Table of Contents
إن إنتاج المواد الخامية الحديثة لا غنى عنه للزراعة الحديثة، وهو أساس غلة المحاصيل العالية اللازمة لإطعام سكان العالم الذين يتوقع أن يصلوا إلى حوالي 10 بلايين نسمة بحلول عام 2050، والغالبية العظمى من سمات النيتروجين - وهي أكثر أنواع المواد التي تنتج عن إنتاج الغازات الخامية التي تولد في العالم، وهي طريقة قديمة جداً تحول إلى مادة النيتروجين والهيدروجين في الهواء، وفي حين أن هذه العملية تتسم بالثورة
دور المحفزات في إنتاج الأسمدة
ومن ثم فإن الحفازات هي مواد تعجل ردود الفعل الكيميائية بتخفيض طاقة النشء المطلوبة دون استهلاكها في العملية، وهي في صناعة الأسمدة، تشكل حجر الزاوية في عدة تحولات رئيسية، لا سيما توليف الأمونيا من النيتروجين والهيدروجين، وتستلزم عملية الحاجز المكثف، التي تعمل بدرجات حرارة عالية )٤٠٠-٥٠٠ درجة مئوية( والضغوط )١٥٠-٣ درجة مئوية(.
عملية هابر - بوش والتحديات التي تواجهه
عملية الهابر بوش التي تتاجر بها في عام 1913، ما زالت الطريقة الغالبة لتوليف الأمونيا، وهي تنطوي على رد فعل النيتروجين من الهواء مع الهيدروجين من الوقود الأحفوري على محفز مغنطييسي (Fe3O4) الذي يروج له بأوكسيدات البطاطس، وأجهزة التفكيك الحراري، ولكن القدرة على إحداث تغيير كبير في أسعار المنتجات.
مواد حفازة أساسية
الحافز يعمل من خلال توفير مسار للرد البديل مع طاقة تنشيط أقل، بالنسبة لتوليف الأمونيا، الخطوة الحدية للمعدل هي فصل الرباط الثلاثي القوي في جزيئات النيتروجين، وفهم سطح الحديد يكسر هذه السندات بسهولة، مما يسمح لذرات النيتروجين بالتفاعل مع الهيدروجين، وتعتمد كفاءة هذه العملية على تركيبات الميكانيكيين، وعلم الفيزياء السطحية،
الابتكارات في تكنولوجيا المحفزات
وقد أدت التطورات الأخيرة في علوم المواد، وعلم النانو، والبيولوجيا الاصطناعية إلى توليد موجة من الابتكارات الحفازة التي تهدف إلى جعل إنتاج الأسمدة أكثر خضراء، وهناك ثلاثة اتجاهات واعدة هي عوامل حفازة ذات هياكل نانوية، ومحللين بيولوجيين، ومواد تحفيزية بديلة، ويسعى كل نهج إلى التغلب على القيود التي يفرضها تحفيز الهابر - بوش التقليدي، وذلك في كثير من الأحيان بتمكين ردود الفعل في ظل ظروف تتسم بالطابع أو شبه لبس.
مُحللون مُنظمون
وبالإضافة إلى ذلك، فإن المواد المصممة على أساس التكوين الحراري، التي تُستخدم في إطار المقياس النانومي، تزيد بشكل كبير من نسبة الطوابق السطحية إلى الحجم، وتكشف مواقع أكثر نشاطاً للتحفيز، حيث يُثبت الباحثون وجود " جسيمات من الحديد والكوبالت والروتينيوم وغير ذلك من المعادن المدعومة على ناقلات الوعود ذات السطحية العالية مثل الأوعية الكربونية " .
محللي الأحياء
وتُجري الطبيعة عمليات التركيب النيتروجيني في ظروف مميتة من خلال النتروجينات الأنزيمية، التي توجد في بعض البكتيريا والأرخاء، وتُخفض النيتروجينات من حيث الطاقة الكهرمائية إلى الأمونيا في درجة الحرارة والضغط العادية، باستخدام مجموعة من المواد المعدنية المعقدة (مثلاً، المادة الكيماوية)
المواد التحفيزية البديلة
أما المحفزات التقليدية للمركبات العضوية الثابتة في البيوت، فهي تعتمد على الحديد الذي يتم ترقيته بعناصر وفرة نسبيا، غير أن الدفع إلى مواد حفازة أكثر نشاطا واستدامة، قد أدى إلى إجراء تحقيق في المواد المحتوية على مواد خامدة وغير خامدة وبدائل خالية من المعادن، مثل الكوبالت والنيكل المولدة في تركيب الأمونيا، ولا سيما عندما تكون مجهزة بالحديد أو مقترنة بمبيدات النيتروجة.
المنافع البيئية والاقتصادية
ويمكن أن يؤدي اعتماد عوامل محفزة متقدمة في إنتاج الأسمدة إلى تحقيق مكاسب بيئية واقتصادية كبيرة، إذ أن الفوائد تشمل كفاءة الطاقة، وخفض الانبعاثات، ووفورات التكاليف، والتخفيف من حدة التلوث.
