل کرده "و فولاد متخلخل شده دیگر قادر به تحمل فشار بسیار بالا نمی‌بود. " بوش این معضل را بدین ترتیب حل کرد که سطح داخل راکتور را با یک لایه نازک از آهن کم کربن و نسبتاً نرم پوشش داد و بدین ترتیب به هیدروژنِ وارد شده به اولین لایه بدون اینکه قادر به "خرابکاری" باشد اجازه خروج مجدد داده می‌شد. همین امر باعث گردید که شرکت ب- آ- اس- اف- برای اولین بار یک کارگاه تست مواد (سازنده دستگاهها )را درصنایع شیمیائی پی ریزی کند. امروزه نیز تکنولوژی تولید آمونیاک به روش فوق درمرز توانائی های علمی وفنی قراردارد ،چرا که نوسانات احتمالی در شرایط درون راکتور می تواند باعث بروز خطرات جبران ناپذیری گردد. از این رو می بایست کلیه تأسیسات با دقت بسیار طراحی و ساخته شوند. درراکتور کارخانه جدید آمونیاک، مخلوط گازهای هیدروژن و ازت از روی یک بستر کاتالیزاتوری دردمای 400 درجه سانتیگراد و فشار 150 بار عبور داده می‌شود. بدنه راکتور مورد نظر از فولاد بسیارمقاومی با ضخامت 15 (پانزده )سانتیمتر می باشد. این فولاد با ضخامت ذکر شده از نوعی است که قادر به تحمل هیدروژن پرفشار (150بار) را داشته و روش آنروزی کارل بوش برای جلوگیری از دیفوزیون به داخل بدنه را، دیگر غیر الزامی کند. امروزه باید تولید سنتزی آمونیاک را به عنوان بخشی تفکیک ناشدنی از زندگی صنعتی تلقی کرد زیرا که آمونیاک– اگر چه هم اکنون نیز بیشترین کاربردش درتولید کودهای شیمیائی می‌باشد- به عنوان ماده اولیه بسیاری از محصولات شیمیائی مانند آمین ها، کاپرولاکتام (ماده اولیه تولید پلی آمید)، چسب ها و رزین های برپایه اوره و... نقشی حیاتی دارا‌می باشد.
شرکت BASF آمونیاک (بدون آب) را از طریق خطوط لوله، آبراه‌های داخلی (رودخانه ها و کانال ها) و واگن‌های قطار توزیع می‌کند. BASF همچنین محلول آمونیاک ۲۴.۵٪ ی را در واگن‌های قطار و کامیون‌های تانکردار در اختیار مصرف کنندگان (عمده) قرار می‌دهد.
بسیار مهم :
فریتزهابر (Fritz Haber) این شیمی دان برجسته آلمانی و برنده جایزه نوبل درشیمی، زوایای تاریکی نیز درزندگی خود دارد که مهمترین آنها فعالیت های "اثرگذار" او درکشف و ساخت جنگ افزارهای شیمیائی وبه کارگیری آنها درجنگ جهانی اول می باشد.
مهم ترین منابع :
Haber-Bosch-Verfahren, Ammoniaksynthese T. Seilnacht
BASF-Geschichte_Chemie-die-verbindet-1865-2015
BASF_Ammonia_History 01 1913
*********************************************
کتاب های تخصصی (علمی-کاربردی) صنعت رنگ از حمیدرقمی (نگارنده وبلاگ)
برای دیدن جزئیات بیشتر روی عنوان" کتاب های تخصصی ..." کلیک کنید!
