عملية هابر

قد يكون القسم التمهيدي في هذه المقالة قصيرًا جدًا بحيث لا يمكن تلخيص النقاط الرئيسية بشكل كافٍ . يرجى التفكير في توسيع القسم التمهيدي لتوفير نظرة عامة سهلة الوصول لجميع الجوانب المهمة للمقالة. ( نوفمبر 2023 )

عملية هابر ، ^[1] وتسمى أيضًا عملية هابر-بوش ، هي الإجراء الصناعي الرئيسي لإنتاج الأمونيا . ^{[2] [3]} وهي تحول النيتروجين الجوي (N ₂ ) إلى الأمونيا (NH ₃ ) عن طريق التفاعل مع الهيدروجين (H _{2 ) باستخدام محفز} معدني حديدي مقسم ناعمًا :

${\displaystyle {\ce {N2 + 3H2 <=> 2NH3}}\qquad {\Delta H^{\circ }=-92.28\;{\ce {kJ}}}\ ({\Delta H_{298\mathrm) {K} }^{\circ}=-46.14\;\mathrm {kJ/mol} })}$

هذا التفاعل مفضل قليلاً من حيث المحتوى الحراري ، ولكنه غير مفضل من حيث الإنتروبيا لأن أربعة مكافئات من الغازات المتفاعلة تتحول إلى مكافئين من الغاز الناتج. ونتيجة لذلك، هناك حاجة إلى ضغوط عالية ودرجات حرارة مرتفعة إلى حد ما لدفع التفاعل إلى الأمام .

طور الكيميائيان الألمانيان فريتز هابر وكارل بوش هذه العملية في العقد الأول من القرن العشرين، وكان تحسين كفاءتها مقارنة بالطرق الحالية مثل عملية بيركلاند-إيد وفرانك -كارو تقدمًا كبيرًا في الإنتاج الصناعي للأمونيا. ^{[4] [5] [6]} يمكن دمج عملية هابر مع الإصلاح بالبخار لإنتاج الأمونيا بثلاثة مدخلات كيميائية فقط: الماء والغاز الطبيعي والنيتروجين الجوي. حصل كل من هابر وبوش في النهاية على جائزة نوبل في الكيمياء : هابر في عام 1918 لتخليق الأمونيا على وجه التحديد، وبوش في عام 1931 للمساهمات ذات الصلة في كيمياء الضغط العالي .

خلال القرن التاسع عشر، زاد الطلب بسرعة على النترات والأمونيا لاستخدامها كأسمدة، والتي تزود النباتات بالعناصر الغذائية التي تحتاجها للنمو، وللخامات الصناعية. كان المصدر الرئيسي هو استخراج رواسب النترات والذرق من الجزر الاستوائية. ^[7] في بداية القرن العشرين، كان يُعتقد أن هذه الاحتياطيات غير كافية لتلبية الطلبات المستقبلية، ^[8] وزاد البحث في مصادر محتملة جديدة للأمونيا. على الرغم من وفرة النيتروجين الجوي (N ₂ ) الذي يشكل حوالي 78٪ من الهواء، إلا أنه مستقر بشكل استثنائي ولا يتفاعل بسهولة مع المواد الكيميائية الأخرى.

قام هابر، مع مساعده روبرت لو روسينول ، بتطوير أجهزة الضغط العالي والمحفزات اللازمة لإثبات عملية هابر على نطاق المختبر. ^{[9] [10]} وقد أثبتوا عمليتهم في صيف عام 1909 من خلال إنتاج الأمونيا من الهواء، قطرة قطرة، بمعدل حوالي 125 مل (4 أونصات سائلة أمريكية) في الساعة. تم شراء العملية من قبل شركة الكيماويات الألمانية BASF ، والتي كلفت كارل بوش بمهمة توسيع نطاق آلة هابر المكتبية إلى نطاق صناعي. ^{[5] [11]} وقد نجح في عام 1910. حصل هابر وبوش لاحقًا على جوائز نوبل، في عامي 1918 و1931 على التوالي، لعملهما في التغلب على المشاكل الكيميائية والهندسية لتكنولوجيا الضغط العالي ذات التدفق المستمر على نطاق واسع. ^[5]

تم تصنيع الأمونيا لأول مرة باستخدام عملية هابر على نطاق صناعي في عام 1913 في مصنع أوباو التابع لشركة باسف في ألمانيا، ووصل إلى 20 طنًا / يوم في عام 1914. ^[12] خلال الحرب العالمية الأولى ، تطلب إنتاج الذخائر كميات كبيرة من النترات. كان لدى قوى الحلفاء إمكانية الوصول إلى رواسب كبيرة من نترات الصوديوم في تشيلي ( ملح البارود التشيلي ) التي تسيطر عليها الشركات البريطانية. كان لدى الهند إمدادات كبيرة أيضًا، لكنها كانت أيضًا تحت سيطرة البريطانيين. ^[13] علاوة على ذلك، حتى لو كانت للمصالح التجارية الألمانية سيطرة قانونية اسمية على مثل هذه الموارد، فقد سيطر الحلفاء على الممرات البحرية وفرضوا حصارًا فعالًا للغاية كان من شأنه أن يمنع مثل هذه الإمدادات من الوصول إلى ألمانيا. أثبتت عملية هابر أنها ضرورية للغاية للمجهود الحربي الألماني ^{[5] [14]} لدرجة أنه من المؤكد تقريبًا أن ألمانيا كانت ستهزم في غضون أشهر بدونها. تم استخدام الأمونيا الاصطناعية من عملية هابر لإنتاج حمض النيتريك ، وهو مقدمة للنترات المستخدمة في المتفجرات.

استخدمت غرف تفاعل هابر-بوش الأصلية الأوزميوم كمحفز ، ولكن هذا كان متاحًا بكميات صغيرة للغاية. لاحظ هابر أن اليورانيوم كان فعالًا تقريبًا وأسهل في الحصول عليه من الأوزميوم. في عام 1909، اكتشف الباحث في شركة باسف ألوين ميتاش محفزًا أقل تكلفة بكثير قائمًا على _الحديد ولا يزال مستخدمًا. كان جيرهارد إرتل أحد المساهمين الرئيسيين في اكتشاف هذا _{التحفيز} . ^[15] _[ ^{16] [17] [18]} تعتمد المحفزات الأكثر شيوعًا على الحديد المعزز _بـ K2O و CaO و SiO2 و Al2O3 .

