Environmentálne aplikácie nanopórovitých materiálov

 

Nanopórovité materiály sa vďaka svojej špecifickej štruktúre vyznačujú obrovskou plochou ich povrchu, ktorá môže  mať až niekoľko tisíc m2/g. To ich predurčuje pre použitie ako sorbentov na záchyt a uskladnenie plynov. Procesy súvisiace so sorpciou, separáciou a uskladnením plynov sú jednou z dominantných tém výskumu dnešnej modernej spoločnosti. Vývoj materiálov, ktorými by bolo možné selektívne a s vysokou účinnosťou oddeliť, prípadne uskladniť technologicky dôležité plyny je jednou z priorít vyspelých štátov celého sveta.

Špeciálna pozornosť sa v dnešnej dobe venuje použitiu nanopórovitých materiálov ako sorbentov na separáciu a uskladnenie oxidu uhličitého (CO2) a vodíka (H2).

CO2 H2

Oxid uhličitý je hlavnou zložkou skleníkových plynov.

Proces redukcie emisií oxidu uhličitého je  určovaný štyrmi základnými krokmi – separáciou, kompresiou, transportom a uskladnením. Na základe údajov Medzivládneho panelu pre klimatické zmeny dnešnými technológiami je možné zachytiť 85-95% vyprodukovaného oxidu uhličitého. Vo svete sú už v príprave pilotné projekty, ktoré pri ktorých bude zachytený oxid uhličitý uskladnený v prázdnych ložiskách zemného plynu alebo ropy, napríklad Lacq projekt spoločnosti Total.

Hlavným problémom pre široké využite technológií je však vysoká cena separácie CO2. Separácia je 4-5 krát drahšia ako ostatné kroky nevyhnutné pre bezpečné uskladnenie CO2. V súčasnosti sú na separáciu využívané zeolity. Avšak v prostredí s vyššou relatívnou vlhkosťou vzduchu dochádza k ich deaktivácii. Ďalšie využitie zeolitov je potom spojené s regeneráciou (ohriatie až na 400°C), čo predstavuje zvýšenie energetických aj ekonomických nákladov. Iným spôsob predstavuje separácia CO2 tzv. amínovým procesom. Adsorpcia použitím kvapalných amínov je v priemysle využívaná kvôli jej vysokej selektivite voči CO2. Nevýhodou tohto procesu je korózia zariadení, nákladná regenerácia a zvyšujúca viskozita kvapalín s časom, čo robí separáciu menej efektívnou.

Z hľadiska vyššie uvedenej separácie CO2 sa v posledných rokoch javia ako perspektívne dve skupiny pórovitých materiálov: materiály na báze periodickej nanopórovitej siliky (PNS) a zlúčeniny typu metal-organic frameworks (MOF).

Prvá skupina látok, amínmi modifikovaná PNS, sa ukazuje zaujímavou pre oblasť selektívnej sorpcie oxidu uhličitého pri nízkych relatívnych tlakoch. Oproti doteraz používaným sorbentom (zeolity, kvapalné amíny) PNS vykazuje viaceré prednosti, najmä možnosť separácie aj v prítomnosti vlhkosti a energeticky nenákladná regenerácia. Nižšia spotreba energie tak následne vedie k nižším prevádzkovým nákladom materiálov na báze amínmi modifikovanej PNS. Sorbenty na báze siliky modifikovanej amínmi je možné regenerovať pri teplotách okolo 70 °C, čo sú výrazne nižšie teploty ako sú potrebné na regeneráciu v súčasnosti používaných sorbentov.     

Amínmi modifikovaná silika má perspektívne využitie pri nízkych parciálnych tlakoch CO2. Pri vyšších parciálnych tlakoch oxidu uhličitého (P > 101325 Pa), ktoré sa dosahujú v praxi pri separačnom procese založenom na izotermickej zmene tlaku tzv. pressure swing adsorption (PSA), sa ako perspektívnejšie ukazujú zlúčeniny typu metal-organic frameworks (MOF). Napríklad zlúčenina MOF-177 je pri 23 oC a tlaku 34 bar schopná adsorbovať 30 mmol oxidu uhličitého na gram. Laková fľaša naplnená týmto sorbentom zachytí deväťkrát viac CO2, ako keby sme CO2 natlačili do tlakovej fľaše pri rovnakom tlaku.

Vodík je veľmi dôležitý technologický plyn, ktorého veľké objemy sa používajú v rozličných odvetviach priemyslu. V súčasnosti hlavným zdrojom pri priemyselnej výrobe vodíka je zemný plyn, za ním nasleduje ropa a uhlie. Prehľad surovín, ktoré sa vyrábajú použitím vodíka je uvedený na obrázku.

V súčasnosti ľudstvo spotrebúva fosílne palivá stotisíc krát rýchlejšie ako sa vytvárajú. Tento fakt v budúcnosti zapríčiní úplné vyčerpanie zásob fosílnych palív. Na druhej strane, vodík vyskytujúci sa často v prírode ako súčasť rôznych chemických zlúčenín je možné vyrobiť zo všetkých primárnych zdrojov energie, vrátane obnoviteľných zdrojov ako sú slnečná, veterná a vodná energia, biomasa alebo geotermálne teplo. Práve preto sú zásoby vodíka takmer nevyčerpateľné. Navyše je tento ideálny nosič energie netoxický, neznečisťuje prostredie, nemá rádioaktívne účinky a nevytvára zdravotné riziko, vďaka čomu je ekologicky šetrným zdrojom energie v dnešnom svete. Jeho dostupnosť je preto takmer neobmedzená.

Predpokladá sa, že vodíkové technológie sa do roku 2030 stanú v rámci EÚ dominantné.

Pri predpokladanom rozmachu vodíkových technológií výrazne vzrastú aj požiadavky na jeho dostupnosť. Pre použitie vodíka, napr. v palivových článkoch je potrebné pripraviť vodík vysokej čistoty.Vodíkové palivové články premieňajú vodík zo zásobníka a kyslík zo vzduchu na vodu, pričom vzniká elektrina.

                              klasický palivový článek

Vodíkový palivový článok

Z hľadiska dnes existujúcich technológií, príprava dostatočných objemov vodíka nebude možná bez využitia klasických postupov, t.j. reformácie zemného plynu, spaľovania uhlia alebo spaľovania biomasy. Pri týchto výrobných postupoch sa je však produkovaný vodík sprevádzaný inými plynmi, zvyčajne CO a CO2. Preto je potrebné nájsť nové, efektívnejšie sorbenty, ktoré by pri zvýšených nárokoch na produkciu vodíka boli schopné zabezpečiť jeho dostatočnú čistotu pri nízkych nákladoch na separáciu.