خفض الطاقة والانبعاثات
إن إنتاج الأمونيا التقليدية يستهلك نحو ٣٠-٤٠ جيغا لكل طن متري من الأمونيا، حيث يمكن أن يؤدي وجود نحو ٧٠ في المائة من الطاقة المستمدة من الغاز الطبيعي كمخزون وقود على حد سواء، ويمكن أن يؤدي وجود عوامل محفزة أكثر كفاءة إلى خفض درجات حرارة التشغيل والضغوط، مما يقلل الطاقة اللازمة للضغط والحرارة، وعلى سبيل المثال، فإن الحافز الذي يتيح تركيب الأمونيا عند ٣٠٠ رطوم و ٥٠ طنا بدلا من ٥٠٠ رطلا.
التكلفة وإمكانية الوصول
إن انخفاض الاحتياجات من الطاقة يترجم مباشرة إلى انخفاض تكاليف التشغيل، بل إن التحسينات المتواضعة في النشاط الحفاز يمكن أن تثمر وفورات كبيرة على عمر المصنع، فزيادة وفرة المواد التحفيزية وأرخصها (مثلاً، الحديد على الروتينيوم) قد تقلل من تكاليف رأس المال، وإذا ما مكّنت المحفزات من استقرار المفاعلات المتحركة التي تعمل في ظروف قريبة من اللبس، فإن الاقتصادات يمكن أن تتحول من مصادر مركزية متعددة إلى وحدات إنتاج موزعة تقع بالقرب من المزارع أو متجددة.
خفض التلوث
وكثيرا ما تنطوي صناعة الحفز والتصريف التقليديين على مواد سمية أو نادرة (مثل الكروم والكوبالت والسريا) وتخفض الابتكارات التي تستخدم مواد غير خطرة المخاطرة بصورة كبيرة من المخاطر المهنية والبيئية، وبالإضافة إلى ذلك، يمكن أن تؤدي عوامل التحفيز الأكثر انتقائية إلى التقليل إلى أدنى حد من تكوين منتجات ثانوية غير مرغوب فيها، مثل أكسيد النيتروجين (NOx) في عمليات السماد الأمونيا.
الآفاق والتحديات المستقبلية
وفي حين أن إمكانات المحفزات المبتكرة هائلة، فإن ترجمة الاكتشافات المختبرية إلى واقع تجاري يتطلب التغلب على عقبات تقنية واقتصادية وشبه هيكلية كبيرة.
تصعيد
فالعديد من العوامل الواعدة التي تحفز على العمل، من نظم الطماطم الواحدة إلى المصانع الحيوية التي تستخدم النيتروجينات، لا تُثبت إلا على نطاقات ملغومة في ظل ظروف مثالية، فالتصعيد إلى الإنتاج المتعدد الأطنان مع الحفاظ على النشاط والانتقائية والاستقرار يشكل تحديا هندسيا غير ضار، وقد تبطل المصانع نشاطها بمرور الوقت بسبب التمزق أو التسمم أو التحلل الميكانيكي المستمر.
التكامل مع الطاقة المتجددة
إن الرؤية النهائية لإنتاج الأسمدة المستدامة تنطوي على استخدام الكهرباء المتجددة لإنتاج الهيدروجين الأخضر عن طريق التحلل الكهربائي، ثم تغذية الهيدروجين إلى جانب الهواء في مفاعل الأمونيا منخفض الضغط، الذي يقوده حفاز متقدم، وهذا المفهوم " من الطاقة إلى الديمونية " الذي تقوم به شركات مثل سيمينس، وأغراق الصدر، وهالدور توبسو، مهما كانت المجموعات الأكاديمية.
السياسات والتعاون
وبالإضافة إلى ذلك، فإن التعجيل باعتماد مواد حفازة مستدامة يتطلب اتخاذ إجراءات منسقة، إذ أن الحوافز الحكومية - مثل تسعير الكربون، والإعانات المقدمة للهيدروجين الأخضر، والتمويل البحثي - المستوى الذي يمكن أن يؤديه استخدام تكنولوجيات منخفضة الكربون، ووضع معايير وخطط لإصدار شهادات للأمونيا الخضراء (مثل توجيه الاتحاد الأوروبي بشأن الطاقة المتجددة) يمكن أن يؤدي إلى سحب الأسواق، ويمكن للشراكات بين القطاعين العام والخاص أن تُسدِّد " مبتكرات الموت " بين اكتشاف المختبرات ونشر المعارف التجارية.
خاتمة
إن التحدي المتمثل في إنتاج الأسمدة على نحو مستدام هو أحد أكثر العوامل إلحاحا في عصرنا، فبدون الأسمدة، سينخفض الإنتاج الغذائي العالمي؛ ومع ذلك فإن أساليب الإنتاج الحالية تشكل مصدرا رئيسيا لغازات الدفيئة والتلوث، فحفز الابتكار يوفر طريقاً إلى الأمام للحفاظ على المحاصيل الزراعية مع الحد بشكل كبير من التكلفة البيئية، ومن المعادن النانوية والمركبات الحيوية إلى ما هو أبعد من البحث عن الأرض.