آمونیاک

مقدمه

آمونیاک (NH₃) ساده‌ترین ترکیب پایدار هیدروژن و نیتروژن است که فرمول شیمیایی آن یک اتم نیتروژن و سه اتم هیدروژن است. این گاز بی‌رنگ با بوی تند ، بیشتر صد سال است که یکی از مهم‌ترین مواد شیمیایی صنعتی به شمار می‌رود. سالانه بیش از ۱۸۰ میلیون تن آمونیاک در جهان تولید می‌شود که حدود ۸۰٪ آن مستقیماً برای تولید کودهای شیمیایی مصرف می شود. بقیه در صنایع مختلفی از جمله تولید مواد منفجره، پلاستیک، فیبرهای مصنوعی، مواد شوینده و اخیراً به‌عنوان حامل و ذخیره‌ساز انرژی پاک کاربرد دارد. در این مقاله به تاریخچه، روش‌های تولید، کاربردها، خطرات زیست‌محیطی و بهداشتی و آینده آمونیاک به‌عنوان سوخت و حامل هیدروژن می‌پردازیم.

تاریخچه کشف و تولید صنعتی

آمونیاک از قرن‌ها پیش شناخته شده بود. در قرن هشتم میلادی، شیمیدانان عرب محلول «الکلالی قلیایی» (آمونیاک آبی) به دست می‌آوردند. نام «آمونیاک» نیز از معبد «آمون» در مصر باستان گرفته شده که در نزدیکی آن نمک آمونیوم کلرید (نشادر) به دست می‌آمد.

اما تولید صنعتی مدرن آمونیاک با فرآیند هابر-بوش (Haber-Bosch) در سال ۱۹۱۰ آغاز شد. فریتز هابر (شیمیدان آلمانی) واکنش مستقیم نیتروژن و هیدروژن را در فشار و دمای بالا و با کاتالیست آهن آزمایش کرد و کارل بوش آن را به مقیاس صنعتی رساند. این ترکیب در سال ۱۹۱۸ جایزه نوبل شیمی را برای هابر به ارمغان آورد و برخی از مورخان معتقدند بدون آن، جمعیت کنونی زمین (بیش از ۸ میلیارد نفر) توانایی تامین غذا را نداشتند؛ زیرا امروزه تقریباً نیمی از نیتروژن موجود در بدن انسان‌ها از کودهای آمونیاکی تأمین می شود.

فرآیند تولید آمونیاک (هابر-بوش)

واکنش اصلی

N₂(g) + ۳H₂(g) ⇌ ۲NH₃(g) ) ΔH = −۹۲ kJ/mol(

این واکنش گرمازا و کاهنده حجم است. طبق اصل لوشاتلیه برای تولید محصول بیشتر:

• دما باید پایین باشد،  بنابراین از دمای ۴۰۰–۵۰۰ درجه سانتی‌گراد استفاده می‌شود.
• فشار باید بالا باشد (۱۵۰–۳۰۰ اتمسفر).
• کاتالیست آهن با پروموتورهای K₂O، Al₂O۳ و CaO سرعت واکنش را بالا می‌برد.

منابع مواد اولیه:

• هیدروژن: عمدتاً از ریفرمینگ بخار متان یا زغال‌سنگ (در چین).
• نیتروژن: از هوا به روش جدا سازی .

امروزه حدود ۱–۲٪ از کل انرژی مصرفی جهان و ۱٫۶٪ از CO₂  منتشر شده در جهان به علت تولید آمونیاک می باشد (به دلیل مصرف زیاد گاز طبیعی و انتشار گاز کربن در مرحله تولید هیدروژن).

