- ඇමෝනියා නිෂ්පාදනය ඉතා වැදගත් වනුයේ කෘතිම පොහොර නිෂ්පාදනයටය.
- මේ වන විට ලෝක ජනගහනය බිලියන 7.3 ක් පමණ වන අතර 2050 වන විට බිලියන 9 දක්වා වර්ධනය වේ යැයි නිමානය කර ඇත.
- වැඩිවන ජනගහනය සමග ආහාර නිෂ්පාදනය අත්‍යවශ්‍ය වේ. පොහොර නිෂ්පාදනය මේ සඳහා වැදගත් රසායනික නිෂ්පාදන ක්ෂේත්‍රයක් ලෙස සලකයි.
- සමස්ත ඇමෝනියා නිෂ්පාදනයෙන් 83% ක ප්‍රමාණයක් පොහොර යොදා ගන්නේ යූරියා නිෂ්පාදනයටය.
NH3 නිපදවීම සඳහා යොදාගන්නා හේබර් ක්‍රමයෙහි භෞතික රසායනික මූලධර්ම
- හේබර් ක්‍රමයේ ප්‍රධාන අරමුණ වන්නේ N2(g) හා H2(g) ප්‍රතික්‍රියා කරවා NH3 නිපදවා ගැනීමයි.N2(g) හා H2(g) 1:3 මවුල අනුපාතයෙන් ප්‍රතික්‍රියා කරවූ විට පහත දැක්වෙන ආකාරයේ සමතුලිතතාවක් ඇතිවේ.
\;{{\mathrm N}_2}_{(\mathrm g)}+3{{\mathrm H}_2}_{(\mathrm g)}\rightleftharpoons\;2{{\mathrm{NH}}_3}_{(\mathrm g)}\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\triangle\;\mathrm H<\;\mathrm O
\boxed{\begin{array}{l}\text{අවශ්‍ය තත්ත්ව }\\\text{පීඩනය}-\;200-300\;\mathrm{atm}\\\text{උෂ්ණත්වය}=400-5000\mathrm C\;\\\text{උත්ප්‍රේරක}=\text{යකඩ කුඩු}\\\text{උත්ප්‍රේරක වර්ධක}=\;{\mathrm{Al}}_2{\mathrm O}_3,{\mathrm K}_2\mathrm O\end{array}}
- මෙය තාපදායක සමතුලිතතාවයක් බැවින් ලී චැටලියර් මූලධර්මය අනුව වැඩි NH3 ඵලදාවක් ලබාගැනීමට නම් පද්ධතියේ උෂ්ණත්වය අඩුකළ යුතුය.එසේ වුවත් අඩු උෂ්ණත්වවලදී ප්‍රතික්‍රියා සීඝ්‍රතාව අඩු බැවින් ආර්ථික වශයෙන් අවාසිදායක වේ.මේ නිසා හේබර් ක්‍රමයේදී ප්‍රශස්ත උෂ්ණත්වයක් භාවිතා වේ.(400-5000C)මෙවැනි උෂ්ණත්වයක් යෙදීම නිසා තාපදායක ප්‍රතික්‍රියාව දිගින් දිගටම සිදුවන විට උෂ්ණත්වය පමණට වඩා ඉහළ යාමෙන් හේබර් කුටීරය පිටතින් සිසිල් කිරීමට සිදුවේ.
- මෙම ප්‍රතික්‍රියාව වායුමය අණු සංඛ්‍යාව අඩුවන දිශාවට සිදුවන්නක් බැවින් ඉහළ NH3 ඵලදාවක් ලබාගැනීමට ලී චැටලියර් මූලධර්මය අනුව අධික පීඩන යෙදිය යුතුය.එසේ වුවත් අධිපීඩන උපකරණවල නඩත්තු පිරිවැය හා ආරම්භක පිරිවැයද අධික බැවින් හේබර් ක්‍රමයේදී වායුගෝල 250ක ප්‍රශස්ත පීඩනයක් යොදනු ලැබේ.(200-300atm)
- ප්‍රතික්‍රියා සීඝ්‍රතාව වැඩිකරගෙන ඒකක කාලයකදී ලැබෙන NH3 ඵලදාව වැඩිකර ගැනීමට උත්ප්‍රේරකයක් භාවිතා කළ හැකිය.මේ සඳහා උත්ප්‍රේරකය ලෙස යකඩ කුඩුද , උත්ප්‍රේරක වර්ධක ලෙස Al2O3,K2O ප්‍රමාණයක්ද යොදනු ලැබේ.
