Inovativní výroba epoxidů a plastů s využitím oxidu uhličitého

Oxid uhličitý (CO₂) je v současnosti často vnímán jako obtížný odpad, jehož je třeba se zbavit. Přitom mnohdy jde o diskutabilní návrhy spojené s vysokými náklady a nejistým efektem. Racionální přístup, v souladu s moderními trendy, však představuje snaha o jeho materiálové využití. Zajímavé fyzikální a chemické vlastnosti oxidu uhličitého jsou základem pro různé technické i chemické aplikace, které mohou přispět k ochraně životního prostředí, lidského zdraví a v budoucnu i k úspoře či náhradě fosilních surovin.

Přeměna CO₂ na užitečné chemikálie

Tým vědců z univerzity Rutgers, vedený Charlesem Dismukesem, učinil průlomový objev, který by mohl vést k přeměně oxidu uhličitého na užitečné výrobky a čisté materiály v chemickém i farmaceutickém průmyslu. Nový katalyzátor umožňuje přeměnu oxidu uhličitého (CO₂) a vody (H₂O) na dvě hlavní látky: methylglyoxal (C₃) a 2,3-furandiol (C₄). Obě tyto látky se dají využívat jako základní stavební kameny pro výrobu plastů, lepidel nebo léčiv.

Jedním z konkrétních řešení je nahrazování jedovatého formaldehydu methylglyoxalem, který je výrazně šetrnější a nyní se dá získávat z přebytečného oxidu uhličitého.

Katalytické inovace

Vědci už dříve věděli, že oxid uhličitý se dá pomocí elektrochemických metod změnit na methanol, ethanol, methan nebo ethylen, vždy s poměrně vysokou účinností. Nicméně výroba těchto látek byla i tak neefektivní a především příliš drahá. Vědci se proto pokusili proces posunout tak, aby byl atraktivnější pro investory. S klíčovým nápadem přišla doktorandka Karin Calvinhová. Využila pět katalyzátorů vyrobených z niklu a fosforu, které jsou jednak dostatečně levné a současně snadno dostupné kdekoliv na světě. S jejich pomocí přiměla elektrochemicky oxid uhličitý a vodu, aby vytvářely nejrůznější látky na bázi uhlíku.

Volba samotného katalyzátoru je nesmírně důležitá; právě on totiž určuje, jaké množství atomů uhlíku se dá dohromady, aby vytvořily molekulu nebo dokonce řetězec takových molekul, tedy polymer. Celý experiment je už nyní nesmírně nadějný jednak pro levnou výrobu plastů, ale současně pro využívání oxidu uhličitého z atmosféry. To bude v blízké budoucnosti nutné pro zkrocení klimatické změny, přičemž se zatím nevědělo, co s polapeným plynem dělat a nejvíce se uvažovalo o dlouhodobém uskladnění pod zemí. Nový objev ale ukazuje, že by se dal použít i prakticky. Autoři práce nyní zvažují další cesty, kterými by se při aplikaci této technologie mohli vydat. Jednou z nich je například přeměna oxidu uhličitého na obnovitelné zdroje paliv.

Čtěte také: Proč jsou dřevěné hračky stále oblíbené?

Vědci z univerzity Rutgers si svou technologii nechali mezinárodně patentovat a založili startup RenewCO₂, který by měl tento úspěch přeměnit na finanční zisk.

Udržitelné plasty z rybího oleje a CO₂

Tým vědců z newfoundlandské Memorial University, vedený Franceskou Kertonovou, zjistil, že plasty založené na rybím oleji by mohly poskytnout řešení šetrné k přírodě a zároveň se vypořádat s problematikou odpadu z továren na zpracování ryb.

Pro vytvoření nového materiálu vědci použili olej extrahovaný z kousků lososa, které zbyly po okrájení masa určeného pro konzumaci. Nejprve do oleje přidali v kontrolovaném prostředí kyslík, aby vytvořili epoxidy - molekuly podobné těm v epoxidové pryskyřici. Pak k epoxidům přidali oxid uhličitý a vzniklé molekuly spojili s dusíkatými deriváty uhlovodíků. Od minulého léta tým tento proces upravoval, aby zjednodušil a urychlil rozklad plastů z rybího oleje.

Experimenty naznačují, že by se nový materiál mohl snadno biologicky rozkládat, pokud by to bylo potřebné. Při jednom z pokusů vědci namočili některé části rybího plastu do vody a k některým přidali lipázu - enzym, který rozkládá tuky v rybím oleji. Pod mikroskopem pak sledovali, jak na vzorcích začíná mikrobiální růst, a to včetně těch, které byly jen v obyčejné vodě.