خلال سنوات ما بين الحربين العالميتين ، تم تطوير عمليات بديلة، وأبرزها عملية كاسال، وعملية كلود، وعملية مونت سينيس التي طورها مكتب فريدريش أوده للهندسة. ^[19] اقترح لويجي كاسال وجورج كلود زيادة ضغط حلقة التوليف إلى 80-100  ميجا باسكال (800-1000  بار ؛ 12000-15000  رطل/بوصة مربعة )، وبالتالي زيادة تحويل الأمونيا أحادي المرور وجعل التسييل الكامل تقريبًا في درجة حرارة الغرفة ممكنًا. اقترح كلود وجود ثلاثة أو أربعة محولات بخطوات تسييل متسلسلة، وبالتالي تجنب إعادة التدوير. تستمر معظم المصانع في استخدام عملية هابر الأصلية (20 ميجا باسكال (200 بار؛ 2900 رطل/بوصة مربعة) و500 درجة مئوية (932 درجة فهرنهايت))، وإن كان ذلك مع تحسين التحويل أحادي المرور وانخفاض استهلاك الطاقة بسبب تحسين العملية والحفاز.

بالإضافة إلى الطاقة اللازمة لإنتاج الهيدروجين والنيتروجين الجوي النقي، فإن إنتاج الأمونيا كثيف الاستهلاك للطاقة، حيث يمثل 1% إلى 2% من استهلاك الطاقة العالمي ، و3% من انبعاثات الكربون العالمية ، ^[20] و3% إلى 5% من استهلاك الغاز الطبيعي . ^[21] غالبًا ما يتم إنتاج الهيدروجين المطلوب لتخليق الأمونيا من خلال تحويل المواد المحتوية على الكربون إلى غاز ، وخاصة الغاز الطبيعي، ولكن مصادر الكربون المحتملة الأخرى تشمل الفحم أو البترول أو الخث أو الكتلة الحيوية أو النفايات. اعتبارًا من عام 2012، بلغ الإنتاج العالمي للأمونيا المنتجة من الغاز الطبيعي باستخدام عملية الإصلاح بالبخار 72%، ^[22] ومع ذلك، في الصين اعتبارًا من عام 2022 كان الغاز الطبيعي والفحم مسؤولين عن 20% و75% على التوالي. ^[23] يمكن أيضًا إنتاج الهيدروجين من الماء والكهرباء باستخدام التحليل الكهربائي : في وقت ما، تم إنتاج معظم الأمونيا في أوروبا من مصنع هيدرو في فيمورك . وتشمل الاحتمالات الأخرى إنتاج الهيدروجين البيولوجي أو التحلل الضوئي ، ولكن في الوقت الحاضر، يعد تشكيل البخار للغاز الطبيعي الوسيلة الأكثر اقتصادا لإنتاج الهيدروجين بكميات كبيرة.

يعد اختيار المحفز مهمًا لتصنيع الأمونيا. في عام 2012، وجدت مجموعة هيديو هوسونو أن أكسيد الكالسيوم والألومنيوم المحمل بالروثينيوم C12A7: e − ^يعمل بشكل جيد كمحفز ويسعى إلى تكوين أكثر كفاءة. ^{[24] [25]} يتم تنفيذ هذه الطريقة في مصنع صغير لتصنيع الأمونيا في اليابان. ^{[26] [27]} في عام 2019، وجدت مجموعة هوسونو محفزًا آخر، وهو بيروفسكايت أوكسينيتريد هيدريد جديد BaCeO _{3− x} N _y H _z ، والذي يعمل في درجة حرارة أقل وبدون الروثينيوم المكلف. ^[28]

المصدر الرئيسي للهيدروجين هو الميثان . يتم استخراج الهيدروجين من الميثان عن طريق عملية الإصلاح بالبخار للغاز الطبيعي في أنبوب عالي الحرارة والضغط داخل جهاز الإصلاح مع محفز النيكل. تشمل مصادر الوقود الأحفوري الأخرى الفحم ووقود الزيت الثقيل والنفتا .

يتم إنتاج الهيدروجين الأخضر بدون استخدام الوقود الأحفوري أو انبعاثات ثاني أكسيد الكربون من الكتلة الحيوية أو التحليل الكهربائي للماء أو الانقسام الكيميائي الحراري (الطاقة الشمسية أو مصدر حرارة آخر). ^{[29] [30] [31]}

البدء بالغاز الطبيعي ( CH
₄) المواد الخام، والخطوات هي كما يلي؛

• إزالة مركبات الكبريت من المواد الخام، لأن الكبريت يعطل المحفزات المستخدمة في الخطوات اللاحقة. تتطلب إزالة الكبريت الهدرجة الحفزية لتحويل مركبات الكبريت في المواد الخام إلى كبريتيد الهيدروجين الغازي ( إزالة الكبريت بالهيدروجين ، المعالجة بالهيدروجين):

${\displaystyle {\ce {H2 + RSH -> RH + H2S}}}$

• يتم امتصاص كبريتيد الهيدروجين وإزالته عن طريق تمريره عبر طبقات من أكسيد الزنك حيث يتم تحويله إلى كبريتيد الزنك الصلب :

${\displaystyle {\ce {H2S + ZnO -> ZnS + H2O}}}$

• يؤدي الإصلاح البخاري التحفيزي للمواد الخام الخالية من الكبريت إلى تكوين الهيدروجين بالإضافة إلى أول أكسيد الكربون :

${\displaystyle {\ce {CH4 + H2O -> CO + 3 H2}}}$

• يؤدي التحويل التحفيزي إلى تحويل أول أكسيد الكربون إلى ثاني أكسيد الكربون والمزيد من الهيدروجين:

${\displaystyle {\ce {CO + H2O -> CO2 + H2}}}$

• يتم إزالة ثاني أكسيد الكربون إما عن طريق الامتصاص في محاليل الإيثانولامين المائية أو عن طريق الامتزاز في أجهزة امتصاص التأرجح بالضغط (PSA) باستخدام وسائط الامتزاز الصلبة الخاصة.
• الخطوة الأخيرة في إنتاج الهيدروجين هي استخدام الميثان التحفيزي لإزالة أول أكسيد الكربون المتبقي أو ثاني أكسيد الكربون:

${\displaystyle {\ce {CO + 3 H2 -> CH4 + H2O}}}$

${\displaystyle {\ce {CO2 + 4 H2 -> CH4 + 2 H2O}}}$

يتفاعل الهيدروجين تحفيزيًا مع النيتروجين (المشتق من هواء العملية ^{[ يحتاج إلى توضيح ]} ) لتكوين الأمونيا السائلة اللامائية . إنه أمر صعب ومكلف، حيث تؤدي درجات الحرارة المنخفضة إلى حركية تفاعل أبطأ (ومن ثم معدل تفاعل أبطأ ) ^[32] ويتطلب الضغط العالي أوعية ضغط عالية القوة ^[33] تقاوم هشاشة الهيدروجين . يرتبط النيتروجين ثنائي الذرة معًا برابطة ثلاثية ، مما يجعله خاملًا نسبيًا. ^{[34] [35]} العائد والكفاءة منخفضان، مما يعني أنه يجب استخراج الأمونيا وإعادة معالجة الغازات حتى يستمر التفاعل بوتيرة مقبولة. ^[36]

تُعرف هذه الخطوة باسم حلقة تخليق الأمونيا:

${\displaystyle {\ce {3 H2 + N2 -> 2 NH3}}}$

يتم تمرير الغازات (النيتروجين والهيدروجين) على أربع طبقات من المحفز ، مع التبريد بين كل تمريرة للحفاظ على ثبات توازن معقول . في كل تمريرة، يحدث تحويل بنسبة 15% فقط، ولكن يتم إعادة تدوير الغازات غير المتفاعلة، وفي النهاية يتم تحقيق تحويل بنسبة 97%. ^[3]

نظرًا لطبيعة المحفز ( المغنتيت متعدد الترقيات عادةً ) المستخدم في تفاعل تخليق الأمونيا، لا يمكن تحمل سوى مستويات منخفضة من المركبات المحتوية على الأكسجين (خاصةً CO وCO ₂ وH _{2 O) في خليط الهيدروجين/النيتروجين. يمكن الحصول على النيتروجين النقي نسبيًا عن طريق} فصل الهواء ، ولكن قد تكون هناك حاجة إلى إزالة إضافية للأكسجين .