- සෑදෙන NH3 පීඩනයක් යටතේ සිසිල් කළවිට ද්‍රව වන බැවින් ඉවත් කර ගත හැකිවන අතර අඩු NH3 සාන්ද්‍රණ ඉදිරි ප්‍රතික්‍රියාවට හිතකර බැවින් මෙමඟින් NH3 ඵලදාව තවදුරටත් වැඩි කර ගත හැකිය.
- අමුද්‍රව්‍ය ලබා ගැනීම –
N2 වායුව ලබාගන්නේ වාතය ද්‍රව කොට භාගික ආසවනය කිරීමෙනි.
H2 වායුව ලබාගන්නේ නැප්තා හෝ භූමි වායුවෙන් ලැබෙන හයිඩ්‍රොකාබන හුමාලය හෝ ඔක්සිජන් මඟින් භාගිකව ඔක්සිකරණය කිරීමෙනි. ස්වභාවික වායුව මඟින් H2 වායුව නිපදවා ගැනීම SMR( Steam Methane Reforming) ක්‍රමය ලෙස හදුන්වයි.
- ස්වභාවික වායුවේ ඉතා සුළු වශයෙන් H2S තිබීම නිසා උත්ප්‍රේරක ලෙස Ni භාවිතා කරන නිසා එහි උත්ප්‍රේරක ක්‍රියාවට බාධා පමුණුවයි.මේ වායුවේ වූ H2S ඉවත් කිරීමෙන් පසු උත්ප්‍රේරක ක්‍රියාව මඟින් H2 නිපදවා ගනු ලැබේ.
\mathrm{ZnO}\;_{(\mathrm s)}\;+\;{\mathrm H}_2\mathrm S\;_{(\mathrm g)}\rightarrow\;\;{\mathrm{ZnS}}_{(\mathrm s)}\;+\;{\mathrm H}_2\mathrm O\;_{(\mathrm l)}
- SMR ක්‍රමයේදී පළමු පියවර ලෙස CH4 ජල වාෂ්ප සමඟ 700-800 0C අතර උෂ්ණත්වයේදී ප්‍රතික්‍රියා කරවීමෙන් CO හා H2 සාදනු ලබන තාප අවශෝෂක ප්‍රතික්‍රියාව සිදුවේ.
\begin{array}{l}{{\mathrm{CH}}_4}_{(\mathrm g)}+{\mathrm H}_2{\mathrm O}_{(\mathrm g)}\rightarrow{\mathrm{CO}}_{(\mathrm g)}+3{{\mathrm H}_2}_{(\mathrm g)}\;\cdots\cdots\cdots(1)\;\;\;\;\;\;\text{ (භූමි වායුවෙන්) }\\\;2{{\mathrm{CH}}_4}_{(\mathrm g)}+{{\mathrm O}_2}_{(\mathrm g)}\rightarrow2{\mathrm{CO}}_{(\mathrm g)}+4{{\mathrm H}_2}_{(\mathrm g)}\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\text{(භූමි වායුවෙන්)}\end{array}
- දෙවන පියවරේදී මෙම වායු මිශ්‍රණය තවදුරටත් ජල වාෂ්ප සමඟ ප්‍රතික්‍රියා කරන අතර එහිදී CO වායුව CO2 බවට පත්වන තාපදායක ප්‍රතික්‍රියාව සිදුවේ.
{\mathrm{CO}}_{(\mathrm g)}+{\mathrm H}_2{\mathrm O}_{(\mathrm g)}\rightleftharpoons{{\mathrm{CO}}_2}_{(\mathrm g)}+{{\mathrm H}_2}_{(\mathrm g)}\;\triangle\mathrm H=-41\;\mathrm{kJmol}^{-1}\cdots\cdots(2)
- මෙහිදී පහත ප්‍රතික්‍රියාවද සිදුවීමට ඉඩ සැලසේ.
