Page Not Found - Forum Akademickie

Błąd 404 - Strona o podanym adresie nie istnieje





Za spraw± podtlenku azotu, zwanego równie¿ gazem rozweselaj±cym, nie wszystkim jest do ¶miechu. To w koñcu jeden z g³ównych sprawców efektu cieplarnianego.

Prze³omowy katalizator

Mariusz Karwowski

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.

NIETRWA£Y ZWI¡ZEK

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.

MAGICZNA GRANICA

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.

OWOCNA AKTYWNO¦Æ

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.

Page Not Found - Forum Akademickie

Błąd 404 - Strona o podanym adresie nie istnieje

Page Not Found - Forum Akademickie

Błąd 404 - Strona o podanym adresie nie istnieje