Jak z oxidu uhličitého vykouzlit metanol?  
K přeměně oxidu uhličitého přímo na metanol stačí vyvinout dostatečně odolný katalyzátor z ruthenia. Není to ale úplně snadné. Na Univerzitě Jižní Karolíny to zvládli a posunuli se zase o kousek blíž metanolové ekonomice.

 

Budeme vyrábět metanol z oxidu uhličitého v atmoféře? Kredit: Gregory Heath, CSIRO.
Budeme vyrábět metanol z oxidu uhličitého v atmosféře? Kredit: Gregory Heath, CSIRO.

Oxid uhličitý není špatný plyn. Je běžnou součástí pozemské atmosféry, kde se jeho obsah pohybuje kolem pár setin procenta. Všichni ho dýcháme a hlavně vydechujeme. Kyslíkatá fotosyntéza by bez oxidu uhličitého nefungovala. V perlivých nápojích mají bublinky oxidu uhličitého nepopiratelné kouzlo a v podobě suchého ledu je oxid uhličitý vyloženě zábavný. Do atmosféry ale každopádně vypouštíme ohromné množství oxidu uhličitého, který by tam jinak nebyl. Jde o zásah do planetární chemie, a zároveň je to zajímavá příležitost. Tak velké množství oxidu uhličitého, volně dostupného ve vzduchu, by nebylo špatné nějak zajímavě využít.

Kredit: Peter Zhaoyu Zhou / USC.
Peter Zhaoyu Zhou / USC.


Chemici v posledních letech zkoumají možnosti recyklace oxidu uhličitého z atmosféry a jeho přeměny na něco užitečného. Když se například oxid uhličitý nechá reagovat s plynným vodíkem (H2), tak přitom může vzniknout metanol, metan nebo kyselina mravenčí. Z těchto produktů je přitom nejzajímavější metanol (CH3OH), který má sice poněkud špatnou pověst jako jed z nekvalitního alkoholu, může se dobře uplatnit v palivových článcích, při skladování vodíku anebo jako alternativní palivo. 

Chemický průmysl v dnešní době vyrobí přes 70 milionů tun metanolu ročně. Obvykle se to dělá katalytickou hydrogenací oxidu uhelnatého ze směsi vodíku a oxidu uhelnatého, za vysokých teplot a tlaků, a za přítomnosti katalyzátorů založených na směsi mědi, oxidu zinečnatého a oxidu hlinitého. Metanol totiž slouží jako surovina pro produkci složitějších organických sloučenin. Z nich se pak vyrábějí plasty a další produkty.

George Olah (2009). Kredit: Bitman / Wikimedia Commons.
George Olah (2009). Kredit: Bitman / Wikimedia Commons.


Chemik Surya Prakash a držitel Nobelovy ceny George Olah, oba dva z Univerzity Jižní Karolíny nedávno úplně poprvé dokázali, že s použitím homogenního katalyzátoru je možné polapit oxid uhličitý ze vzduchu a přímo ho přeměnit na metanol. Svůj výzkum publikovali v časopisu Journal of the American Chemical Society. Z ovzduší zmizí něco oxidu uhličitého a nám přibude něco užitečné chemikálie. Zní to jednoduše, ale jednoduché to nebylo. Jde o významný úspěch, který nás posouvá zase o něco dál, směrem k možné budoucí metanolové ekonomice. V takové ekonomice by metanol hrál ústřední roli v ukládání energie.

Krystaly ruthenia. Kredit: Periodictableru / Wikimedia Commons
Krystaly ruthenia. Kredit: Periodictableru / Wikimedia Commons


Chemici neskrývají nadšení. Polapit oxid uhličitý a hned na místě ho přeměnit na metanol, to se zatím ještě nikomu nepodařilo. Klíčem k úspěchu pro ně bylo objevení vhodného homogenního katalyzátoru, který by zaručil dostatečně rychlou produkci metanolu. Problém je totiž v tom, že chemický proces přeměny oxidu uhličitého na metanol vyžaduje teplotu kolem 150 stupňů Celsia, která ničí katalyzátory. Prakash s Olahem to udělali tak, že vyvinuli stabilní katalyzátor, založený na kovovém prvku rutheniu (Ru). Ruthenium zvládá vysoké teploty a výsledný katalyzátor je díky němu stabilní, takže ho lze využít k nepřetržité produkci metanolu. 