{{\mathrm{CH}}_4}_{(\mathrm g)}+2{\mathrm H}_2{\mathrm O}_{(\mathrm g)}\rightleftharpoons{{\mathrm{CO}}_2}_{(\mathrm g)}+4{{\mathrm H}_2}_{(\mathrm g)}\;\cdots\cdots\cdots(3)
- ඒ අනුව ජල වාෂ්ප වැඩිපුර පවත්වා ගැනීමෙන් ඉහත සමතුලිතය දකුණට නැඹුරු වන බැවින් H2 ඵලදාව වැඩිවේ.
- SMRහි තාපදායක ස්වභාවය පිළිබඳව ගුණාත්මකව යම් වැටහීමක් ලබා ගැනීම සඳහා ΔG=ΔH-TΔS සම්බන්ධය යොදා ගත හැකිය.
- ඉහත තාපගතික සම්බන්ධය අනුව තාපදායක 2 ප්‍රතික්‍රියාව සාපේක්ෂව පහල උෂ්ණත්වවලදී පවා ස්වයංසිද්ධවේ .වායු කලාපයේ අණු ගණනේ වෙනසක් නොවන නිසා පීඩනයේ බලපෑමක් නැත.එසේම ΔG කෙරෙහි TΔS බලපෑමක් නැති තරම්ය.
- තාප අවශෝෂක පළමු හා තෙවන ප්‍රතික්‍රියා සිදුවන්නේ සාපේක්ෂව ඉහළ උෂ්ණත්වවලදීය.
- ඉදිරි දිශාවට වායු කලාපයේ අණු ගණන වැඩි වන නිසා එන්ට්‍රොපිය වැඩි වේ.
- මේනිසා උෂ්ණත්වය වැඩිවත්ම TΔS හි ගුණිතයේ ධන අගය වැඩිවේ.
- එබැවින් ΔG=ΔH-TΔS ට අනුව මෙම 1 හා 3 ප්‍රතික්‍රියා සඳහා ඉහළ උෂ්ණත්වයේදී ΔG හි ඍණ ස්වභාවය වැඩිවීම සිදුවේ.
- ඉහළ උෂ්ණත්වයේ දී පළමු ප්‍රතික්‍රියාව සිදු වීමට ඉඩ සලස්වයි. (1800-1000°C)
- එහිදී තුන්වන ප්‍රතික්‍රියාව සිදු වීමට ඉඩ ඇත.
- ප්‍රතිඵල වූ වායු මිශ්‍රණයේ ඇති CO වායු සාන්ද්‍රණය අඩුකරමින් H2 ඵලදාව වැඩි කිරීමට 2 ප්‍රතික්‍රියාව සාපේක්ෂව පහළ උෂ්ණත්වවලදී(200-4000C) සිදුවීමට ඉඩ සලස්වයි.
- CO හා H2 සහිත උණුසුම් වායු මිශ්‍රණයට ජල වාෂ්ප එක් කිරීම සමඟ ඒ මිශ්‍රණයේ උෂ්ණත්වය (200-4000C දක්වා)අඩු කළ හැකිය. දෙවෙනි ප්‍රතික්‍රියාව තාප දායක නිසා නැවත පළමු ප්‍රතිකියාව සදහා සුදුසු ඉහළ උෂ්ණත්වයක් ලබා ගැනීමට දෙවන ප්‍රතික්‍රියාවෙන් ජනනය වන තාපය භාවිතා කරයි.
- එක්සත් ජනපදයේ සමස්ත ස්වභාවික වායු නිෂ්පාදනයෙන් 60% ක පමණ ප්‍රමාණයක් යොදා ගනු ලබන්නේ ඇමෝනියා නිෂ්පාදනය සඳහාය.