نظرًا لانخفاض معدلات التحويل ذات المرور الفردي نسبيًا (عادةً أقل من 20%)، يلزم وجود تيار إعادة تدوير كبير. وقد يؤدي هذا إلى تراكم المواد الخاملة في الغاز.

غاز النيتروجين (N ₂ ) غير نشط لأن الذرات مترابطة ببعضها البعض بواسطة روابط ثلاثية . تعتمد عملية هابر على المحفزات التي تعمل على تسريع انقسام هذه الروابط.

هناك اعتباران متعارضان مهمان: موضع التوازن ومعدل التفاعل . عند درجة حرارة الغرفة، يكون التوازن لصالح الأمونيا، لكن التفاعل لا يستمر بمعدل يمكن اكتشافه بسبب طاقة التنشيط العالية. ولأن التفاعل طارد للحرارة ، فإن ثابت التوازن يتناقص مع زيادة درجة الحرارة وفقًا لمبدأ لوشاتيليه . ويصبح ثابت التوازن واحدًا عند حوالي 150-200 درجة مئوية (302-392 درجة فهرنهايت). ^[3]

K ( T ) لـ N
₂+ 3 ساعات
₂⇌ 2 NH
₃^[37]

درجة الحرارة (درجة مئوية)	ك ب [ مطلوب توضيح ]
300	4.34 × 10 −3
400	1.64 × 10 −4
450	4.51 × 10 −5
500	1.45 × 10 −5
550	5.38 × 10 −6
600	2.25 × 10 −6

فوق هذه الدرجة من الحرارة، يصبح التوازن سريعًا غير ملائم عند الضغط الجوي، وفقًا لمعادلة فان ت هوف . إن خفض درجة الحرارة غير مفيد لأن المحفز يتطلب درجة حرارة لا تقل عن 400 درجة مئوية ليكون فعالًا. ^[3]

إن زيادة الضغط تصب في صالح التفاعل الأمامي لأن 4 مولات من المتفاعل تنتج 2 مول من الناتج، والضغط المستخدم (15-25 ميجا باسكال (150-250 بار؛ 2200-3600 رطل/بوصة مربعة)) يغير تركيزات التوازن ليعطي إنتاجًا كبيرًا من الأمونيا. والسبب وراء ذلك واضح في علاقة التوازن:

$${\displaystyle K={\frac {y_{{\ce {NH3}}}^{2}}{y_{{\ce {H2}}}^{3}y_{{\ce {N2}}}} } {\ frac {{\ hat {\ phi}} _ {{\ ce {NH3}}}^ {2}} {{\ hat {\ phi}} _ {{\ ce {H2}}}^{3 } {\ hat {\ phi }} _ {{\ ce {N2}}}}}\left({\frac {P^{\circ }}{P}}\right)^{2},}$$

حيث هو معامل الهروب للأنواع ، هو الكسر المولي لنفس النوع، هو ضغط المفاعل، و هو الضغط القياسي، عادة 1 بار (0.10 ميجا باسكال). ${\displaystyle {\hat {\phi }}_{i}}$${\displaystyle i}$${\displaystyle y_{i}}$${\displaystyle P}$${\displaystyle P^{\circ}}$

من الناحية الاقتصادية، فإن الضغط في المفاعل مكلف: إذ يجب أن تكون الأنابيب والصمامات وأوعية التفاعل قوية بما يكفي، وتؤثر اعتبارات السلامة على التشغيل عند 20 ميجا باسكال. تستهلك الضواغط قدرًا كبيرًا من الطاقة، حيث يجب القيام بعمل على الغاز (القابل للضغط). وبالتالي، فإن الحل الوسط المستخدم يعطي عائدًا بمرور واحد يبلغ حوالي 15%. ^[3]

في حين أن إزالة الأمونيا من النظام تزيد من إنتاج التفاعل، إلا أن هذه الخطوة لا تُستخدم عمليًا، نظرًا لأن درجة الحرارة مرتفعة للغاية؛ وبدلاً من ذلك يتم إزالتها من الغازات التي تغادر وعاء التفاعل. يتم تبريد الغازات الساخنة تحت ضغط مرتفع، مما يسمح للأمونيا بالتكثيف وإزالتها كسائل. يتم إرجاع غازات الهيدروجين والنيتروجين غير المتفاعلة إلى وعاء التفاعل لجولة أخرى. ^[3] بينما تتم إزالة معظم الأمونيا (عادةً ما تصل إلى 2-5 مول٪)، تظل بعض الأمونيا في تيار إعادة التدوير. في الأدبيات الأكاديمية، تم اقتراح فصل أكثر اكتمالاً للأمونيا عن طريق الامتصاص في هاليدات المعادن أو الزيوليت . تسمى هذه العملية عملية هابر المعززة بالامتصاص أو عملية هابر بوش المعززة بالامتصاص . ^[38]

تعمل كل من خطوات الإصلاح بالبخار، والتحويل بالتحول، وإزالة ثاني أكسيد الكربون ، والتحويل بالميثان عند ضغوط مطلقة تتراوح بين 25 إلى 35 بار، بينما تعمل حلقة تخليق الأمونيا عند درجات حرارة تتراوح بين 300 إلى 500 درجة مئوية (572 إلى 932 درجة فهرنهايت) وضغوط تتراوح بين 60 إلى 180 بارًا اعتمادًا على الطريقة المستخدمة. يجب بعد ذلك فصل الأمونيا الناتجة عن الهيدروجين والنيتروجين المتبقيين عند درجات حرارة -20 درجة مئوية (-4 درجة فهرنهايت). ^{[39] [3]}

تعتمد عملية هابر-بوش على المحفزات لتسريع هدرجة النيتروجين _. المحفزات عبارة عن مواد صلبة غير متجانسة تتفاعل مع الكواشف الغازية. ^[40]

يتكون المحفز عادة من الحديد المقسم بدقة والمرتبط بحامل أكسيد الحديد الذي يحتوي على عوامل تحفيز قد تشمل أكسيد الألومنيوم ، وأكسيد البوتاسيوم ، وأكسيد الكالسيوم ، وهيدروكسيد البوتاسيوم، ^[41] والموليبدينوم، ^[42] وأكسيد المغنيسيوم .

