Od niedosolonej zupy gorsza mo¿e byæ ju¿ tylko zupa… przesolona. Ta stara prawda znana jest ka¿demu adeptowi sztuki kulinarnej. Dlatego zachowanie odpowiednich proporcji jest najwa¿niejszym przykazaniem szanuj±cego siê kucharza. Chemika równie¿, o czym przekonali siê naukowcy z Uniwersytetu Jagielloñskiego pracuj±cy nad katalizatorem do niskotemperaturowego usuwania podtlenku azotu z gazów resztkowych emitowanych przez fabryki kwasu azotowego.
Po trzech latach wytê¿onych badañ fizykochemicznych, po wielce obiecuj±cych wynikach uzyskanych w laboratorium, przysz³a pora na sprawdzenie go w warunkach rzeczywistych. Dopiero wówczas bêdzie mo¿na mówiæ o pe³nym sukcesie. Jeszcze w tym roku w Instytucie Nawozów Sztucznych w Pu³awach przeprowadzone zostan± testy w skali pilotowej. Wybór partnera nie jest przypadkowy. Fabryki kwasu azotowego s±, obok rolnictwa, g³ównym ¼ród³em emisji N2O. O ile jednak w przypadku rolnictwa, z racji choæby liczby i rozproszenia gospodarstw, trudno by³oby znale¼æ uniwersalne dla nich rozwi±zanie, o tyle ju¿ w fabrykach, których w Polsce jest piêæ (Pu³awy, Tarnów, Police, Kêdzierzyn−Ko¼le, W³oc³awek), nie jest to zadanie niewykonalne. To w³a¶nie tam odbywa siê synteza amoniaku, jego utlenianie i transformacja do kwasu azotowego, a nastêpnie przemiana w azotan amonu b±d¼ inne nawozy sztuczne. Po zakoñczeniu ca³ego procesu produkcji, do atmosfery uwalniane s± tzw. gazy resztkowe. Obok nieszkodliwego tlenu czy pary wodnej znajduj± siê w nich tlenki azotu, w tym N2O. Wprawdzie jego stê¿enie tam¿e wynosi zaledwie 0,2 proc., ale niech to nikogo nie zmyli. Zwa¿ywszy na wielko¶æ produkcji, gazy te ulatniaj± siê bowiem w znacznych ilo¶ciach przez ca³± dobê. Dzia³anie podtlenku azotu jest o wiele bardziej szkodliwe dla atmosfery ni¿ dwutlenku wêgla, gdy¿ cz±steczka N2O ma trzysta razy wiêkszy wspó³czynnik efektu cieplarnianego od CO2! To oznacza, ¿e tyle razy efektywniej poch³ania ciep³o. Co wiêcej, podtlenek azotu utrzymuje siê w atmosferze ponad 100 lat, podczas gdy metan – inny sprawca globalnego ocieplenia – dziesiêciokrotnie krócej. Wreszcie, N2O znacz±co przyczynia siê równie¿ do destrukcji warstwy ozonowej. Z tych powodów, to w³a¶nie podtlenek azotu uznawany jest za g³ównego „winowajcê” w tworzeniu efektu cieplarnianego, a co za tym idzie – globalnego ocieplenia.
Sama reakcja rozk³adu tego gazu znana jest chemikom od dawna. Wiele katalizatorów jest w stanie bez wiêkszych problemów rozerwaæ wi±zanie azot−tlen i doprowadziæ do rekombinacji atomów tlenu, co stanowi dwa kluczowe etapy reakcji rozk³adu N2O na nieszkodliwy azot i tlen. Istota problemu, którym zajêli siê pracownicy Zespo³u Katalizy i Fizykochemii Cia³a Sta³ego na Wydziale Chemii Uniwersytetu Jagielloñskiego, tkwi³a gdzie indziej.