- මීට අමතරව H2 නිපදවීමට නැප්තා වායුව (C6H14) භාවිතා කරන අතර එහිදී වායුගෝලයට CO2 වායුව නිදහස් වීම සිදුවේ.
\begin{array}{l}\;{\mathrm C}_6{{\mathrm H}_{14}}_{(\mathrm g)}+6{\mathrm H}_2{\mathrm O}_{(\mathrm g)}\rightarrow6{\mathrm{CO}}_{(\mathrm g)}+13{{\mathrm H}_2}_{(\mathrm g)\;}\;\\{\mathrm{CO}}_{(\mathrm g)}+{\mathrm H}_2{\mathrm O}_{(\mathrm g)}\rightarrow{{\mathrm{CO}}_2}_{(\mathrm g)}+{{\mathrm H}_2}_{(\mathrm g)}\end{array}
N2 හා H2 මගින් NH3 සෑදීම
- කාර්මිකව ඇමෝනියා නිපදවූ ක්‍රමය හේබර්බොෂ් ක්‍රමය ලෙස හඳුන්වයි.
- මෙහිදී කාර්මික ප්‍රශස්ථ තත්ත්ව ලෙස උෂ්ණත්වය 450-5000C වැනි උෂ්ණත්ව පරාසයක් හා පීඩනය 250-300atm වැනි පීඩන පරාසයක් යටතේදී උත්ප්‍රේරක ලෙසට යකඩ කුඩු , යකඩද උත්ප්‍රේරක වර්ධක ලෙසට Al2O3 හා K2Oද යොදාගෙන ඇත.
{{\mathrm N}_2}_{(\mathrm g)}+3{{\mathrm H}_2}_{(\mathrm g)}\;\overset{250-300\mathrm{atm}}{\underset{450-500^\circ\mathrm C}\rightleftharpoons}\;2{{\mathrm{NH}}_3}_{(\mathrm g)}\;+\text{තාපය}\;\;\;\;\;\bigtriangleup\mathrm H<0
- සම්පීඩිත ප්‍රතික්‍රියක වායුමිශ්‍රණය උත්ප්‍රේරක පෘෂ්ඨය හරහා ගමන් කරමින් NH3 බවට පත්වේ.
- මේ ප්‍රතික්‍රියාව ප්‍රතිවර්ත්‍ය නිසා උත්ප්‍රේරක පෘෂ්ඨය පසුකරන වායු මිශ්‍රණයේ NH3 වායුවට අමතරව ප්‍රතික්‍රියා නොකල N2 හා H2 වායු ඇත.
- මේ මිශ්‍රණයෙන් NH3 වායුව වෙන් කිරීමට සිදුවේ. උෂ්ණත්වය-33.340Cදක්වා සිසිල් කිරීමත් සමඟ NH3වායුව ද්‍රවවේ. N2 වායුවේ තාපාංකය -195.80C හා H2 වායුවේ තාපාංකය -252.90C නිසා මේ මිශ්‍රණය සිසිල් කිරීම මඟින් ඉතා පහසුවෙන් NH3 පමණක් ද්‍රව කර N2 හා H2වායු මිශ්‍රණය, ප්‍රතික්‍රියා මිශ්‍රණයෙන් වෙන්කර ගැනීමට හැකිය.
- ඉහළ පීඩනයක් යටතේ වූ NH3,N2 හා H2 සහිත වායු මිශ්‍රණය වෙනත් කුටීරයක් තුළ දී පීඩනය එකවර අඩු කිරීම මගින් සිසිල් කළ හැකිය.එවිට NH3 වායුව ද්‍රව තත්ත්වයට පත්වේ. මේ නිසා වායු ලෙස ඉතිරි වී ඇති N2හා H2 වායු නැවත ප්‍රතික්‍රියා කුටීරයට පොම්ප කරනු ලබයි. NH3සෑදීම පිණිස වැය වූ N2 හා H2 වායු ප්‍රමාණයට ගැලපෙන N2හා H2 ප්‍රමාණයක් පමණක් අලුතින් එක් කරයි.
- පහත දැක්වෙන රූපය මගින් මෙම ක්‍රියාවලිය සරලව නිරූපණය කළ හැකිය.