يتم الحصول على محفز الحديد من مسحوق الحديد المطحون الناعم، والذي يتم الحصول عليه عادةً عن طريق اختزال المغنتيت عالي النقاء (Fe3O4 ₎ . يتم أكسدة الحديد المسحوق لإعطاء جزيئات المغنتيت أو الووستيت (FeO، أكسيد _{الحديدوز} ) بحجم معين. ثم يتم اختزال جزيئات المغنتيت (أو الووستيت) جزئيًا، مما يؤدي إلى إزالة بعض الأكسجين . تتكون جزيئات المحفز الناتجة من نواة من المغنتيت، محاطة بغلاف من الووستيت ، والذي يحيط به بدوره غلاف خارجي من الحديد المعدني. يحافظ المحفز على معظم حجمه الكلي أثناء الاختزال، مما ينتج عنه مادة عالية المسامية ومساحة سطحية عالية، مما يعزز فعاليته الحفزية. تشمل المكونات الثانوية أكاسيد الكالسيوم والألومنيوم ، والتي تدعم محفز الحديد وتساعده في الحفاظ على مساحة سطحه. هذه الأكاسيد من Ca و Al و K و Si غير متفاعلة مع الاختزال بالهيدروجين. ^[3]

يتطلب إنتاج المحفز عملية ذوبان معينة حيث يجب أن تكون المواد الخام المستخدمة خالية من سموم المحفز ويجب توزيع مجموعات المحفز بالتساوي في مصهور المغنتيت. يؤدي التبريد السريع للمغنتيت، الذي تبلغ درجة حرارته الأولية حوالي 3500 درجة مئوية، إلى إنتاج المادة الأولية المطلوبة. لسوء الحظ، يؤدي التبريد السريع في النهاية إلى تكوين محفز ذو مقاومة منخفضة للتآكل. وعلى الرغم من هذا العيب، غالبًا ما يتم استخدام طريقة التبريد السريع. ^[3]

يتم إجراء اختزال المغنتيت السلائف إلى حديد ألفا مباشرة في مصنع الإنتاج باستخدام غاز التوليف . يستمر اختزال المغنتيت من خلال تكوين wüstite (FeO) بحيث تصبح الجسيمات ذات اللب المغنتيت محاطة بغلاف من wüstite. يؤدي المزيد من اختزال المغنتيت والووستيت إلى تكوين حديد ألفا، والذي يشكل مع المحفزات الغلاف الخارجي. ^[43] العمليات المعنية معقدة وتعتمد على درجة حرارة الاختزال: عند درجات الحرارة المنخفضة، يتناقص الووستيت إلى طور حديد وطور مغنتيت؛ عند درجات الحرارة الأعلى، يهيمن اختزال الووستيت والمغنتيت إلى الحديد. ^[44]

يشكل الحديد ألفا بلورات أولية يبلغ قطرها حوالي 30 نانومتر. تشكل هذه البلورات نظامًا مساميًا ثنائي النمط بأقطار مسام تبلغ حوالي 10 نانومتر (يتم إنتاجها عن طريق اختزال طور المغنتيت) و25 إلى 50 نانومتر (يتم إنتاجها عن طريق اختزال طور الووستيت). ^[43] باستثناء أكسيد الكوبالت ، لا يتم اختزال المحفزات.

أثناء اختزال أكسيد الحديد باستخدام غاز التوليف، يتكون بخار الماء. يجب اعتبار بخار الماء هذا ذا جودة عالية للمحفز حيث أن ملامسة الحديد المنقسم جيدًا من شأنه أن يؤدي إلى الشيخوخة المبكرة للمحفز من خلال إعادة التبلور ، وخاصةً بالتزامن مع درجات الحرارة المرتفعة. وبالتالي يتم الحفاظ على ضغط بخار الماء في خليط الغاز الناتج أثناء تكوين المحفز منخفضًا قدر الإمكان، وتكون القيم المستهدفة أقل من 3 جم/م ⁻³ . لهذا السبب، يتم إجراء الاختزال عند تبادل غازي مرتفع وضغط منخفض ودرجات حرارة منخفضة. تضمن الطبيعة الطاردة للحرارة لتكوين الأمونيا زيادة تدريجية في درجة الحرارة. ^[3]

يستغرق اختزال المحفز أو المادة الأولية الطازجة المؤكسدة بالكامل إلى القدرة الإنتاجية الكاملة من أربعة إلى عشرة أيام. ^[3] يتم اختزال طور الووستيت بشكل أسرع وفي درجات حرارة أقل من طور المغنتيت (Fe ₃ O ₄ ). بعد التحقيقات الحركية والمجهرية والطيفية بالأشعة السينية التفصيلية ، تبين أن الووستيت يتفاعل أولاً مع الحديد المعدني. يؤدي هذا إلى تدرج أيونات الحديد (II)، حيث تنتشر هذه الأيونات من المغنتيت عبر الووستيت إلى سطح الجسيم وترسب هناك على شكل نوى حديد.

تحتل المحفزات المستقرة المختزلة مسبقًا حصة سوقية كبيرة . يتم تسليمها مع إظهار بنية المسام المتطورة بالكامل، ولكن تم أكسدتها مرة أخرى على السطح بعد التصنيع وبالتالي لم تعد قابلة للاشتعال . تتطلب إعادة تنشيط مثل هذه المحفزات المختزلة مسبقًا 30 إلى 40 ساعة فقط بدلاً من عدة أيام. بالإضافة إلى وقت بدء التشغيل القصير، لها مزايا أخرى مثل مقاومة أعلى للماء ووزن أقل. ^[3]

التركيب النموذجي للمحفز [45]	حديد (٪)	البوتاسيوم (%)	الألومنيوم (%)	الكالسيوم (%)	الأكسجين (%)
تكوين الحجم	40.5	0 0.35	0 2.0	1.7	53.2
تكوين السطح قبل الاختزال	0 8.6	36.1	10.7	4.7	40.0
تكوين السطح بعد الاختزال	11.0	27.0	17.0	4.0	41.0

بُذلت جهود عديدة لتحسين عملية هابر-بوش. وتم اختبار العديد من المعادن كمحفزات. وكان شرط الملاءمة هو الامتصاص الانفصالي للنيتروجين (أي يجب تقسيم جزيء النيتروجين إلى ذرات نيتروجين عند الامتصاص). وإذا كان ارتباط النيتروجين قويًا جدًا، يتم حظر المحفز وتقل القدرة التحفيزية (التسمم الذاتي). وتُظهر العناصر الموجودة في الجدول الدوري على يسار مجموعة الحديد مثل هذه الروابط القوية. وعلاوة على ذلك، فإن تكوين النتريدات السطحية يجعل، على سبيل المثال، محفزات الكروم غير فعالة. وعلى النقيض من ذلك، تمتص المعادن الموجودة على يمين مجموعة الحديد النيتروجين بشكل ضعيف للغاية لتخليق الأمونيا. استخدم هابر في البداية محفزات تعتمد على الأوزميوم واليورانيوم . يتفاعل اليورانيوم مع نتريده أثناء التحفيز، في حين أن أكسيد الأوزميوم نادر. ^[46]