Podle Prakashe byl vývoj homogenního katalyzátoru pro přeměnu oxidu uhličitého na metanol velmi náročný. Většina katalyzátorů prý končí ve fázi kyseliny mravenčí. Prakashovi, Olahovi a jejich kolegům se s tímto novým rutheniovým katalyzátorem a ještě několika dalšími sloučeninami povedlo přeměnit téměř 80 procent oxidu uhličitého polapeného z ovzduší na metanol. Vyrobený metanol je sice smíchaný s vodou, to lze ale jednoduše vyřešit destilací. Badatelé teď intenzivně pracují na snížení pracovní teploty rutheniového katalyzátoru na 100 až 120 stupňů Celsia, a také by rádi vylepšili jeho účinnost.
Podle docenta Karla Ciahotného, vedoucího Ústavu plynárenství, koksochemie a ochrany ovzduší VŠCHT v Praze, je vlastně hodně možností, jak využit oxid uhličitý pro výrobu různých organických látek. Kromě metanolu či plastů je také možné vyrábět třeba náhradní zemní plyn, což Ciahotný s kolegy zkoumají v rámci jednoho projektu TAČR v Ústavu plynárenství. Mnohé tyto postupy jsou podle Ciahotného poměrně dobře technicky zvládnuty, jejich tým dosahuje účinnosti přeměny oxidu uhličitého na metanol přes 90 procent. Průmyslové realizace takových postupů ale závisejí na ekonomických podmínkách zajištění dalších surovin, obvykle vodíku. Ciahotný a spol. si vyrábějí vodík elektrolýzou z vody pomocí elektřiny vyrobené obnovitelnými zdroji v době, kdy se nedá zavést do distribučních sítí. Pak je vše ekonomicky průchozí. S elektřinou za normální cenu by to za stávajících okolností ekonomicky nefungovalo.


Video:  Could the "methanol economy" power the post-fossil fuel era?


Literatura
Physorg 27. 1. 2016, Journal of the American Chemical Society 138: 778–781, Wikipedia (Methanol).

Autor: Stanislav Mihulka
Datum: 11.02.2016
Tisk článku

NANO SPEED Multistartér -
Knihy.ABZ.cz
 
 
cena původní: 129 Kč
cena: 109 Kč
NANO SPEED Multistartér

Související články:

Fotolýza vody s lesem polovodičových nanodrátků     Autor: Stanislav Mihulka (26.05.2013)
Levnější vodík díky nanočásticím     Autor: Martin Tůma (14.06.2013)
Záhada Homérovy Chiméry, hořící skála a ruthenium     Autor: Stanislav Mihulka (19.10.2014)



Diskuze:

Dotaz trochu mimo.

Jaroslav Lepka,2016-02-16 20:39:34

Zhruba před více než rokem jsem postřehl zprávu, že Japonci začali se zkušební těžbou metanhydrátu a od té doby je ticho po pěšině. Víte někdo něco přesnějšího nebo to byl hoax ?

Odpovědět

Ve vzduchu je jen 0,04% obj. CO2

Josef Hrncirik,2016-02-12 19:10:40

a na 1 kg metanolu by musel být extrahován z 1800 m3 vzduchu, tj. prakticky asi z 3600 m3, který by se musel hnát aparaturou a CO2 nějak zakoncentrovat ev. zbavit stop O2 ze vzduchu.
Minimální termodynamická práce na zakoncentrování CO2 z tlaku 40 Pa ve vzduchu na atmosférický 101 kPa by pak byla cca 0,8 MJ/kg metanolu, tj. prakticky min. 1,6 MJ. Spalovací motor dostane na hřídeli cca 5 MJ/kg metanolu. A ještě vodík, syntéza a destilace...

Odpovědět


Re: Ve vzduchu je jen 0,04% obj. CO2

Jiří Novák,2016-02-14 23:38:43

Možná by bylo mnohem praktičtější vyrábět metanol tam, kde je CO2 nadbytek a je tam i vyšší teplota. Třeba v tepelných elektrárnách, spalovnách odpadu a podobně. Nedovedu to spočítat, ale přijde mi praktičtější využít odpadní teplo a plyny hned v komíně, než CO2 pracně kumulovat z atmosféry.

Odpovědět


ideální je jeho výroba just in time při jeho spalování

Josef Hrncirik,2016-02-15 10:23:17

Odpovědět

WOW

Libor Zak,2016-02-11 18:21:31

Jinak to říct nejde. Nalívám si panáka a jdu slavit taky. Tohle je víc než Higs. Po pravdě, tuto zprávu jsem čekal tak za 10 let. Žijeme v neskutečné době. Amstronga jsem propásl a myslím, že další takový okamžik nás čeká teprve až Elon vysadí prvního astronauta na Marsu. I tomu se mi chce dneska hrozně moc věřit.

Odpovědět


Re: WOW

Libor Zak,2016-02-11 18:22:25

Pardon, špatný článek, jdu zpět ke gravitačním vlnám :-D

Odpovědět


Re: Re: WOW

Jiří Novák,2016-02-11 20:41:02

Ale tohle je taky hodno minimálně jednoho panáka. Takže jestli už jste si omylem dal, tak žádná škoda nevznikla :-)

Odpovědět


Re: Re: Re: WOW

Vojtěch Kocián,2016-02-11 21:05:41

Pokud to ovšem nebyl panák metanolu ;-)

Odpovědět

Energie? Ekonomika?