کاربردهای آمونیاک

آمونیاک (NH₃) یکی از پرکاربردترین مواد شیمیایی جهان است و تقریباً در تمامی بخش‌های اقتصاد و صنعت امروزی تاثیر اساسی دارد. در ادامه، کاربردهای آن را به‌صورت دقیق‌تر و با جزئیات بیشتر بررسی می‌کنیم:

۱. کشاورزی و کودهای شیمیایی (بزرگ‌ترین کاربرد – حدود ۸۰٪ مصرف جهانی)

• اوره (Urea) : حدود ۵۵٪ از تمام آمونیاک مصرفی به اوره تبدیل می‌شود. اوره مهم ترین و کاربردی ترین کود نیتروژنی دنیا می باشد (بیش از ۱۱۰ میلیون تن در سال).
• نیترات آمونیوم : (Ammonium Nitrate) یکی از مهم ترین کود های نیتروژن دار (۳۴٪ نیتروژن) و ماده اولیه برای ایجاد انفجارهای صنعتی می باشد.
• سولفات آمونیوم: (Ammonium Sulfate) هم نیتروژن و هم گوگرد مورد نیاز برای خاک را تأمین می‌کند، مخصوصاً برای خاک‌های قلیایی.
• فسفات آمونیوم (MAP و DAP): Monoammonium Phosphate و Diammonium Phosphate – کودهای ترکیبی N+P بسیار محبوب می باشند.
• محلول‌های  : UAN (Urea-Ammonium Nitrate) کود مایع که با تراکتور مستقیما به خاک تزریق می‌شود (در آمریکا و اروپا بسیار رایج می باشد).

بدون آمونیاک، تولید و عملکرد محصولاتی مثل گندم، برنج و ذرت تقریباً ۴۰–۵۰٪ کاهش می‌یابد.

۲. مواد منفجره (دومین کاربرد بزرگ صنعتی)

•  :ANFO (Ammonium Nitrate Fuel Oil)

مخلوط ۹۴٪ نیترات آمونیوم + ۶٪ گازوئیل ← ۸۰٪ مواد منفجره معادن و تونل‌سازی جهان.

• امولسیون‌های انفجاری و هیدروژل‌ها نیز از نیترات آمونیوم ها تشکیل می شوند.
• کاربرد نظامی: مورد استفاده در برخی از مهمات و پیشرانه‌های جامد موشک.

۳. صنایع شیمیایی و پلیمر

• اسید نیتریک : (HNO₃) از اکسیداسیون آمونیاک تولید می‌شود و سپس می تواند نیترات‌ها و نیتریت‌ها را تولید کند.
• کاپرولاکتام: ماده اولیه جهت تولید پلیمر گیاهی نایلون-۶ می باشد(مورد استفاده در پارچه، طناب و قطعات خودرو).
• آدیپونیترات : (Adiponitrile) یکی از مهم‌ترین مواد واسطه در صنعت شیمی می باشد که برای ساخت هگزامتیلن‌دی‌آمین (HMDA) و در نهایت نایلون ۶,۶ استفاده می‌شود.
• هگزا متیلن تترا آمین :(Hexamethylenetetramine) مورد استفاده در تولید رزین‌های فنولیک و اوره-فرمالدهید (چسب چوب، ام‌دی‌اف).
• هیدرازین: (N₂H₄)  مورد استفاد در سوخت موشک‌های فضایی (مانند آپولو و اسپیس‌ایکس فالکن ۹ در مراحل اولیه).

۴. سیستم‌های برودتی و سرمایش صنعتی (R717)

• آمونیاک قدیمی‌ترین و یکی از کارآمدترین مبردهای صنعتی در کل تاریخ می باشد.
• ضریب عملکرد (COP) بالاتر از فریون‌ها، قیمت بسیار پایین، عدم تخریب اوزون.
• در سردخانه‌های بزرگ مواد غذایی، یخچال‌های صنعتی، کارخانه‌های لبنیات، کشتارگاه‌ها و اسکیت روی یخ استفاده می‌شود.
• در اروپا و آمریکا بیش از ۹۰٪ سردخانه‌های مهم و اصلی با آمونیاک کار می‌کنند.

۵. تصفیه آب و فاضلاب

• ماده اصلی برای تولید کلرآمینیشن:  تزریق همزمان کلر و آمونیاک به آب برای تولید مونوکلرآمین (NH₂Cl) به عنوان ضدعفونی‌کننده پایدارتر و کم‌خطرتر نسبت به کلر آزاد. ۶. صنایع نساجی و چرم

• مورد استفاده در فرآیند دلاکه کردن چرم.
• کار آمد در تولید فیبرهای مصنوعی.

