Fritz Haber và Carl Bosch: Biến không khí thành phân bón

Nguyên tố nitơ (N) có trong phân bón thương mại ngày nay là một trong những chất dinh dưỡng quan trọng nhất đối với thực vật. Đây là nguyên tố hỗ trợ các loại cây trồng phát triển khỏe mạnh, cũng như khiến cây trồng trở thành thực phẩm bổ dưỡng hơn cho con người.

Nhưng hơn 175 năm trước, một cuộc tranh luận khoa học đã nổ ra ở châu Âu về tầm quan trọng của nitơ đối với sự phát triển của thực vật. Cuối cùng, hai nhà khoa học Anh bao gồm Bennet Lawes và Joseph Henry Gilbert đã kết thúc cuộc tranh luận này sau khi công bố nghiên cứu cho thấy việc bổ sung phân bón nitơ (phân đạm) vào đất làm tăng năng suất lúa mì ở Anh. Sau đó 50 năm, các quốc gia công nghiệp bắt đầu đối mặt với thử thách đảm bảo nguồn lương thực cho dân số ngày càng tăng, và Vương quốc Anh đã phải nhập khẩu phần lớn lượng lúa mì mà họ tiêu thụ.

Năm 1898, William Crooks, chủ tịch Hiệp hội vì sự tiến bộ của khoa học Anh, kêu gọi các nhà nghiên cứu hóa học trên thế giới tìm ra giải pháp hỗ trợ sản xuất phân bón nitơ để giải quyết cuộc khủng hoảng lương thực trước mắt.

Nhà khoa học người Đức Fritz Haber đã sớm tìm ra giải pháp vào năm 1909 khi ông phát hiện phản ứng hóa học giữa khí nitơ (N2) và hydro (H2) tạo ra amoniac (NH3) - thành phần chính để sản xuất phân bón nitơ. Phản ứng này xảy ra ở nhiệt độ 550ºC, áp suất khoảng 175 atm. Haber sử dụng hai chất xúc tác bao gồm osmi và uranium.

Tháng 7/1909, công ty hóa chất lớn nhất của Đức, BASF, đã tài trợ một khoản tiền lớn cho nhà hóa học và kỹ sư Carl Bosch người Đức để phát triển dây chuyền điều chế amoniac trên quy mô thương mại. Tuy nhiên, dự án này không hề dễ dàng. Mặc dù khí nitơ chiếm tới 78% thành phần của không khí nhưng các liên kết ba của nó làm cho phân tử khí nitơ cực kỳ ổn định và khó tham gia phản ứng hóa học. Vì vậy, dây chuyền sản xuất amoniac phụ thuộc vào việc duy trì nhiệt độ và áp suất cao.

Sau nhiều nỗ lực, Bosch đã xây dựng thành công một hệ thống lò phản ứng cao 8m có thể sản xuất 90kg amoniac mỗi giờ vào năm 1914. Tại thời điểm đó, ông cần tìm cách tạo ra hydro tinh khiết với số lượng lớn để làm nguyên liệu đầu vào. Phương pháp điều chế hydro thông qua điện phân không thể giúp mở rộng quy mô sản xuất do giá thành quá cao. Cuối cùng, Bosch và cộng sự đã nghĩ ra cách làm lạnh khí tổng hợp chứa hydro theo từng giai đoạn đến mức nhiệt độ -205ºC. Tại ngưỡng nhiệt độ này, tất cả các loại khí ngoại trừ hydro đều hóa lỏng.

Vấn đề thứ hai mà Bosch cần giải quyết là việc tìm ra các chất xúc tác hiệu quả và ổn định. Sau khi tiến hành khoảng 20.000 thí nghiệm, Bosch và trợ lý Alwin Mittasch đã thay thế hai chất xúc tác osmi và uranium mà Haber từng sử dụng bằng một hỗn hợp chất xúc tác dựa trên oxit sắt. Chất xúc tác mới tạo ra hiệu suất phản ứng cao, dễ điều chế và có giá thành rẻ. Osmium không thích hợp để giúp mở rộng quy mô sản xuất vì nguồn cung cấp toàn cầu của nó chỉ khoảng vài kg, trong khi uranium rất đắt và dễ phản ứng với nước, oxy. Ngày nay, phản ứng điều chế amoniac từ nitơ và hydro được gọi là quy trình Haber–Bosch.

Chiến tranh Thế giới thứ nhất đã diễn ra ngay sau khi BASF xây dựng xong nhà máy sản xuất amoniac. Do amoniac cũng là một trong những thành phần chính để chế tạo thuốc nổ nên khi nước Đức cạn kiệt nguồn cung cấp amoniac tự nhiên trong giai đoạn đầu của cuộc chiến tranh, họ đã sử dụng nhà máy mới của BASF để sản xuất vật liệu nổ. Nếu không có quy trình Haber-Bosch, Chiến tranh thế giới thứ nhất có lẽ đã kết thúc nhanh chóng hơn.

Sau khi chiến tranh kết thúc, Đức đã cố gắng giữ bí mật về quy trình Haber-Bosch. Tuy nhiên, trong các cuộc đàm phán tại Hội nghị Versailles, một thành viên của đoàn đàm phán nước Đức tên là Bosch đã cung cấp cho Chính phủ Pháp các chi tiết kỹ thuật để xây dựng một nhà máy sản xuất amoniac. Người Pháp bắt đầu sản xuất amoniac vào đầu thập niên 1920, ngay sau đó là Anh và Mỹ.

Những đóng góp của Haber và Bosch trong việc sản xuất amoniac trên quy mô công nghiệp đã được vinh danh với hai giải Nobel. Haber nhận giải Nobel Hóa học vào năm 1918 với công trình nghiên cứu phương thức tổng hợp amoniac từ nitơ trong không khí. Trong khi đó, Bosch và một nhà khoa học khác tên là Friedrich Bergius được trao giải Nobel Hóa học vào năm 1931 với những nghiên cứu mang tính tiên phong về các phương pháp sản xuất hóa chất trong điều kiện áp suất cao.

Ngày nay, một cơ sở sản xuất amoniac hiện đại có thể tạo ra khoảng 1.000 tấn amoniac mỗi ngày. Theo thống kê, khoảng 80% lượng amoniac sau khi điều chế được dùng để làm phân bón, trong khi số còn lại dùng cho công nghiệp, chất tẩy rửa và sản xuất các hợp chất khác chứa nitơ như axit nitric.

Sự xuất hiện của phân bón tổng hợp đã làm tăng đáng kể sản lượng các loại cây trồng cung cấp thực phẩm và thức ăn chăn nuôi. Chỉ trong vòng 70 năm, sản lượng ngô của Mỹ đã tăng gấp sáu lần nhờ lượng nitơ dồi dào bổ sung vào đất. Nếu không có quy trình Haber-Bosch, chúng ta chỉ có thể sản xuất được khoảng 2/3 lượng lương thực so với ngày nay và dân số thế giới sẽ thu hẹp lại tương ứng.

Cần lưu ý rằng bón phân hợp lí sẽ làm tăng năng suất cây trồng nhưng nếu lạm dụng phân bón, sử dụng vượt quá mức tối ưu thì cây sẽ không hấp thụ hết. Lượng phân bón dư thừa có thể ảnh hưởng xấu tới môi trường như làm thay đổi tính chất lí hóa của đất, gây ô nhiễm nguồn nước và giảm chất lượng nông sản.