Sintetička fotosinteza
    Nedjelja, 09 Rujan 2018 13:00

    Sintetička fotosinteza

    Umjesto ugljena, nafte i zemnog plina sirovine kemijskih tvornica budućnosti biti će voda i zrak - tako se barem nadaju kemičari koji rade na razvoju novih tehnologija. Kada sam bio jako mlad, tek počeo ići u gimnaziju, jako me se dojmila knjiga njemačkog kemičara Hermanna Römppa sasvim kratkog naslova: Kemija budućnosti. I što kaže? Kaže da se danas nalazimo u dobu željeza i ugljena, karfe-dobu (od lat. carbo – ugljen i ferrum – željezo) no da uskoro nastupa era lakih metala, slitina magnezija i aluminija, magal-doba. Reklo bi se da je u pravu, jer smo sredinom prošloga stoljeća, bit će kao posljedica masovne ratne proizvodnje zrakoplova, bili obasuti aluminijskim proizvodima: od aluminijskih lonaca, tanjura i žlica do aluminijskih prozora, fasadnih ploča i čamaca. Jesmo li i danas u magal-dobu? Teško, jer aluminij, i općenito kovine sve više potiskuju polimerni materijali, od polietilenske ambalaže do poliamidnog (najlonskog) tekstila i, u najnovije doba, ugljičnih vlakana. Ovo posljednje, polimeri (bilo prirodni, bilo umjetni) sastoje se od samo četiri kemijska elementa: ugljika, vodika, kisika i dušika. Gdje ima tih elemenata? U vodi (vodik i kisik) i zraku – u kojem se kisik i dušik nalaze u slobodnom, elementarnom stanju, a ugljik u vezanom (CO2). Očekuje li nas dakle nakon magal-doba novo, akvaer-doba (lat. aqua – voda i aer – zrak)? Zamisao da se dušik iz zraka, za proizvodnju umjetnih gnojiva i eksploziva, pretvori u industrijsku sirovinu san je kemije 19. stoljeća, koji se – nakon nekoliko ne baš uspjelih tehnoloških rješenja – na kraju, početkom 20. stoljeća, obistinio u postupaku za dobivanje amonijaka, NH3, izravnim spajanjem dušika i vodika (Haber-Boschov postupak). Taj danas uobičajeni postupak za dobivanje amonijaka, kojim se taj plin proizvodi diljem svijeta (pa i u našoj Kutini), odvija se pri ekstremnim uvjetima, tlaku od 150-350 bara i temperaturi 400-600 oC - a to (visok tlak i temperatura) je nešto što kemijska tehnologija nastoji koliko god je moguće izbjeći. Procjenjuje se da se na Haber-Boschov postupak troši 1,6 % svjetske energije uz 3 % svjetske emisije ugljikova dioksida. No umjesto pri visokom tlaku i temperaturi dušik i vodik se mogu spajati i na normalnoj, sobnoj temperaturi i isto tako normalnom, atmosferskom tlaku. Kako? Riječ je o reakciji elektrokatalitičke redukcije dušika (N2 reduction reaction, NRR), naime postupku da se na katodi pri elektrolizi vode dobiva amonijak - spajanjem vodika i u vodi otopljenog dušika. No za postići nešto takvo treba napraviti elektrodu od prikladnog materijala, katalizatora. Nakon pokusa s elektrodama od teških metala, rutenija, zlata i molibdena, kineski su znanstvenici nedavno objavili kako su napravili elektrodu od poluvodičkog materijala, grafena s primjesama bora. Da budem jasniji, dodatkom 6,2 % bora grafenu nastaje katalizator koji pri naponu elektrode od samo -0,5 V spaja dušik i vodik u amonijak (elektrolit: 0,05 M H2SO4 zasićena dušikom). Novi tehnološki postupak? Ne još, samo dobar put do njega. Naime, kvadratni metar elektrode u sat vremena proizvodi samo 0,1 gram amonijaka, jer se na sintezu NH3 troši samo 10 % električne energije, tj. elektroda radi s 10 %-tnom faradejskom djelotvornošću (faradeic efficiency, FE). Usto nastaje i nešto hidrazina, N2H4, koji se upotrebljava kao raketno gorivo, u proizvodnji eksploziva, tekstila i slično. Toliko o dušiku. A što je s ugljikom? Druga se sirovina kemije budućnosti, ugljikov dioksid, također nalazi u zraku ali mnogo manje od dušika (u zraku ima 78 % N2, a samo 0,04 % CO2) – no riječ je zapravo o istom kemijskom postupku. I ugljikov se dioksid naime može elektrokemijski reducirati i tako pretvorati u vrijedne kemijske proizvode. Kemijski spojevi sa samo jednim ugljikovim atomom - ugljikov monoksid, metan i metanska (mravlja) kiselina - mogu se dobivati uz vrijednost parametra FE od gotovo 100 %, dok oni s dva ugljikova atoma - eten, etanol, etanska (octena) kiselina – imaju znatno niži FE, oko 60 %. Mogu se dobivati i proizvodi s tri ugljikova atoma (propanol), no uz FE = 10 %. Cijena? Budućnost je budućnost, no kako pokazuju procjene proizvodnih troškova kemikalije dobivene elektrokemijskim postupkom iz vode i ugljikova dioksida mogle bi lako konkurirati onima koje se danas proizvode drugim tehnologijama. Zapravo bi jedino elektrokemijski dobiven metan bio skuplji (800 nasuprot 200 dolara po toni) – što nas ne treba čuditi jer nam metan dolazi iz zemlje, kao zemni (prirodni) plin. Elekrokemijska proizvodnja etilen-glikola (koji se koristi kao antifriz) bila bi umnogome jeftinija, a treba uočiti i isplativost elektrokemijskog dobivanja etilena (etena), sirovine za polietilen. I što na kraju reći? Evo nam nove zelene tehnologije, tehnologije koja ne onečišćuje okoliš, a usto koristi obnovljive sirovine (zrak, vodu) uz možebitnu upotrebu obnovljivih izvora energije. Kemijska industrija temeljena na vodi, zraku i Sunčevoj svjetlosti? Čini li vam se to odnekud poznato? Pa naravno, to smo već vidjeli u prirodi: svi prirodni spojevi nastali su, u konačnici, fotosintezom od ugljikova i vodikova oksida, drugim riječima od zraka, vode i Sunčeve svjetlosti. Nenad Raos, rođen 1951. u Zagrebu, je kemičar, znanstveni savjetnik u trajnome zvanju. Do umirovljenja radio je u zagrebačkom Institutu za medicinska istraživanja i medicinu rada (IMI) baveći se bioanorganskom i teorijskom (računalnom) kemijom. Još od studentskih dana bavi se popularizacijom znanosti surađujući u mnogim časopisima i revijama (Priroda, ABC tehnike, Čovjek i svemir, Modra lasta, Smib, Fokus). Napisao je više od dvije tisuće znanstveno-popularnih članaka, 13 znanstveno-popularnih knjiga te u koautorstvu dva sveučilišna udžbenika. Sada piše za mrežne stranice Zg-magazina te za časopis Čovjek i svemir te, naravno, za BUG online. U časopisu Kemija u industriji je stalni komentator i urednik rubrike „Kemija u nastavi“. Godine 2003. dodijeljena mu je Državna godišnja nagrada za promidžbu i popularizaciju znanosti.
    www.bug.hr