۷. کاربردهای نوظهور و آینده

الف) سوخت مستقیم بدون کربن

• موتورهای احتراق داخلی آمونیاک (مانند موتورهای Wärtsilä و MAN در کشتی‌ها).
• پیل سوختی آمونیاک ، که مستقیم آمونیاک را به برق تبدیل می‌کنند.
• توربین‌های گازی آمونیاکی (ژاپن و کره در حال آزمایش این مورد می باشند).

ب) حامل هیدروژن (Hydrogen Carrier)

• هر تن آمونیاک حاوی ۱۷٫۸٪ وزنی هیدروژن است .
• حمل و ذخیره آمونیاک بسیار ارزان‌تر و ایمن‌تر و راحت تر از هیدروژن خالص است.
• در مقصد با فرآیند «کرکینگ آمونیاک» دوباره به H₂ و N₂ تبدیل می‌شود.

ج) ذخیره‌سازی انرژی تجدیدپذیر

• در مناطقی مثل استرالیا و خاورمیانه، برق خورشیدی خیلی ارزان است و با آن هیدروژن سبز تولید می‌کنند سپس هیدروژن را به آمونیاک سبز تبدیل می‌کنند و در نهایت آمونیاک مایع را با کشتی به ژاپن و اروپا صادر می‌کنند و در آنجا یا مستقیم می‌سوزانند یا دوباره به هیدروژن و برق تبدیل می‌کنند.

۸. کاربردهای کوچک‌تر اما مهم

• کاربردی در تولید سود سوزآور در برخی از فرآیندها.
• عامل خنثی‌ کننده اسیدها در پالایشگاه‌ها.
• عامل کف‌کننده در تولید فوم‌های پلی‌اورتان.
• در آزمایشگاه به‌عنوان معرف شیمیایی و تولید گاز خالص استفاده می شوند.

خطرات و مسائل زیست‌محیطی

• سمیت بالا: استنشاق غلظت‌های بالای آمونیاک باعث سوختگی شدید دستگاه تنفسی و حتی مرگ می‌شود( حد مجاز مواجهه ppm ۲۵می باشد).
• نشت به آب‌های سطحی که منجر به یوتروفیکاسیون و مرگ آبزیان می شود.
• نیترات آمونیوم ماده‌ی منفجره ی قوی می باشد.
• انتشار N₂O (اکسید نیتروس) در حین کشاورزی که ۳۰۰ برابر گاز  CO₂ اثر گلخانه‌ای دارد.

آمونیاک سبز (Green Ammonia)

برای کاهش استفاده از کربن، صنعت به سمت استفاده بیشتر از «آمونیاک سبز» رفته است:

• تولید هیدروژن به روش الکترولیز آب با برق تجدیدپذیر (باد، خورشیدی).
• استفاده از نیتروژن موجود در هوا.

اولین کارخانه‌های تجاری سبز در استرالیا، عربستان سعودی، عمان و شیلی در حال ساخت و یا بهره‌برداری می باشند.

هزینه فعلی آمونیاک سبز تقریباً ۲–۴ برابر آمونیاک عادی است، اما پیش‌بینی می‌شود تا سال های آتی با افت قیمت برق تجدیدپذیر و الکترولیزرها این هزینه کمتر شوند.

چشم‌انداز آینده

تا سال ۲۰۵۰ پیش‌بینی می‌شود:

• تقاضای جهانی آمونیاک به ۳۵۰–۷۰۰ میلیون تن در سال برسد (به دلیل رشد جمعیت و تقاضای سوخت پاک).
• بیش از ۵۰٪ تولید به روش سبز باشد.
• آمونیاک به یکی از بزرگ‌ترین کالاهای صادراتی کشورهای دارای انرژی خورشیدی و بادی ارزان (مثل مراکش، شیلی، استرالیا، عمان و حتی ایران در مناطق کویری) تبدیل شود.

ایران با داشتن رتبه دوم ذخایر غنی گاز طبیعی جهان، در حال حاضر ششمین تولیدکننده بزرگ آمونیاک/اوره است (حدود ۷–۸ میلیون تن در سال)، اما برای بقا در بازار آینده ناچارا باید به سمت تولید آمونیاک سبز حرکت کند. پروژه‌های اولیه‌ای در عسلویه و چابهار با همکاری شرکت‌های اروپایی و چینی در حال بررسی است.