وفقًا للدراسات النظرية والعملية، فإن التحسينات على الحديد النقي محدودة. يزداد نشاط محفزات الحديد بإضافة الكوبالت. ^[47]

يشكل الروثينيوم حفازات نشطة للغاية. نظرًا لضغوط التشغيل ودرجات الحرارة الأكثر اعتدالًا، يشار إلى المواد القائمة على الروثينيوم باسم حفازات الجيل الثاني. يتم تحضير مثل هذه الحفازات عن طريق تحلل ثلاثي الروثينيوم دوديكاكربونيل على الجرافيت . ^[3] أحد عيوب الحفازات القائمة على الروثينيوم المدعومة بالكربون المنشط هو تحويل الدعامة إلى ميثان في وجود الهيدروجين. يعتمد نشاطها بشكل كبير على حامل الحفاز والمروجين. يمكن استخدام مجموعة واسعة من المواد كحوامل، بما في ذلك الكربون وأكسيد المغنيسيوم وأكسيد الألومنيوم والزيوليت والسبينيل ونتريد البورون . [ 48 ^]

تم استخدام المحفزات القائمة على الكربون المنشط بالروثينيوم صناعيًا في عملية الأمونيا المتقدمة KBR (KAAP) منذ عام 1992. ^[49] يتحلل حامل الكربون جزئيًا إلى غاز الميثان ؛ ومع ذلك، يمكن التخفيف من ذلك عن طريق معالجة خاصة للكربون عند 1500 درجة مئوية، وبالتالي إطالة عمر المحفز. بالإضافة إلى ذلك، يشكل الكربون المشتت بدقة خطر الانفجار. لهذه الأسباب وبسبب حموضته المنخفضة ، أثبت أكسيد المغنيسيوم أنه اختيار جيد للحامل. تستخرج الحاملات ذات الخصائص الحمضية الإلكترونات من الروثينيوم، وتجعله أقل تفاعلية، ولها التأثير غير المرغوب فيه المتمثل في ربط الأمونيا بالسطح. ^[48]

تقلل سموم المحفز من نشاط المحفز. وهي عادة عبارة عن شوائب في غاز التخليق . تسبب السموم الدائمة فقدانًا لا رجعة فيه للنشاط التحفيزي، بينما تعمل السموم المؤقتة على خفض النشاط أثناء وجودها. مركبات الكبريت ومركبات الفوسفور ومركبات الزرنيخ ومركبات الكلور هي سموم دائمة. المركبات المؤكسدة مثل الماء وأول أكسيد الكربون وثاني أكسيد الكربون والأكسجين هي سموم مؤقتة. ^{[3] [50]}

على الرغم من أن المكونات الخاملة كيميائيًا في خليط الغازات التخليقية مثل الغازات النبيلة أو الميثان ليست سمومًا تمامًا، إلا أنها تتراكم من خلال إعادة تدوير غازات العملية وبالتالي تخفض الضغط الجزئي للمتفاعلات، مما يؤدي بدوره إلى إبطاء التحويل. ^[51]

تغير ثابت التوازن K _eq كدالة لدرجة الحرارة ^[52]

درجة الحرارة (درجة مئوية)	ك مكافئ
300	4.34 × 10 −3
400	1.64 × 10 −4
450	4.51 × 10 −5
500	1.45 × 10 −5
550	5.38 × 10 −6
600	2.25 × 10 −6

والرد هو:

${\displaystyle {\ce {N2 + 3H2 <=> 2NH3}}\qquad {\Delta H^{\circ }=-92.28\;{\ce {kJ}}}\ ({\Delta H_{298\mathrm) {K} }^{\circ}=-46.14\;\mathrm {kJ/mol} })}$^[53]

التفاعل عبارة عن تفاعل توازن طارد للحرارة حيث يتم تقليل حجم الغاز. ثابت التوازن K _مكافئ للتفاعل (انظر الجدول) ويتم الحصول عليه من:

${\displaystyle K_{eq}={\frac {p^{2}{\ce {(NH3)}}}{p{\ce {(N2)}}\cdot p^{3}{\ce {( ح2)}}}}}$

نظرًا لأن التفاعل طارد للحرارة ، فإن توازن التفاعل يتحول عند درجات حرارة أقل إلى جانب الأمونيا. علاوة على ذلك، تنتج أربع وحدات حجمية من المواد الخام وحدتين حجميتين من الأمونيا. وفقًا لمبدأ لوشاتيليه ، فإن الضغط العالي يفضل الأمونيا. الضغط العالي ضروري لضمان تغطية سطحية كافية للمحفز بالنيتروجين. ^[54] لهذا السبب، فإن نسبة النيتروجين إلى الهيدروجين من 1 إلى 3، وضغط من 250 إلى 350 بار، ودرجة حرارة من 450 إلى 550 درجة مئوية وحديد ألفا هي الأمثل.

يتم إنتاج فيريت المحفز (α-Fe) في المفاعل عن طريق اختزال المغنتيت بالهيدروجين. يتمتع المحفز بأعلى كفاءة له عند درجات حرارة تتراوح من حوالي 400 إلى 500 درجة مئوية. على الرغم من أن المحفز يخفض بشكل كبير طاقة التنشيط لانقسام الرابطة الثلاثية لجزيء النيتروجين، إلا أن درجات الحرارة العالية لا تزال مطلوبة لمعدل تفاعل مناسب. عند درجة حرارة التفاعل المستخدمة صناعيًا من 450 إلى 550 درجة مئوية يتم تحقيق الحد الأمثل بين تحلل الأمونيا إلى المواد الأولية وفعالية المحفز. ^[55] تتم إزالة الأمونيا المتكونة باستمرار من النظام. تبلغ النسبة الحجمية للأمونيا في خليط الغاز حوالي 20٪.