- ද්‍රව ඇමෝනියා ඉවත් කළ පසුව ප්‍රතික්‍රියා නොකළ N2 හා H2 (-33.340C පමණ උෂ්ණත්වයක පවතින) හා අලුතින් එක් කරන N2 හා H2 වායූ මිශ්‍රණය 450-5000C උෂ්ණත්වය තෙක් රත් කරනු ලැබේ .මේ නිසා නිෂ්පාදන ක්‍රියාවලියට අවශ්‍ය තාප ශක්තිය ඉන්ධන දහනය මගින් ද ලබාදිය හැක ..ඒ නිසා වායුගෝලයට CO2එක් වේ.
- ඇමෝනියා නිෂ්පාදනයේ දී H2 ලබා ගැනීමේ පියවරේදීත් හේබර් ක්‍රමයේදී ඉහළ උෂ්ණත්වය ලබාදීම පිණිස ඉන්ධන දහනය නිසාත් CO2 ජනනය වේ .
- මේ සමස්ත ක්‍රියාවලිය නිසා වායුගෝලයට හරිතාගාර වායුවක් වූ CO2 නිදහස් වේ.ගෝලීය ව සමස්ත නිෂ්පාදනයඅනුව ඇමෝනියා ටොන් එකක් නිෂ්පාදනය කරන විටදී වායුගෝලයට එක් වන CO2 ප්‍රමාණය ටොන් 2.9ක් පමණ වේ. වායුගෝලයට CO2 එක් කරන අනෙක් ක්‍රියා හා සසඳන විට දී ඇමෝනියා නිෂ්පාදනය නිසා වායුගෝලයට එක්වන CO2 ප්‍රමාණය 1.4% ක් පමණ වේ.
- ඇමෝනියා නිශ්පාදනයේදී N2 හා H2 මිශ්‍ර කෙරෙනුයේ ඒවා අතර ස්ටොයිකියෝමිතිය අනුපාතය 1:3 අනුවය. නයිට්‍රජන් වායුව හා හයිඩ්‍රජන් වායුව නිපදවීමට යම් පිරිවැයක් දැරීමට සිදුවන නිසා අමුද්‍රව්‍ය නාස්තිය වැළැක්වීම පිණිස ස්ටොයිකියෝමිතිය අනුපාතය ඉක්මවා මිශ්‍ර කිරීම සිදු නොකරයි.
- එසේම එක් වායුවක් වැඩිපුර යොදා ගත හොත් ඒවා උත්ප්‍රේරක පෘෂ්ඨයට අධිශෝෂණය වී උත්ප්‍රේරක පෘෂ්ඨය මුළුමනින්ම වැසී යාමට ඉඩකඩ ඇත. උත්ප්‍රේරක පෘෂ්ඨය එක් වායුවකින් පමණක් වැසී ගිය විටදී ක්‍රියාව සිදුවීමේ ඉඩකඩ අඩුවේ.උත්ප්‍රේරක පෘෂ්ඨ දෙකටම අධිශෝෂණය විය යුතුය.උත්ප්‍රේරක භාවිතය නිසා සමතුලිතතාවයට එළඹීමට ගතවන කාලය අඩුවේ. මේ සියලු සාධක අනුව ප්‍රශස්ථ තත්ත්ව ලෙසට N2 හා H2 මිශ්‍ර මිශ්‍ර කරනුයේ 1:3 අනුපාතයේ පවතින පරිදිය පරිදිය.
- මේ ප්‍රතික්‍රියාව තාප තාපදායක නිසා ΔH සඳහා සෘණ අගයක් ඇත. ප්‍රක්‍රියාව සිදු වන විට අණු ගණන අඩු වන නිසා එන්ට්‍රොපිය අඩුවේ. ඒ නිසා ΔS සඳහා සෘණ අගයක් ඇත. එබැවින් TΔS සෘණ වන නිසා -TΔS අගය ධන අගයක් ගනු ලැබේ. එබැවින් උෂ්ණත්වය වැඩි කරන විට G හි සෘණ ස්වභාවය ධන ස්වභාවය කරා වෙනස් වෙයි. එසේම ඉහල උෂ්ණත්ව ඉදිරි ක්‍රියාවට අහිතකර බව ලේ චැටලියර් මූලධර්මය ආශ්‍රයෙන් පැහැදිලි කළ හැකිය.
