Proses Haber

Proses Haber atau Proses Haber–Bosch ialah sejenis proses pengikatan nitrogen buatan yang merupakan kaedah industri utama untuk pengeluaran ammonia hari ini.^[1] Proses ini dinamakan sempena para penciptanya Fritz Haber dan Carl Bosch iaitu ahli kimia Jerman yang membangunkan proses ini pada pertengahan pertama abad ke-20. Ia menukarkan nitrogen atmosfera (N₂) menjadi ammonia (NH₃) melalui tindak balas dengan hidrogen (H₂) berpemangkin logam di bawah suhu dan tekanan tinggi:

N₂ + 3 H₂ → 2 NH₃ (ΔH°

Sebelum prosesnini dapat dibangunkan, ammonia begitu sukar untuk dihasilkan pada skala industri,^[2]^[3]^[4] di mana kaedah yang terdahulu seperti proses Birkeland–Eyde dan proses Frank–Caro memberikan hasil yang sangat tidak efisien.

Proses

Penukaran ini biasanya dijalankan di 15–25 MPa (2,200–3,600 psi) dan di antara 400–500 °C (752–932 °F). Gas-gas nitrogen dan hidrogen disalurkan melalui empat lapisan pemangkin dengan penyejukan antara setiap aliran ini untuk mengekalkan pemalar yang sama. Hanya kira-kira 15% penukaran berlaku pada setiap aliran gas ini namun sebarang sisa baki gas yang tidak bertindak balas akan dikitar semula, pada akhirnya mencapai penukaran sebanyak 97% secara keseluruhannya.

Setiap langkah dalam kaedah ini iaitu peringkat pembentukan semula stim, penukaran peralihan, pembuangan karbon dioksida dan pemetanaan (methanation) beroperasi pada tekanan tentang 2.5–3.5 MPa (360–510 psi), dan gelung sintesis ammonia beroperasi pada tekanan antara 6–18 MPa (870–2,610 psi) bergantung kepada proses proprietari yang digunakan.

Sumber hidrogen

Hidrogen diperolehi secara utamanya daripada metana dalam gas semulajadi. Penukaran bentuk gas tersebut dilakukan melalui pembentukan semula stim, dimana wap air dimasukkan bersama gas mentah dalam tiub yang bersuhu dan bertekanan tinggi di dalam pembaharu dengan pemangkin nikel yang memisahkan atom-atom karbon dan hidrogen dalam gas semulajadi.

Pemangkin yang digunakan

Pemangkin yang kerap digunakan adalah berasaskan ferum yang diaktifkan bersama K₂O, CaO, SiO₂ dan Al₂O₃. Pemangkin yang digunakan dalam pengilangan pula dipoerolehi daripada serbuk besi halus yang dihasilkan daripada tindak balas pengurangan magnetit (Fe₃O₄) berketulenan tinggi. Serbuk ini dibakar (dioksidakan) untuk memberikan saiz partikel yang lebih jelas sebelum dikurangkan secara separanya lalu membuang kandungan sebahagian oksigennya. Partikel/partikel pemangkin yang terhasil ini terdiri daripada teras magnetit berlapisan ferus oksida (FeO), yang sendirinya turut dilapisi ferum. Pemangkin ini mengekalkan isipadu pukalnya sewaktu tindak balas pengurangan lalu menghasilkan luas permukaan yang berliang banyak, menjadikan bahan ini lebih cekap. Komponen-komponen minor lain dalam pemangkin ini adalah oksida-oksida alumimium dan kalsium yang menggalakkan pemangkin ferum dan membantu mengekalkan luas permukaan pemangkin. Oksida-oksida Ca, Al, K dan Si tidak bertindak balas kepada pengurangan yang disebabkan hidrogen.^[1]

Mekanisme tindak balas yang melibatkan pemangkin sebegini terdiri daripada beberapa langkah:^[5]

N₂ (g) → N₂ (terjerap)
N₂ (terjerap) → 2 N (terjerap)
H₂ (g) → H₂ (terjerap)
H₂ (terjerap) → 2 H (terjerap)
N (terjerap) + 3 H(terjerap)→ NH₃ (terjerap)
NH₃ (terjerap) → NH₃ (g)

Tindak balas no. 5 berlaku dalam tiga langkah, menghasilkan NH, NH₂ dan kemudiannya NH₃. Bukti eksperimen menunjukkan tindak balas no. 2 sebagai langkah penentuan kadar (rate-determining step) bersifat perlahan kerana ia melibatkan pemecahan ikatan bertiga nitrogen yang sangat kuat.

Rujukan

^ ^a ^b Appl, Max (2005), "Ammonia", Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry (dalam bahasa Inggeris), Weinheim: Wiley-VCH
^ Smil, Vaclav (2004). Enriching the Earth: Fritz Haber, Carl Bosch, and the Transformation of World Food Production (ed. 1st). Cambridge, MA: MIT. ISBN 9780262693134.
^ Hager, Thomas (2008). The Alchemy of Air: A Jewish genius, a doomed tycoon, and the scientific discovery that fed the world but fueled the rise of Hitler (ed. 1st). New York, NY: Harmony Books. ISBN 978-0-307-35178-4.
^ Sittig, Marshall (1979). Fertilizer Industry: Processes, Pollution Control, and Energy Conservation. Park Ridge, NJ: Noyes Data Corp. ISBN 0-8155-0734-8.
^ Wennerström, Håkan; Lidin, Sven. "Scientific Background on the Nobel Prize in Chemistry 2007 Chemical Processes on Solid Surfaces" (PDF). NobelPrize.org. Akademi Sains Diraja Sweden. Dicapai pada 17 September 2015.

Pautan luar

Haber-Bosch process, most important invention of the 20th century, according to V. Smil, jurnal Nature, 29 Julai 1999, m/s. 415 (tulisan Jürgen Schmidhuber)

Haber Process for Ammonia Synthesis

[Appl-1] Appl, Max (2005), "Ammonia", Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry (dalam bahasa Inggeris), Weinheim: Wiley-VCH

[Smil_2004_Enriching-2] Smil, Vaclav (2004). Enriching the Earth: Fritz Haber, Carl Bosch, and the Transformation of World Food Production (ed. 1st). Cambridge, MA: MIT. ISBN 9780262693134.

[hager-3] Hager, Thomas (2008). The Alchemy of Air: A Jewish genius, a doomed tycoon, and the scientific discovery that fed the world but fueled the rise of Hitler (ed. 1st). New York, NY: Harmony Books. ISBN 978-0-307-35178-4.

[4] Sittig, Marshall (1979). Fertilizer Industry: Processes, Pollution Control, and Energy Conservation. Park Ridge, NJ: Noyes Data Corp. ISBN 0-8155-0734-8.

[5] Wennerström, Håkan; Lidin, Sven. "Scientific Background on the Nobel Prize in Chemistry 2007 Chemical Processes on Solid Surfaces" (PDF). NobelPrize.org. Akademi Sains Diraja Sweden. Dicapai pada 17 September 2015.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]