空氣固氮用電離放電裝置

空氣固氮用電離放電裝置，其特征在于它是由進(jìn)風(fēng)口、前蓋、放電環(huán)、絕緣套、放電軸、排氣孔、后蓋、皮帶輪、軸承、出風(fēng)口組成的，放電環(huán)為陽極，放電軸為陰極，前、后蓋與絕緣套和套有放電環(huán)的放電軸之間形成密封腔放電區(qū)，空氣從進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入放電軸管內(nèi)，通過排氣孔再進(jìn)入密封腔放電區(qū)，電離出的氮原子氧化后生成的二氧化氮從出風(fēng)口排出，被水吸收成硝酸。此裝置用于固氮，方法容易、工藝流程短、設(shè)備簡單、投資少、能源消耗低、使用壽命長、固氮效果好;可廣泛用于生產(chǎn)化肥和淡化海水。

19世紀(jì)末化肥工業(yè)的出現(xiàn)和發(fā)展推動了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展。隨著世界人口增長對糧食的需求也日趨增大，再加上工業(yè)發(fā)展和軍事上的迫切需要，使人工固氮在本世紀(jì)初成了世界性的重大研究課題。盡管不少化學(xué)家耗費了相當(dāng)大的精力，但仍未掌握一種較理想的人工固氮方法。

1905年德國物理化學(xué)家、合成氨的發(fā)明者弗里茨·哈伯(Fritz Haber)赴美國考察，回國后也采用高壓放電固氮，實驗歷時一年效果不盡人意。后來從法國化學(xué)家用高溫、高壓合成氨發(fā)生爆炸的消息中獲得啟示，他也毅然采用該法進(jìn)行試驗，表現(xiàn)了他的果斷和勇氣。在歷經(jīng)無數(shù)次失敗后， 1909年7月2日哈伯在實驗室采用600℃、 200個大氣壓和用金屬鐵作催化劑的條件下，人工固氮成功，平衡后氨的濃度達(dá)到6%，首次取得突破，當(dāng)年德國巴登苯胺純堿公司總經(jīng)理、工業(yè)化學(xué)家博施(Carl Bosch)，參觀了哈伯的實驗室，確認(rèn)他的方法成功、有效，決定擴大進(jìn)行中間試驗。此后哈伯提出了原料氣循環(huán)使用的合理建議;博施也解決了從水煤氣中獲得氫氣的問題。1910年建成新工藝流程的中試工廠。該公司的研究人員在化學(xué)家米塔斯(Mitas)的主持下，用2500種不同的催化劑經(jīng)上萬次試驗，終于研制成功含有鉀、鋁氧化物作助催化劑的價廉易得的高效鐵催化劑。1911年巴登公司在德國奧堡建成世界第一座日產(chǎn)30 噸合成氨的工廠。人稱這種合成氨方法為"哈伯-博施法"，這是具有世界意義的人工固氮技術(shù)的重大成就。是化工生產(chǎn)實現(xiàn)高溫、高壓、催化反應(yīng)的第一個里程碑。合成氨的原料來自空氣、煤和水，因此是最經(jīng)濟的人工固氮法，從而結(jié)束了人類完全依靠天然氮肥的歷史，給世界農(nóng)業(yè)發(fā)展帶來了福音;為工業(yè)生產(chǎn)、軍工需要的大量硝酸、炸藥解決了原料問題)在化工生產(chǎn)上推動了高溫、高壓、催化劑等一系列的技術(shù)進(jìn)步。合成氨的成功也為德國節(jié)省了巨額經(jīng)費支出，哈伯、博施也一舉成名。

作為合成氨工業(yè)的奠基人，哈伯也深受當(dāng)時德國統(tǒng)治者的青睞，他數(shù)次被德皇威廉二世召見，委以重任。1911年他擔(dān)任了威廉皇家物理化學(xué)和電化學(xué)研究所所長兼柏林大學(xué)教授。1914年第一次世界大戰(zhàn)爆發(fā)時，哈伯參與設(shè)計的多家合成氨工廠已在德國建成。當(dāng)時唯有德國掌握壟斷了合成氨技術(shù)，這也促成了德皇威廉二世的開戰(zhàn)決心。威廉認(rèn)為只要能源源不斷地生產(chǎn)出氨和硝酸，德國的糧食和炸藥供應(yīng)就有保證:再全力阻擾敵國獲得智利硝石就可以制限對方，德國就能獲勝。外國首腦和軍事專家也曾預(yù)測:由于含氨化合物的短缺，大戰(zhàn)將在一年之內(nèi)結(jié)束。不料德國合成氨的成功使其含氮化合物自給有余，從而延長了一次大戰(zhàn)的時間，哈伯的成功也給平民百姓帶來了災(zāi)難、戰(zhàn)爭和死亡，這大概是他料想不到的。