يجب ألا تتجاوز المكونات الخاملة، وخاصة الغازات النبيلة مثل الأرجون ، نسبة معينة حتى لا ينخفض ​​الضغط الجزئي للمتفاعلات كثيرًا. لإزالة مكونات الغاز الخامل، يتم إزالة جزء من الغاز وفصل الأرجون في مصنع فصل الغازات . يتم استخراج الأرجون النقي من الغاز المتداول باستخدام عملية لينده . ^[56]

تنتج مصانع الأمونيا الحديثة أكثر من 3000 طن يوميًا في خط إنتاج واحد. يوضح الرسم البياني التالي إعداد مصنع هابر بوش:

اعتمادًا على منشأه، يجب أولاً تحرير غاز التوليف من الشوائب مثل كبريتيد الهيدروجين أو مركبات الكبريت العضوية، والتي تعمل كسم محفز . تتم إزالة التركيزات العالية من كبريتيد الهيدروجين، والتي توجد في غاز التوليف من فحم الكربنة ، في مرحلة التنظيف الرطب مثل عملية السلفوسولفان، بينما تتم إزالة التركيزات المنخفضة عن طريق الامتصاص على الكربون المنشط . ^[57] يتم فصل مركبات الكبريت العضوي عن طريق الامتصاص المتأرجح للضغط مع ثاني أكسيد الكربون بعد تحويل ثاني أكسيد الكربون.

لإنتاج الهيدروجين عن طريق الإصلاح بالبخار، يتفاعل الميثان مع بخار الماء باستخدام محفز أكسيد النيكل والألومينا في الإصلاح الأولي لتكوين أول أكسيد الكربون والهيدروجين. الطاقة المطلوبة لهذا، المحتوى الحراري ΔH، هي 206 كيلوجول/مول. ^[58]

${\displaystyle {\ce {{CH4_{(g)}}+H2O_{(g)}->{CO_{(g)}}+3H2_{(g)}}}\qquad {\Delta H=+206\ {\ce {kJ/mol}}}}$

يتفاعل غاز الميثان في المصلح الأولي جزئيًا فقط. لزيادة إنتاج الهيدروجين والحفاظ على محتوى المكونات الخاملة (أي الميثان) عند أدنى مستوى ممكن، يتم تحويل غاز الميثان المتبقي في خطوة ثانية مع الأكسجين إلى هيدروجين وأول أكسيد الكربون في المصلح الثانوي. يتم تزويد المصلح الثانوي بالهواء كمصدر للأكسجين. كما يتم إضافة النيتروجين المطلوب لتخليق الأمونيا اللاحق إلى خليط الغاز.

${\displaystyle {\ce {{2CH4_{(g)}}+O2_{(g)}->{2CO_{(g)}}+4H2_{(g)}}}\qquad {\Delta H=-71\ {\ce {kJ/mol}}}}$

في الخطوة الثالثة، يتم أكسدة أول أكسيد الكربون إلى ثاني أكسيد الكربون ، وهو ما يسمى بتحويل CO أو تفاعل تحول الماء إلى غاز .

${\displaystyle {\ce {{CO_{(g)}}+H2O(g)->{CO2_{(g)}}+H2_{(g)}}}\qquad {\Delta H=-41\ {\ce {kJ/mol}}}}$

إن أول أكسيد الكربون وثاني أكسيد الكربون يشكلان مركبات الكاربامات مع الأمونيا، والتي من شأنها أن تسد (كمواد صلبة) خطوط الأنابيب والأجهزة في غضون فترة زمنية قصيرة. في خطوة العملية التالية، يجب إزالة ثاني أكسيد الكربون من خليط الغاز. وعلى النقيض من أول أكسيد الكربون، يمكن إزالة ثاني أكسيد الكربون بسهولة من خليط الغاز عن طريق فرك الغاز باستخدام ثلاثي إيثانول أمين . لا يزال خليط الغاز يحتوي على الميثان والغازات النبيلة مثل الأرجون، والتي تتصرف بخمول. ^[51]

ثم يتم ضغط خليط الغاز إلى ضغط التشغيل بواسطة ضواغط توربينية . ويتم تبديد الحرارة الناتجة عن الضغط بواسطة المبادلات الحرارية ؛ حيث يتم استخدامها لتسخين الغازات الخام مسبقًا.

تتم عملية الإنتاج الفعلية للأمونيا في مفاعل الأمونيا. كانت المفاعلات الأولى تنفجر تحت ضغط مرتفع لأن الهيدروجين الذري في الفولاذ الكربوني يتحد جزئيًا في الميثان وينتج شقوقًا في الفولاذ. لذلك طورت شركة بوش مفاعلات أنبوبية تتكون من أنبوب فولاذي يتحمل الضغط يتم فيه إدخال أنبوب مبطن بالحديد منخفض الكربون ومملوء بالمحفز. الهيدروجين الذي ينتشر عبر الأنبوب الفولاذي الداخلي يتسرب إلى الخارج عبر فتحات رقيقة في الغلاف الفولاذي الخارجي، والتي تسمى فتحات بوش. ^[53] كان أحد عيوب المفاعلات الأنبوبية هو فقدان الضغط المرتفع نسبيًا، والذي كان لا بد من تطبيقه مرة أخرى بالضغط. جعل تطوير الفولاذ المقاوم للهيدروجين من الكروم والموليبدينوم من الممكن بناء أنابيب ذات جدار واحد. ^[59]

تم تصميم مفاعلات الأمونيا الحديثة كمفاعلات متعددة الطوابق ذات انخفاض ضغط منخفض، حيث يتم توزيع المحفزات على شكل حشوات على حوالي عشرة طوابق فوق بعضها البعض. يتدفق خليط الغاز من خلالها واحدًا تلو الآخر من الأعلى إلى الأسفل. يتم حقن الغاز البارد من الجانب للتبريد. أحد عيوب هذا النوع من المفاعلات هو التحويل غير الكامل لخليط الغاز البارد في فراش المحفز الأخير. ^[59]

وبدلًا من ذلك، يتم تبريد خليط التفاعل بين طبقات المحفز باستخدام مبادلات حرارية، حيث يتم تسخين خليط الهيدروجين والنيتروجين مسبقًا إلى درجة حرارة التفاعل. تحتوي المفاعلات من هذا النوع على ثلاث أسرّة محفزة. بالإضافة إلى التحكم الجيد في درجة الحرارة، يتمتع هذا النوع من المفاعلات بميزة تحويل أفضل لغازات المواد الخام مقارنة بالمفاعلات ذات حقن الغاز البارد.

لقد طورت شركة Uhde وتستخدم محول الأمونيا مع ثلاثة أسرّة حفازة ذات تدفق شعاعي ومبادلين حراريين داخليين بدلاً من أسرّة الحفاز ذات التدفق المحوري. وهذا يقلل بشكل أكبر من انخفاض الضغط في المحول. ^[60]

يتم إزالة ناتج التفاعل بشكل مستمر للحصول على أقصى إنتاج. يتم تبريد خليط الغاز إلى 450 درجة مئوية في مبادل حراري باستخدام الماء والغازات الموردة حديثًا وتيارات العملية الأخرى. يتكثف الأمونيا أيضًا ويتم فصله في فاصل الضغط. ثم يتم ضغط النيتروجين والهيدروجين غير المتفاعلين مرة أخرى إلى العملية بواسطة ضاغط غاز متداول ، مع إضافة غاز جديد، وتغذيته إلى المفاعل. ^[59] في التقطير اللاحق، يتم تنقية الأمونيا الناتجة.