– Celem naszych badañ by³o opracowanie takiego uk³adu katalitycznego, który bêdzie efektywnie rozk³ada³ podtlenek azotu w niskich temperaturach w obecno¶ci inhibitorów, takich jak para wodna, tlen czy inne tlenki azotu, wystêpuj±cych w gazach resztkowych. Sporo uk³adów katalitycznych dzia³a w temperaturach rzêdu 500 stopni, tymczasem, aby mo¿na by³o my¶leæ o jego praktycznym zastosowaniu, interesowa³ nas katalizator dzia³aj±cy w temperaturach poni¿ej 350 stopni, bo tyle maj± gazy resztkowe – t³umaczy kierownik zespo³u prof. Zbigniew Sojka.
Prace w ramach projektu Eureka Stationocat prowadzono wielotorowo, ³±cz±c badania do¶wiadczalne z modelowaniem molekularnym mechanizmu reakcji. Zbudowano klaster komputerowy „Krypton”, który wykonywa³ obliczenia tylko na rzecz tego projektu. „Tylko” jest tu semantycznym nadu¿yciem. Bo w rzeczywisto¶ci obliczeñ by³o tak du¿o i by³y one na tyle skomplikowane, ¿e bez przerwy trzeba by³o dodawaæ mocy. W konsekwencji jest jej ju¿ kilkakrotnie wiêcej ni¿ na pocz±tku. Warto jednak by³o, bo modelowanie kwantowo−chemiczne dostarcza³o cennych przes³anek do projektowania katalizatora, którego aktywnymi sk³adnikami s± tlenki metali przej¶ciowych. Pó¼niej zaczê³o siê „doprawianie zupy”, czyli optymalizowanie ca³ego uk³adu. Tak, aby koñcowy katalizator by³ aktywny, trwa³y, tani oraz prosty w produkcji. Wype³nienie tej tetrady okaza³o siê sztuk± nie lada.
Kluczowym promotorem, przyspieszaj±cym szybko¶æ reakcji katalizatora, okaza³y siê byæ metale alkaliczne, których stê¿enie nale¿a³o dobieraæ z aptekarsk± wrêcz dok³adno¶ci±. Nie by³o miejsca na pomy³kê. Krakowscy chemicy przekonali siê o tym najdobitniej, gdy niewielka domieszka poprawia³a aktywno¶æ katalizatora bardzo istotnie, ale przekroczenie krytycznego stê¿enia powodowa³o jej drastyczny spadek. Najbardziej frustruj±ce by³o jednak to, czego obawia siê ka¿dy eksperymentator. Mianowicie, pocz±tkowo najlepszych wyników nie udawa³o siê w pe³ni powtórzyæ. Rzecz niezrozumia³a, zw³aszcza ¿e im staranniej prowadzono syntezê, tym gorsze otrzymywano wyniki. Jakby na przekór.
– Dopiero pó¼niej, badaj±c pracê wyj¶cia syntezowanych uk³adów, zorientowali¶my siê, ¿e optymalne stê¿enie alkaliów nale¿y utrzymywaæ na niskim i ¶ci¶le okre¶lonym poziomie. Nic zatem dziwnego, ¿e zanim nauczyli¶my siê kontrolowaæ ten parametr, ten sam katalizator wykazywa³ raz du¿± aktywno¶æ, raz – ma³±. Dopiero wówczas wyniki zaczê³y byæ reprodukowane, a tym samym mo¿na by³o dokonaæ optymalizacji katalizatora poprzez w³a¶ciwe potrójne domieszkowanie – wspomina dr hab. Andrzej Kotarba.