- උෂ්ණත්වය වැඩි කරන විට ප්‍රතික්‍රියාවේ ස්වයංසිද්ධ ස්වභාවය අඩුවේ. තාපගතිකව ස්වයංසිද්ධ ස්වභාවය අඩු වන නිසා ඵලදාව අඩුවේ. ඵලදාව වැඩි කිරීමට උෂ්ණත්වය අඩු කළ යුතුය. උෂ්ණත්වය අඩු කරනවිටදී ප්‍රතික්‍රියාවේ සීඝ්‍රතාව අඩුවී සමස්ත ක්‍රියාවලියේ කාර්යක්ෂමතාව අඩු වේ. ප්‍රශස්ත කාර්යක්ෂමතාවක් පවත්වා ගත යුතු නිසා 450-5000C වැනි උෂ්ණත්වයක් පවත්වා ගනු ලැබේ. මේ තත්ත්ව යටතේ දී ලැබෙන NH3 ඵලදාව සාපේක්ෂව අඩුය. එහෙත් ප්‍රතික්‍රියා නොකළ N2 හා H2 නැවත නැවත උත්පේරක චක්‍ර වලට සහභාගි කරවීමට නිෂ්පාදන ක්‍රියාව සැලසුම් කර ඇත.
- තනි පියවරක් ලෙස ට ලැබෙන NH3 ඵලදාව අඩු වුවත් සමස්ත ක්‍රියාවලියක් ලෙසට ඉහළ ඵලදාවක් ලැබී ඇත්තේ වැඩි උත්ප්‍රේරක චක්‍ර ගණනක් යටතේ ප්‍රතික්‍රියාව සිදු කරවීමට සැලසුම් කර තිබෙන නිසාය.
- ලේ චැටලියර් මූලධර්මයට අනුව ඉහළ පීඩන ඉදිරි ක්‍රියාවට හිතකර වේ. එහෙත් අධික පීඩන වලට ඔරොත්තු දෙන උපකරණ වල නඩත්තු පිරිවැය අධිකය.ඒ නිසා වර්තමානයේ භාවිත වන්නේ 200-300atm පීඩනයකි.ප්‍රතික්‍රියක සාන්ද්‍රණය ඉහළ මට්ටමක තිබීම හා සෑදෙන ඵල ඉවත් කරමින් ඵල සාන්ද්‍රණ අඩු මට්ටමක පවත්වා ගැනීම වැඩි NH3 ඵලදාවක් ලැබීමට හේතුවේ.එය ලේ චැටලියර් මූලධර්මය මඟින් පැහැදිලි කළ හැකිය .
- ප්‍රතික්‍රියා කුටීරයට වරින් වර N2 හා H2 යැවීම සිදු වන අතර සෑදෙන NH3 සහිත වායු මිශුණය වරින් වර සිසිල් කර ද්‍රවීකරණය කිරීමෙන් ඇමෝනියා ඉවත් කරන නිසා මේ අවශ්‍යතාව සම්පූර්ණ වේ.
NH3 වල ප්‍රයෝජන
- HNO3 අම්ලය නිපදවා ගැනීම.
- පොහොරක් ලෙස මෙන්ම පුපුරණ ද්‍රව්‍යයක් ලෙසද භාවිතා කරන NH4NO3 නිපදවා ගැනීම.
- යූරියා හා නයිලෝන් නිෂ්පාදනය කිරීම.
- බොරතෙල්හි ආම්ලික සංරචක උදාසීන කිරීමේදී පෙට්‍රෝලියම් කර්මාන්තයේදී NH3 භාවිතා වේ.
- ජලය හා අපජලය පිරියම් කිරීමේදී pH පාලකයක් ලෙසත් ද්‍රාවණ තත්වයේදී දුබල ඇනායන හුවමාරු රෙසින පුනර්ජනනයටත් NH3 භාවිතා කරයි.
වැඩිදුර අධ්‍යනයට ,
ඉදිරියේදී ප්‍රශ්න ඇතුලත් වන්නේ මෙතනටයි.