تتضمن آلية تكوين الأمونيا الخطوات الأولية السبع التالية :

1. نقل المواد المتفاعلة من الطور الغازي عبر الطبقة الحدودية إلى سطح المحفز.
2. انتشار المسام إلى مركز التفاعل
3. امتصاص المواد المتفاعلة
4. رد فعل
5. امتصاص المنتج
6. نقل المنتج عبر نظام المسام إلى السطح مرة أخرى
7. نقل المنتج إلى الطور الغازي

إن النقل والانتشار (الخطوتين الأولى والأخيرة) سريعان مقارنة بالامتصاص والتفاعل والامتصاص بسبب بنية غلاف المحفز. ومن المعروف من خلال العديد من التحقيقات أن الخطوة التي تحدد معدل تخليق الأمونيا هي تفكك النيتروجين. ^[3] وعلى النقيض من ذلك، لا تزال تفاعلات التبادل بين الهيدروجين والديوتيريوم على محفزات هابر بوش تحدث عند درجات حرارة -196 درجة مئوية (-320.8 درجة فهرنهايت) بمعدل قابل للقياس؛ كما يحدث التبادل بين الديوتيريوم والهيدروجين على جزيء الأمونيا عند درجة حرارة الغرفة. ونظرًا لأن امتصاص كلا الجزيئين سريع، فإنه لا يمكنه تحديد سرعة تخليق الأمونيا. ^[61]

بالإضافة إلى ظروف التفاعل، يعتمد امتصاص النيتروجين على سطح المحفز على البنية المجهرية لسطح المحفز. يحتوي الحديد على أسطح بلورية مختلفة، تختلف تفاعليتها بشكل كبير. تتمتع أسطح Fe(111) وFe(211) بأعلى نشاط على الإطلاق. والتفسير لهذا هو أن هذه الأسطح فقط لها ما يسمى بمواقع C7 - وهي ذرات حديد لها سبعة جيران أقرب. ^[3]

يتبع الامتصاص الانفصالي للنيتروجين على السطح المخطط التالي، حيث يرمز S* إلى ذرة الحديد على سطح المحفز: ^[43]

N ₂ → S ^* –N ₂ (γ-species) → S*–N ₂ –S ^* (α-species) → 2 S*–N (β-species, surface nitride )

إن امتصاص النيتروجين يشبه الامتصاص الكيميائي لأول أكسيد الكربون. على سطح Fe(111)، يؤدي امتصاص النيتروجين أولاً إلى نوع γ ممتزج بطاقة امتصاص تبلغ 24 كيلوجول مول ^-1 واهتزاز تمدد NN يبلغ 2100 سم ^-1 . نظرًا لأن النيتروجين متساوي إلكترونيًا مع أول أكسيد الكربون، فإنه يمتص في تكوين طرفي حيث يرتبط الجزيء بشكل عمودي على سطح المعدن عند ذرة نيتروجين واحدة. ^{[17] [62] [3]} وقد تم تأكيد ذلك من خلال مطيافية الفوتون الإلكتروني . ^[63]

أظهرت حسابات Ab-initio-MO أنه بالإضافة إلى ارتباط σ لزوج الإلكترونات الحرة للنيتروجين بالمعدن، يوجد ارتباط π من مدارات d للمعدن بمدارات π* للنيتروجين، مما يعزز رابطة الحديد والنيتروجين. يرتبط النيتروجين في الحالة α بقوة أكبر بمقدار 31 كيلوجول مول ^-1 . يمكن تأكيد ضعف الرابطة N–N الناتج تجريبياً عن طريق تقليل أعداد الموجات لتذبذب التمدد N–N إلى 1490 سم ^-1 . ^[62]

يؤدي التسخين الإضافي لمنطقة Fe(111) المغطاة بـ α-N ₂ إلى كل من الامتزاز وظهور نطاق جديد عند 450 سم ^-1 . يمثل هذا تذبذبًا معدنيًا نيتروجينيًا، حالة β. تسمح المقارنة مع أطياف الاهتزاز للمركبات المعقدة باستنتاج أن جزيء N ₂ مرتبط "جانبيًا"، مع ذرة N على اتصال بموقع C7. يُطلق على هذا الهيكل "نتريد السطح". يرتبط نتريد السطح بقوة شديدة بالسطح. ^[63] تتحد ذرات الهيدروجين (H _ad )، والتي تكون متحركة للغاية على سطح المحفز، معه بسرعة.

يتم تكوين إيميدات السطح (NH _ad ) والأميدات السطحية (NH _2,ad ) والأمونياك السطحية (NH _3,ad ) المكتشفة باستخدام مطيافية الأشعة تحت الحمراء، حيث تتحلل الأخيرة تحت إطلاق NH _{3 (} الامتصاص ). ^[53] تم التعرف على الجزيئات الفردية أو تعيينها بواسطة مطيافية الأشعة السينية الضوئية الإلكترونية (XPS) ومطيافية فقدان طاقة الإلكترون عالية الدقة (HREELS) ومطيافية الأشعة تحت الحمراء .

وعلى أساس هذه النتائج التجريبية، يُعتقد أن آلية التفاعل تتضمن الخطوات التالية (انظر أيضًا الشكل): ^[64]

1. N ₂ (ز) → N ₂ (ممتص)
2. N ₂ (ممتص) → 2 N (ممتص)
3. H ₂ (ز) → H ₂ (ممتص)
4. H ₂ (ممتص) → 2 H (ممتص)
5. N (ممتص) + 3 H (ممتص) → NH ₃ (ممتص)
6. NH ₃ (ممتص) → NH ₃ (جم)

يحدث التفاعل 5 في ثلاث خطوات، مكونًا NH، NH ₂ ، ثم NH _3. تشير الأدلة التجريبية إلى أن التفاعل 2 هو خطوة بطيئة تحدد السرعة . وهذا ليس غير متوقع، حيث أن هذه الخطوة تكسر الرابطة الثلاثية للنيتروجين، وهي أقوى الروابط المكسورة في هذه العملية.