W chemii – niczym w kuchni – je¶li do opracowywanego uk³adu dodamy domieszki na wyczucie, kieruj±c siê intuicj±, to podobnie jak z zup± – szczypt± soli mo¿na gwa³townie poprawiæ albo zepsuæ jej smak. W laboratorium UJ zastosowanie kolejnych ingrediencji pozwala³o na stopniowe obni¿anie temperatury pracy katalizatora a¿ do granicy interesuj±cej z punktu widzenia praktycznego zastosowania. Ka¿dych kilkana¶cie stopni ju¿ by³o sukcesem. Przesuwanie siê w dó³, w kierunku magicznej granicy 350 stopni, przypomina³o walkê sportowca na olimpijskiej arenie. I ka¿dy „rekordowy” rezultat znajdowa³ odbicie w humorystycznym rysunku zawieszanym z tej okazji na drzwiach laboratorium. Entuzjazm „rozlewa³ siê” w takich chwilach po ca³ym zespole. Pamiêtano jednak za ka¿dym razem, ¿e to tylko testy na ilo¶ciach gramowych, które nawet je¶li prowadz± w po¿±danym kierunku, to niczego jeszcze nie przes±dzaj±. Oczywi¶cie, je¶li katalizator w warunkach laboratoryjnych nie wykazuje ¿adnej aktywno¶ci, to nie ma co siê ³udziæ, ¿e przy testach pilotowych bêdzie inaczej. Ale tutaj akurat sytuacja jest odwrotna – pierwsze próby da³y nadziejê. Opracowany w Krakowie katalizator mia³by siê wiêc niebawem staæ potê¿nym orê¿em przeciwko efektowi cieplarnianemu?
Kiedy popatrzymy na te maleñkie ziarenka, trudno uwierzyæ, ¿e w³a¶nie one maj± ograniczyæ choæby kwa¶ne deszcze. I s³usznie, bo to, co sprawdza³o siê w formie proszkowej w laboratorium, w reaktorze nie zda ju¿ egzaminu. Tam katalizator musi byæ odpowiednio ukszta³towany, najczê¶ciej w postaci monolitów. I wówczas tak siê mo¿e staæ, ale w³a¶nie: najpierw ca³y proces trzeba odtworzyæ w warunkach przemys³owych. Ba, ³atwo powiedzieæ! To tak, jakby próbowaæ zupê w naparstku, a potem – z wielkiego wojskowego kot³a. Tylko na pozór wydaje siê, ¿e w wiêkszym objêto¶ciowo naczyniu bêdzie ³atwiej przyprawiæ do smaku. Taka kolumna do produkcji kwasu azotowego ma wysoko¶æ kilku… piêter. I b±d¼ tu m±dry.
– Z podtlenkiem azotu mieli¶my do czynienia ju¿ wcze¶niej, zanim rozpoczêli¶my ten projekt. By³y to badania czysto teoretyczne, niemniej stanowi³y doskona³± bazê do pój¶cia krok naprzód. Nie ukrywam, ¿e impulsem do tego by³o nasze uczestnictwo w Group de Recherche International i skojarzenie z pu³awskim Instytutem Nawozów Sztucznych, z którym wspólnie realizowali¶my projekt „Eureka” – mówi prof. Zbigniew Sojka.
Prace polsko−francuskiej grupy badawczej, która ma charakter otwarty, koncentruj± siê na procesach zwi±zanych z materia³ami katalitycznymi dla ¶rodowiska, energii odnawialnej i czystych paliwach. Nale¿± do niej tak¿e naukowcy z Gliwic, Warszawy, Torunia, Wroc³awia i Krakowa. Raz w roku w Zakopanem odbywaj± siê spotkania, maj±ce na celu zaprezentowanie wyników prowadzonych prac. Pojawiaj± siê na nich równie¿ przedstawiciele przemys³u. Interesuj± siê najnowszymi rozwi±zaniami, chc± byæ na bie¿±co z innowacjami w swojej bran¿y. Wiedz±, ¿e tylko w taki sposób mog± zdobyæ przewagê technologiczn± nad innymi, a tym samym staæ siê konkurencyjni. Mo¿na te¿ na to spojrzeæ z jeszcze bardziej praktycznej, ale ju¿ globalnej perspektywy.
– Ka¿dy kraj ma przydzielone limity emisji gazów cieplarnianych i je¶li dziêki naszemu katalizatorowi uda siê zmniejszyæ ich emisjê, to pozosta³±, niewykorzystan± czê¶æ limitu bêdzie mo¿na sprzedaæ – mówi dr hab. Andrzej Kotarba.