Kertonová s kolegyní Mikhaileyou Wheelerovou se nyní hodlají zaměřit na potenciální využití nového materiálu například v podobě obalů nebo vláken na oděvní tkaniny. „Připadá mi zajímavé, jak můžeme vzít něco z odpadu, co lidé běžně vyhazují, a udělat z toho nejen něco užitečného, ale také něco, co by mohlo změnit způsob výroby plastů,“ uvedla Wheelerová. Obavy nemá ani z typického rybího zápachu.

Čtěte také: Návod na výrobu dřevěné kozy pro řezání palivového dřeva

Oxid uhličitý jako superkritická tekutina

Oxid uhličitý je za obvyklých podmínek plyn, ale po stlačení nad 73,9 atmosfér při teplotě vyšší než 31 °C se stává účinným rozpouštědlem nepolárních a slabě polárních látek. Takto stlačený oxid uhličitý už není v plynném stavu, ale není to ani kapalina - nazývá se superkritickou tekutinou. Nastavením vhodného tlaku a teploty lze dosáhnout toho, že tento tekutý oxid uhličitý má hustotu blízkou hustotě kapalin (a je tedy možné ho použít jako kapalné rozpouštědlo), ale zároveň lépe než kapaliny proniká do porézních materiálů, protože jeho viskozita je blízká plynům.

Superkritický oxid uhličitý je využíván v řadě procesů, kde se uplatňují jeho fyzikální a chemické vlastnosti. Jednou z typických aplikací je vysokotlaká extrakce, ať již superkritická, nebo extrakce kapalným oxidem uhličitým při teplotě mírně podkritické. K oddělení rozpuštěné látky dochází snížením tlaku, čímž se vyhneme energeticky a časově náročné destilaci a sušení. Na druhou stranu je vysokotlaké zařízení investičně nákladné.

Vysokotlaké extrakce tedy najdou uplatnění tam, kde lze využít jejich výhod. Jednou z oblastí je potravinářský průmysl, kde je nutné při zpracování zachovat vitamíny a jiné cenné látky, které jsou nestabilní při vyšších teplotách. Další výhodou je náhrada organického rozpouštědla, které může představovat zdravotní rizika, rozpouštědlem netoxickým a velmi těkavým. Vzhledem ke stabilitě molekuly oxidu uhličitého nedochází k chemické interakci s extrahovanými látkami. Rozpustnost látek v tomto médiu je tedy určena v podstatě bodem varu rozpouštěné látky, nikoliv její polaritou. Extrakční vlastnosti lze však upravit přídavkem malého množství jiného rozpouštědla.

Průmyslové aplikace superkritické extrakce

Extrakce superkritickým oxidem uhličitým jsou již běžně využívanou průmyslovou technologií.

Extrakce kofeinu z kávy a čaje

Extrakce kofeinu z kávy je nejvýznamnější průmyslovou aplikací superkritické extrakce oxidem uhličitým. Kofein se extrahuje z celých zelených bobů. Ty jsou nejprve navlhčeny horkou vodní parou, poté vloženy do extraktoru a pomalu extrahovány protékajícím superkritickým CO₂. Extrakce je vysoce selektivní a boby se při ní zbaví až 97 % kofeinu. Po ukončení extrakce odchází oxid uhličitý jako plyn a zelené boby, zbavené kofeinu, postupují do procesu pražení, který dává kávě charakteristickou chuť a vůni. Podobným způsobem lze extrahovat kofein z čajových lístků. Zde je ovšem překážka v tom, že na rozdíl od kávy, jejíž aroma vzniká až pražením, jsou aromatické látky v čaji přítomny již při sběru.

Čtěte také: Krok za krokem: Dřevěné srdce

Extrakce chmelových látek

Druhou nejvýznamnější aplikací superkritické extrakce je extrakce látek z chmelových šišek. Chmelové extrakty se tradičně získávají extrakcí hlávkového chmele 90% ethanolem, který je polárním rozpouštědlem. Získaný roztok se rozděluje na polární, tříslovinný extrakt (vodní podíl) a na nepolární pryskyřičný extrakt. Na trh přichází buď čistý pryskyřičný extrakt, nebo na zvláštní přání zákazníka se dodává směs pryskyřičného a tříslovinného extraktu jako standardizovaný extrakt o určité koncentraci α-hořkých kyselin.