كما هو الحال مع جميع حفازات هابر-بوش، فإن تفكك النيتروجين هو الخطوة التي تحدد المعدل لحفازات الكربون المنشط بالروثينيوم. المركز النشط للروثينيوم هو ما يسمى بموقع B5، وهو موضع منسق 5 أضعاف على سطح Ru(0001) حيث تشكل ذرتان من الروثينيوم حافة خطوة مع ثلاث ذرات روثينيوم على سطح Ru(0001). ^[65] يعتمد عدد مواقع B5 على حجم وشكل جزيئات الروثينيوم، وسلائف الروثينيوم وكمية الروثينيوم المستخدمة. ^[48] إن التأثير المعزز للحامل الأساسي المستخدم في حفاز الروثينيوم مشابه لتأثير المروج للمعادن القلوية المستخدمة في حفاز الحديد. ^[48]

يمكن إنشاء مخطط للطاقة بناءً على المحتوى الحراري للتفاعل لكل خطوة على حدة. يمكن استخدام مخطط الطاقة لمقارنة التفاعلات المتجانسة وغير المتجانسة: نظرًا لطاقة التنشيط العالية لتفكك النيتروجين، لا يمكن تحقيق تفاعل الطور الغازي المتجانس. يتجنب المحفز هذه المشكلة لأن اكتساب الطاقة الناتج عن ربط ذرات النيتروجين بسطح المحفز يعوض بشكل مفرط عن طاقة التفكك اللازمة بحيث يكون التفاعل في النهاية طاردًا للحرارة. ومع ذلك، يظل الامتصاص التفككي للنيتروجين هو الخطوة التي تحدد المعدل: ليس بسبب طاقة التنشيط، ولكن بشكل أساسي بسبب عامل ما قبل الأسي غير المواتي لثابت المعدل. على الرغم من أن الهدرجة ماصة للحرارة، إلا أنه يمكن تطبيق هذه الطاقة بسهولة بواسطة درجة حرارة التفاعل (حوالي 700 كلفن). ^[3]

فيديوهات خارجية
كيف زاد عدد سكان الأرض بشكل كبير؟ بلومبرج كويك تيك

عند اختراعها لأول مرة، تنافست عملية هابر مع عملية صناعية أخرى، وهي عملية السياناميد . ومع ذلك، استهلكت عملية السياناميد كميات كبيرة من الطاقة الكهربائية وكانت تتطلب عمالة أكثر من عملية هابر. ^{[5] : 137–143}

اعتبارًا من عام 2018، تنتج عملية هابر 230 مليون طن من الأمونيا اللامائية سنويًا . ^[66] تُستخدم الأمونيا بشكل أساسي كسماد نيتروجين مثل الأمونيا نفسها، وفي شكل نترات الأمونيوم ، وفي شكل يوريا . تستهلك عملية هابر 3-5٪ من إنتاج الغاز الطبيعي في العالم (حوالي 1-2٪ من إمدادات الطاقة في العالم). ^{[4] [67] [68] [69]} بالاقتران مع التقدم في التربية ومبيدات الأعشاب والمبيدات الحشرية، ساعدت هذه الأسمدة في زيادة إنتاجية الأراضي الزراعية:

مع بقاء متوسط ​​إنتاج المحاصيل عند مستوى عام 1900، فإن حصاد المحاصيل في عام 2000 كان سيتطلب ما يقرب من أربعة أضعاف مساحة الأرض، وكانت المساحة المزروعة ستستحوذ على ما يقرب من نصف جميع القارات الخالية من الجليد، بدلاً من أقل من 15% من إجمالي مساحة الأرض المطلوبة اليوم. ^[70]

—  فاتسلاف سميل، دورة النيتروجين وإنتاج الغذاء العالمي، المجلد 2، الصفحات 9-13

تساهم كثافة الطاقة في العملية في تغير المناخ والمشاكل البيئية الأخرى مثل تسرب النترات إلى المياه الجوفية والأنهار والبرك والبحيرات؛ وتوسع المناطق الميتة في مياه المحيطات الساحلية، الناتجة عن التغذية الزائدة المتكررة؛ وترسب النترات والأمونيا في الغلاف الجوي مما يؤثر على النظم البيئية الطبيعية؛ وانبعاثات أعلى من أكسيد النيتروز (N ₂ O)، وهو الآن ثالث أهم غاز دفيئة بعد ثاني أكسيد الكربون _{والميثان} . [ ^70] تعد عملية هابر بوش واحدة من أكبر المساهمين في تراكم النيتروجين التفاعلي في المحيط الحيوي _، مما يتسبب في حدوث خلل بشري في دورة النيتروجين . ^[71]

نظرًا لأن كفاءة استخدام النيتروجين عادة ما تكون أقل من 50%، ^[72] فإن الجريان السطحي للمزارع الناتج عن الاستخدام المكثف للنيتروجين الصناعي الثابت يعطل الموائل البيولوجية. ^{[4] [73]}

إن ما يقرب من 50% من النيتروجين الموجود في الأنسجة البشرية نشأ من عملية هابر-بوش. ^[74] وبالتالي، تعمل عملية هابر بمثابة "مفجر الانفجار السكاني "، مما مكن سكان العالم من الزيادة من 1.6 مليار في عام 1900 إلى 7.7 مليار بحلول نوفمبر 2018. ^[75]

تقوم تقنية خلية الوقود العكسية ^[76] بتحويل الطاقة الكهربائية والماء والنيتروجين إلى الأمونيا دون الحاجة إلى عملية تحليل كهربائي للهيدروجين منفصلة. ^[77]

ويؤدي استخدام الأسمدة النيتروجينية الاصطناعية إلى تقليل الحافز لدى المزارعين لاستخدام تناوب المحاصيل الأكثر استدامة والتي تشمل البقوليات لقدرتها الطبيعية على تثبيت النيتروجين.

• عملية بيركلاند-إيد  – عملية تثبيت النيتروجين باستخدام الأقواس الكهربائية
• سياناميد الكالسيوم  – ملح الكالسيوم من السياناميد الذي يستخدم كسماد للنباتاتالصفحات التي تعرض أوصاف ويكي بيانات كبديل
• نترات الصوديوم التشيلية  – شكل معدني من نترات الصوديومالصفحات التي تعرض أوصافًا مختصرة لأهداف إعادة التوجيه
• الغوانو  – فضلات الطيور البحرية أو الخفافيش
• إنتاج الهيدروجين  – الإنتاج الصناعي للهيدروجين الجزيئي
• الغاز الصناعي  – المواد الغازية المنتجة للاستخدام في الصناعة
• طريقة باراداس  – عملية استخلاص النترات من الكالشي عن طريق الاستخلاص
• تناوب المحاصيل
• البقوليات

• كلارك، جيم (أبريل 2013) [2002]. "عملية هابر" . تم الاسترجاع في 15 ديسمبر 2018 .

• سميل، فاكلاف (1999). "مفجر الانفجار السكاني" (PDF) . نيتشر . 400 (6743). مجلات ماكميلان المحدودة: 415. رمز Bibcode :1999Natur.400..415S. doi :10.1038/22672.، 29 يوليو 1999.
• "مراجعة كتاب ""بين العبقرية والإبادة الجماعية: مأساة فريتز هابر، أبو الحرب الكيميائية"" (PDF) . دانييل تشارلز .
• "عملية هابر". Chemguide.co.uk .
• BASF – سماد من الهواء
• دليل بريتانيكا لجوائز نوبل: فريتز هابر
• عملية هابر لتخليق الأمونيا
• عملية هابر-بوش، أهم اختراع في القرن العشرين، وفقًا لـ V. Smil، Nature ، 29 يوليو 1999، ص. 415 (بقلم يورجن شميدهوبر )
• متحف نوبل الإلكتروني – سيرة فريتز هابر
• استخدامات وإنتاج الأمونيا