Po trzech latach prac badawczych ¶rodek ciê¿ko¶ci w realizowanym projekcie przesuwa siê teraz na stronê przemys³ow±. Opracowanie katalizatora w skali laboratoryjnej to bowiem dopiero pierwszy krok. Kolejnym jest przeskalowanie ca³ego procesu i testy na ilo¶ciach kilogramowych katalizatora. Jego aktywno¶æ to jedno, ale równie istotna jest ¿ywotno¶æ. Dwa, trzy lata pracy przy zachowaniu wszystkich swoich parametrów, to minimum oczekiwañ. Pierwsze testy w instalacji pilotowej wykaza³y, ¿e katalizator jest stabilny i dzia³a, ale to stanowczo za ma³o. Obecnie trwaj± prace nad przygotowaniem szar¿y kilkukilogramowej. Dobrze siê sk³ada, bo Instytut Nawozów Sztucznych dysponuje niezbêdn± instalacj± pilotow± oraz urz±dzeniami do produkcji katalizatora w skali 300 ton rocznie.
– Opracowany katalizator niskotemperaturowy umo¿liwia bezpo¶redni rozk³ad N2O bez potrzeby u¿ycia dodatkowych reduktorów, a jego zastosowanie nie wymaga przebudowy instalacji. Takie rozwi±zanie jest praktyczne, efektywne i tanie. Skuteczno¶æ katalizatora w warunkach pilotowych przekracza 90 proc. – podkre¶la prof. Sojka, dodaj±c jednocze¶nie, ¿e wynalazek ju¿ zosta³ zauwa¿ony. W ostatnim czasie otrzyma³ kilka presti¿owych nagród, m.in. z³ote medale na wystawach innowacji w Genewie i Warszawie oraz br±zowy w Brukseli. Po pomy¶lnych testach bêdzie mo¿na zacz±æ jego produkcjê.
Badañ, w których aspekt aplikacyjny wysuniêto na pierwszy plan, jest ostatnio na Wydziale Chemii UJ coraz wiêcej. Bo te¿ i chemia z samej swojej natury jest nauk± innowacyjn±. Idea nie polega jednak na twardym, dychotomicznym podziale: praktyczne czy podstawowe. Projekt zespo³u prof. Sojki pokaza³ przecie¿, ¿e ¶wietnie mo¿na ³±czyæ jedne z drugimi. Sêk w tym, aby tak prowadziæ badania podstawowe, by w nied³ugim czasie mo¿na by³o rozwin±æ je w aplikacje, a te z kolei – we wdro¿enia. Nie ma wiêc tu mowy o antagonizmie, bardziej – o komplementarno¶ci. Taka praktyka zaczyna przynosiæ pierwsze owoce.
– Pracujemy nad katalizatorem do syntezy styrenu. Produkowany z niego polistyren nale¿y do najbardziej rozpowszechnionych tworzyw sztucznych. Podobnie jak w przypadku katalizatora rozk³adu N2O istotn± rolê odgrywaj± promotory alkaliczne. Skonstruowali¶my wyj±tkow± aparaturê do badania ich stanu na powierzchniach cia³ sta³ych, która pomog³a nam w opracowaniu kompozytowego katalizatora. Kontaktowa³y siê z nami ju¿ w tej sprawie zachodnie firmy, przygotowujemy te¿ zg³oszenie patentowe – informuje dr Kotarba.
Przyk³ady aktywno¶ci krakowskich chemików z UJ na polu innowacji mo¿na by mno¿yæ. Wydaje siê, ¿e przys³owie o nadmiernej liczbie kucharek nie ma tu racji bytu. Przeciwnie, potrafi± wzbogacaæ swoje menu, a do znanych ju¿ dañ – dodawaæ nowe, podkre¶laj±ce smak sk³adniki. I co najwa¿niejsze – przyprawiaj± w odpowiednich proporcjach.