    SINTETIČKA FOTOSINTEZA: Napredak prema proizvodnji goriva uz pomoć Sunca
    Znanstvenici su razvili umjetni list koji može proizvesti goriva poput metana i benzina iz ugljikovog dioksida. To bi trebao biti veliki korak prema korištenju goriva koja su nastala iz obnovljivog izvora sunčeve svjetlosti za sve – od grinjanja domova do vožnje automobila, bez ispuštanja stakleničkih plinova. Ovo znanstveno otkriće rezultat je rada tima iz Kavli Energy NanoSciences Instituta sa Kalifornijskog sveučilišta Berkeley. Temelji se na prirodnom procesu fotosinteze, u kojem biljke pretvaraju vodu i ugljikov dioksid u šećer – organsko gorivo. Malo prilagođavajući proces, pomoću sintetičke fotosinteze bi se moglo stvarati brojne druge produkte. Kako bi demonstrirali da je to moguće, tim je uspio organizirati proces fotosinteze tako da krajnji rezultat ne bude šećer, već metan. Oprema je uključivala kombinaciju poluprovodnih nanožica i bakterija. Koristivši neorganske katalizatore, voda je ubačena u vodik, kojega su zatim žive stanice koristile ta prebace ugljikov dioksid u kemijske proizvode, u ovom slučaju metan. “Možemo učinkovito generirati elektrone iz sunčeve svjetlosti, ali kemijska sinteza je do sada uvijek bila ograničavajući faktor”, rekao je vođa istraživačkog tima Peidong Yang. “Jedna od svrha ovog eksperimenta je pokazati da možemo integrirati bakterijske katalizatore s tehnologijom poluvodiča. To nam omogučuje razumijevanje i optimalizaciju stvarno sintetičkog sistema fotosinteze.” Yang i njegov tim su ranije ove godine već dizajnirali sličan sistem koji je proizvodio butanol, sastojak benzina. Slijedeći im je cilj napraviti potpuno sintetički sistem, bez potrebe za bakterijama, koji se temelji na dizajnima iz prirode kako bi replicirao proces fotosinteze, te na kraju proizveo tekuća goriva koja mogu trajati mjesecima ili godinama. “Ne radi se o tome da direktno ili doslovno imitiramo prirodu”, rekao je Ted Sargent, prodekan za istraživanja na Fakultetu primjenjene znanosti i inžinjerstva na Sveučilištu u Torontu. “Umjesto toga, riječ je o učenju smjernica prirode, njenih pravila kako napraviti stvarno učinkovit i selektivan katalizator, a zatim iskoristiti ta znanja kako bi stvorili bolja rješenja.” Dakle, nećemo još tako skoro koristiti umjetno lišće kako bi se grijali ili vozili auto. Ali ovo bi mogao biti značajan korak u tom smijeru.
    IFLScience/Danas.hr