Extrakce kapalným či superkritickým oxidem uhličitým za vysokého tlaku je velmi moderní způsob výroby chmelového extraktu a postupně nahrazuje extrakci ethanolem. Z charakteru rozpouštědla vyplývá, že extrakt obsahuje pouze nepolární složky výchozího chmele, tedy především hořké kyseliny a silice, dále obsahuje v nepatrném množství nepolární rezidua postřikových látek. CO₂-extrakt prakticky neobsahuje polární složky chmele, jako polyfenoly a dusičnany. Podkritický extrakt se vyrábí za mírnějších podmínek, ale s nižší výtěžností, superkritický se vyrábí při vyšší teplotě, ale s větším výtěžkem. Oba produkty jsou prakticky čisté pryskyřičné extrakty, vysoce homogenní s dlouhodobou stabilitou chemického složení.

Následující tabulka shrnuje klíčové vlastnosti superkritické extrakce oxidem uhličitým:

Další technické a chemické aplikace CO₂

Oxid uhličitý se vyznačuje lineární molekulou. Ačkoli mají kovalentně vázaný uhlík a kyslík rozdílnou elektronegativitu, molekula se nechová jako dipól, protože se parciální náboje právě v důsledku uvedené lineární struktury ruší. Molekula vykazuje značnou stabilitu. Oxid uhličitý je za normálních podmínek poměrně málo reaktivní plyn, který se tak částečně podobá jiným chemicky více či méně netečným plynům jako např. dusík nebo inertní plyny. Výjimku tvoří acidobazické reakce, které mají i četné technické aplikace. Ve vodě se rozpouští a vytváří slabou nestabilní kyselinu uhličitou, na kterou připadá přibližně 0,2 % rozpuštěného plynu. Zbylý rozpuštěný podíl se chová jako hydratovaný plyn. Kyselina uhličitá je dvojsytná a poměr jednotlivých disociovaných forem v roztoku závisí na konkrétních podmínkách (pH, teplota).

Neutralizace odpadních vod

Z moderních aplikací lze uvést například neutralizaci alkalických odpadních vod z průmyslu, kde oxid uhličitý nahrazuje použití silných minerálních kyselin. Odpadá tak negativní efekt zasolení vod chloridy či sírany a eliminuje se nebezpečí překyselení i rizika a komplikace při manipulaci s kyselinami.

Syntéza cyklických karbonátů

Z dalších výrob v oblasti organické chemie je možno zmínit syntézu cyklických karbonátů reakcí s epoxidy za současné katalýzy (ethylen- a propylenkarbonát). Jsou použitelné pro další syntézy nebo jako rozpouštědla při výrobě povlaků či jako elektrolyty v Li-iontových bateriích.

Fotosyntéza a její potenciál

Fotosyntéza má zásadní význam pro existenci vyšších forem života na Zemi. Za spolupůsobení slunečního záření a chlorofylu tak vznikají energeticky bohaté sloučeniny. Účinnost tohoto procesu je poměrně nízká, ale jeho význam je vzhledem k masovému výskytu v přírodě obrovský. Jednotlivé fáze fotosyntézy jsou předmětem výzkumu řady světových vědeckých pracovišť s ohledem na možné budoucí uplatnění v praxi. Jedná se například o chemickou aktivaci oxidu uhličitého spojenou s katalytickým štěpením této termodynamicky stabilní molekuly, která je pak následně schopna se zúčastnit řady reakcí.

Další využití oxidu uhličitého

• Potravinářský průmysl: Využití CO₂ v nápojovém průmyslu pro sycené nápoje a jako ochranná atmosféra při přepravě a uchovávání. Kryogenní šokové zmrazování kapalným oxidem uhličitým.
• Čištění textilií: Prodlužuje životnost textilií o 30-40 % díky absenci organických rozpouštědel.
• Impregnace dřeva: Nahrazuje vodné impregnační roztoky a systémy s organickými rozpouštědly.
• Hnací plyn ve sprejích.
• Hasicí přístroje: Chladí plamen a vytváří ochrannou atmosféru.
• Čištění povrchů: Tryskání peletami suchého ledu pro čištění znečištěných povrchů.
• Chladicí médium: Využití v tepelných čerpadlech.

Při úvahách o možném alternativním využití oxidu uhličitého se sluší realisticky podotknout, že celkově vznikající množství tohoto plynu jsou tak obrovská, že v různých výše zmíněných aplikacích se může uplatnit jen jeho relativně malá část. Jiná situace v těchto relacích by ovšem mohla nastat ve vzdálenější budoucnosti, kdy je nutno počítat s tím, že bude k dispozici jen oxid uhličitý z biologických procesů a spalování biomasy.

tags: #vyroba #epoxidu #oxid #uhlicity #proces

Oblíbené příspěvky:

• Plánujte fasádu snadno s Baumit a Hasit konfigurátorem
• řešení pro pevnou a odolnou konstrukci
• Jak přísady ovlivňují beton?
• Více o dlažbě Hydrostar
• Epoxidová pryskyřice na nábytek: návod pro kutily