풍요의 가격: 질소로 고정

May 05, 2023

루이지애나 남동부의 구불구불한 미시시피 강 옆에 있는 CF Industries의 1,400에이커 규모의 Donaldsonville Complex는 스팀펑크의 광경을 연출합니다. 거대한 냉각탑, 탱크, 용광로, 파이프 및 굴뚝은 증기를 내뿜고 때로는 암모니아가 누출되어 지역 사회에 대피령이 내려질 수 있습니다.

밤에는 거대한 단지가 작은 도시처럼 보입니다. 다양한 밝은 조명이 화학 제조의 분주한 벌집에서 작업자를 안내합니다. 이 공장에서는 약 1,000명의 직원이 농업 및 기타 산업을 위해 연간 약 800만 톤의 질소 제품을 생산하는 데 도움을 줍니다. 암모니아, 질산암모늄, 요소 및 디젤 배기 유체는 파이프라인, 철도, 트럭, 강 및 바다 바지선을 통해 단지에서 운송됩니다.

회사에 따르면 CF의 Donaldsonville 사업장은 세계 최대 규모의 암모니아 공장입니다. 질소 원자 하나에 결합된 세 개의 수소 원자로 구성된 암모니아는 질소 합성 과정의 일부입니다. 상업용 비료의 "3대" 영양소(질소, 인, 칼륨) 중에서 질소는 대부분의 생물체에서 조직을 구성하는 단백질을 만드는 데 중요합니다.

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가장 일반적인 화학 원소 중 하나인 질소는 공기의 78%를 구성합니다. 식물, 동물, 사람은 그것 없이는 살 수 없습니다. 그러나 가스 형태로도 사용할 수 없습니다. "수정"되어야 합니다. 수정은 식물과 미생물이 대기 질소를 암모니아로 전환함에 따라 자연에서 천천히 발생합니다. 지난 세기 동안 픽스는 암모니아를 생성하기 위해 극도로 높은 압력에서 공기 중의 질소와 수소를 결합하는 소위 하버-보쉬(Haber-Bosch) 공정에서 산업적 목적으로 사용되었습니다.

1918년에 이 공정은 독일 화학자 프리츠 하버(Fritz Haber)에게 "농업 표준과 인류 복지를 향상시키는 매우 중요한 수단"으로 노벨 화학상을 수상했습니다. 100년 후, 인구통계학자들은 현재 지구상에 살고 있는 80억 명의 인구 중 절반만이 합성 질소 비료 없이 먹을 수 있을 것으로 추정합니다.

그러나 수십억 명의 사람들에게 먹이를 주는 동일한 영양소가 화학 무기, 공장 폭발 또는 환경에서의 과다 복용을 통해 사망할 수도 있습니다. 농장에 과도하게 적용되면 과도한 질소가 수로로 흘러 들어가 조류의 연료가 되어 증식하고 빛을 차단하며 다른 식물과 동물의 산소가 부족해집니다.

"질소 비료가 개발도상국을 포함하여 전 세계 수십억 명의 사람들에게 식량 생산을 증가시켜 사회에 엄청난 이익을 제공한다는 것은 의심의 여지가 없습니다"라고 환경 건전성 프로젝트(Environmental Integrity Project)는 올 봄에 보고했습니다. 공공 안전과 환경에 대한 위협으로 인해 산업계가 "그러나 화학비료의 과도한 사용은 환경에 대한 비용을 초래하며, 화학물질의 제조가 제대로 규제되지 않으면 그 피해가 증가합니다."

20세기 초 유럽과 미국의 농부들은 고정 질소원으로 칠레산 초석과 페루산 거대한 구아노 같은 수입품에 의존했습니다. 베를린에 있는 막스 플랑크 과학사 연구소의 물리학자 벤저민 존슨(Benjamin Johnson)은 하버의 합성 암모니아 생산 발견이 세상을 변화시켰다고 말했습니다.

당시에는 화석 연료로의 주요 에너지 전환이 진행 중이었습니다. 농업이 산업화되고 있었습니다. 사람들은 Haber의 발명품에 열광했지만 어려운 부분은 규모를 확대하는 것이라고 2022년 책 Making Ammonia: Fritz Haber, Walther Nernst, and the Nature of Scientific Discovery의 저자인 Johnson이 말했습니다.

같은 해에 그는 자신의 발견에 대해 특허를 냈습니다. 1908년 화학 회사 BASF는 산업 규모의 고압 암모니아 합성을 개발하기 위해 Haber와 계약을 맺었습니다. BASF 화학 엔지니어 Carl Bosch가 프로젝트에 배정되었습니다. 그는 강렬한 가스 압력과 온도를 견딜 수 있는 공장과 기계를 구축해야 했습니다. Bosch는 "이 가스 혼합물을 압력 하에 유지하고 압력 오븐이 파손되지 않도록 밀봉된 상태를 유지하기 위해 몇 가지 특수 케이스를 고안해야 했습니다"라고 Johnson은 말했습니다.