    Nova tehnologija umjetne fotosinteze
    Brže fiksira i konvertira CO2 u organske produkte od prirodnog procesa. Tim istraživača s Max Planck instituta za kopnenu mikrobiologiju, Njemačka, razvio je novu tehnologiju uklanjanja ugljikovog dioksida iz atmosfere koja se temelji na prirodnom procesu fotosinteze. Umjetno dobiveni put kojim se CO2 prevodi u organske komponente brži je nego prirodni proces koji se odvija u biljkama. Umjetno dobiveni put fotosinteze dokazano brže fiksira i konvertira CO2 u organske produkte od prirodnog procesa. Uloga fotosinteze u apsorpciji ugljikovog dioksida (CO2) svakome je dobro poznata. Fotosinteza je prirodni proces u biljkama kojim se prilikom djelovanja Sunčeve energije ugljikov dioksid i voda prevode u biljkama iskoristive organske tvari i kisik. Ovim procesom smanjuje se koncentracija ugljikovog dioksida u atmosferi. Iako nema sumnje da biljke dobro rade svoj posao, u zraku je jednostavno previše ugljikovog dioksida da bi ga one same u potpunosti uklonile ili održavale njegovu koncentraciju okolišu podnošljivom. Nadalje, glavni odgovorni enzim u tom prirodnom procesu ne radi dovoljno brzo da bi se učinkovito regulirala količina CO2 u atmosferi samo ovim procesom. Istraživači s njemačkog Max Planck instituta za kopnenu mikrobiologiju predvođeni Thomasom Schwanderom došli su do mogućeg rješenja ovog problema. U istraživanju objavljenom u časopisu Science, istraživači su detaljno opisali postupak kojim su uspjeli napraviti umjetni put pretvorbe CO2 u organske spojeve koji je brži od prirodnog procesa u biljkama. Kako bi pronašli adekvatan enzim za poboljšanje fiksacije CO2, istraživači su pažljivo odabrali 17 enzima iz devet različitih organizama. Enzimi su zajedno ispitani optimiranjem procesa korak po korak kako bi se stvorio što precizniji umjetni put pretvorbe CO2 u organske molekule. Iako još nije proveden u živom organizmu, masenom spektrometrijom visoke razlučivosti pokazano je da je in vitro novi umjetni put brži način hvatanja ugljikovog dioksida prirodnog Calvinovog ciklusa (sekundarne reakcije fotosinteze) u biljkama. Jednom kad se tehnologija uspješno prenese u žive biljke, fiksiranje ugljikovog dioksida bit će brže, a energetski zahtjevi procesa bit će niži. Primjena ovog procesa uključuje razvoj sustava za stvaranje ugljika baziran na stočnoj hrani, a možda će čak i biti moguće dizajniranje poželjnih kemijskih proizvoda. Očigledan učinak je bolja obrada ugljikovog dioksida koja može pridonijeti stabilizaciji njegove prisutnosti u atmosferi. B.K.
    www.ekovjesnik.hr

    Pročitano 20 puta

    Energetski Projekti

    hrastovic energetski projekti banner

    Energetski Video

    hrastovic energetski video banner

    Energetski Članci

    hrastovic energetski clanci banner

    Random video

    Udruga SOLAR

    Udruga SOLAR  je nastala 2011. godine kao potreba organiziranja civilnog društva u smjeru korištenja i primjene obnovljivih izvora energije, primjene alternativnih izvora energije te povećanja energijske učinkovitosti na razini korisnika i lokalne zajednice.

    Opširnije

    O nama

    Hrastović Inženjering d.o.o. od 2004. se razvija u specijaliziranu tvrtku za projektiranje i primjenu obnovljivih izvora energije. Osnova projektnog managementa održivog razvitka društva je povećanje energijske djelotvornosti klasičnih instalacija i zgrada te projektiranje novih hibridnih energijskih sustava sunčane arhitekture.

    Cijeli živi svijet pokreće i održava u postojanju stalni dotok Sunčeve energije, a primjenom transformacijskih tehnologija Sunce bi moglo zadovoljiti ukupne energetske potrebe društva.

    Kontakt info

    HRASTOVIĆ Inženjering d.o.o.

    Dario Hrastović, dipl.ing.stroj.

    Kralja Tomislava 82
    31417 Piškorevci
    Hrvatska

    E-mail:dario.hrastovic@gmail.com
    Fax: 031-815-006
    Mobitel:099-221-6503
    © HRASTOVIĆ Inženjering d.o.o. - design & hosting by Medialive