Jiří Novák,2016-02-11 17:02:21

Bylo by zajímavé uvést energetické a finanční náklady v porovnání s vodíkovým hospodářstvím. Tedy, zda je výhodnější použít tu "přebytečnou" elektřinu z obnovitelných zdrojů na výrobu vodíku a ten potom projezdit, nebo vyrobit metanol a projezdit až ten.
Ale metanol bude když nic jiného tak bezpečnější...

Odpovědět


Re: Energie? Ekonomika?

Jan Veselý2,2016-02-11 18:30:16

Vodík je na houby právě kvůli složitosti a nebezpečnosti uchovávání. Právě proto jsou dle mého mnohem zajímavější syntetický methan nebo methanol. Ani ne tak jako palivo, ale jako základní chemická surovina, tam je mnohem vyšší přidaná hodnota a tam stojí za to začít utlačovat ropu.

Odpovědět


Re: Energie? Ekonomika?

Radim Polášek,2016-02-12 11:14:32

No právě. Jádro problému nespočívá v tom, že se na něco použije onen "zlý" "nadbytečný" oxid uhličitý ani že se vyrobí metanol coby žádaná surovina.
Jádro problému je v tom, že oxid uhličitý coby výchozí látka toho procesu je v podstatě popel, zatímco výsledný produkt metanol je v podstatě původní palivo.
Neboli aby tato výroba metanolu probíhala, je třeba do ní vkládat veškeré množství energie, která se spalováním metanolu uvolní plus další energi, která je dána účinností toho procesu. To je právě ta komponenta, která pro celý proces bude klíčová.
A teď je otázka, odkud se ta energie vezme. Spalováním něčeho = nesmysl, to se může metanol vyrábět rovnou z toho paliva a mnohem levněji. Z obnovitelných zdrojů nebo z vodíku vyrobeného elektřinou z obnovitelných zdrojů - drahé obecně a pokud se použije "nadbytečná" elektřina OZE, bude to drahé pro ty, co na tu elektřinu platí OZE příspěvky. Z Jaderné elektřiny - to asi bude nejlevnější. A pokud se použije jaderný reaktor přímo jako zdroj vysokopotencionálního tepla 500 - 1000 st C,vyjde to levně a nebude třeba ani drahé a citlivé katalyzátory.
Z jaderné energie to potom může vyjít levněji než současná výroba metanolu ze zemního plynu.

Odpovědět


Re: Re: Energie? Ekonomika?

Petr Kr,2016-02-15 08:30:53

500 - 1000°C? Z jaderného reaktoru? To opravdu levnější nebude. Za prvé to jsou reaktory HTGR nebo které? Za druhé, pokud využijete toto teplo a tím srazíte teplotu média a na výrobu elektřiny potom jdete s menším teplotním spádem, bude výroba elektřiny s nižší účinností a to odpadní teplo do "komínů" vám zase zůstane. Tím se celý cyklus nezefektivní.
To už je efektivnější tím odpadním teplem živit řasy a pak bakterie, které to vyrobí levněji. Navíc spaliny tepelných elektr. obsahují cca 15% CO2 a teplotu mají přes 100°C, tak proč to ti borci nedělají u komína elektrárny, ale v lese, kde je tma, zima a málo CO2. Přesto to je prý velice účinné.

Odpovědět


Re: Re: Re: Energie? Ekonomika?

Radim Polášek,2016-02-16 13:15:16

No, jaderný reaktor nemusí být nutně použit pouze k produkci elektřiny. Jedním ze směrů vývoje jaderné energetiky je vývoj reaktoru pro produkci levného a ekologického vysokopotencionálního tepla pro průmyslové procesy.
Ten by se právě uplatnil například při té výrobě metanolu, protože pokud se nepoužije ten speciálná katalyzátor, probíhají tyto reakce při teplotách nad 500 st C.
Ostatně nové směry ve výzkumu jaderných reaktorů naznačují, že provozní teploty uvnitř reaktoru půjdou i v běžných energetických reaktorech nahoru nad 500 st C.

Odpovědět


Re: Re: Re: Re: Energie? Ekonomika?

Petr Kr,2016-02-16 14:52:04

Tyto směry vývoje jsem sledoval už za studií před 35 lety. Protože v tom "jeli" Němci (ne ti soudružští, kteří občas udělali chybu), věřil jsem jim, že to dotáhnou dále. Ale mám pocit, že to v Německu zabalili.
Před 35 lety byly také v kurzu (jedním ze směrů vývoje) reaktory na přírodní uran s nízkým nároky na technologie - RBMK. Ale také nic moc... Černobyl.
Ještě se vkládaly naděje do množivých reaktorů. Ty mohou spalovat i "nevyužitelný" U238. Ale nějak se tyto reaktory moc nemnoží.
PS. Nejsem odpůrcem jaderné energetiky. Ba naopak. Ale...

Odpovědět




Pro přispívání do diskuze musíte být přihlášeni