生物固氮是固氮微生物的一種特殊的生理功能，已知具固氮作用的微生物約近50個屬，包括細(xì)菌、放線菌和藍(lán)細(xì)菌(即藍(lán)藻)，它們的生活方式、固氮作用類型有較大區(qū)別，但細(xì)胞內(nèi)都具有固氮酶。不同固氮微生物的固氮酶均由鉬鐵蛋白和鐵蛋白組成。固氮酶必須在厭氧條件下，即在低的氧化還原條件下才能催化反應(yīng)。固氮作用過程十分復(fù)雜，目前還不完全清楚。各種固氮微生物進(jìn)行固氮作用的總反應(yīng)可用以下簡式表示:

根據(jù)固氮微生物與高等植物的關(guān)系，可分為自生固氮菌、共生固氮菌以及聯(lián)合固氮菌。其所進(jìn)行的固氮作用分別稱為自生固氮，共生固氮或聯(lián)合固氮。

另外，還有大豆等生物，跟也有固氮作用。

自生固氮菌(Azotobacteria)是自由生活在土壤或水域中，能獨立進(jìn)行固氮作用的某些細(xì)菌。以分子態(tài)氮為氮素營養(yǎng)，將其還原為NH3，再合成氨基酸、蛋白質(zhì)。包括好氧性細(xì)菌，如固氮菌屬、固氮螺菌屬以及少數(shù)自養(yǎng)菌;兼性厭氧菌，如克雷伯氏菌屬;厭氧菌，如梭狀芽孢桿菌屬的一些種。還有光合細(xì)菌如紅螺菌屬、綠菌屬以及藍(lán)細(xì)菌(藍(lán)藻)，如魚腥藻屬、念珠藻屬等。

近年在上述兩個類型之間又提出一個中間類型，稱為聯(lián)合固氮。即有的固氮菌生活在某些植物根的粘質(zhì)鞘套內(nèi)或皮層細(xì)胞間，不形成根瘤，但有較強的專一性，如雀稗固氮菌與點狀雀稗聯(lián)合，生活在雀稗根的粘質(zhì)鞘套內(nèi)，固氮量可達(dá)15~93千克/公頃·年。其他如生活在水稻、甘蔗及許多熱帶牧草的根際的微生物，由于與這些植物根系聯(lián)合，因而都有很強的固氮作用。

共生固氮菌在與植物共生的情況下才能固氮或才能有效地固氮，固氮產(chǎn)物氨可直接為共生體提供氮源。共生固氮效率比自生固氮體系高數(shù)十倍。主要有根瘤菌屬(Rhizobium)的細(xì)菌與豆科植物共生形成的根瘤共生體，弗氏菌屬(Frankia)與非豆科植物共生形成的根瘤共生體;某些藍(lán)細(xì)菌與植物共生形成的共生體，如念珠藻或魚腥藻與裸子植物蘇鐵共生形成蘇鐵共生體，紅萍與魚腥藻形成的紅萍共生體等。在實驗條件下培養(yǎng)自生固氮菌，培養(yǎng)基中只需加入碳源(如蔗糖、葡萄糖)和少量無機鹽，不需加入氮源，固氮菌可直接利用空氣中的氮(N2)作為氮素營養(yǎng);如培養(yǎng)根瘤菌，則需加入氮素營養(yǎng)，因為根瘤菌等共生固氮菌，只有與相應(yīng)的植物共生時，才能利用分子態(tài)氮(N2)進(jìn)行固氮作用。

即采用人工或自然的方式，使空氣中的氮氣轉(zhuǎn)化為氮化物。電離作用和大自然中的閃電能使空氣中的氮氣和氧氣產(chǎn)生化合作用，形成 一氧化氮，一氧化氮極其不穩(wěn)定，會瞬間被氧化成二氧化氮。二氧化氮溶于水形成稀薄的硝酸，而硝酸會與土壤里的元素形成氮化物，從而被植物吸收。