Стремясь снизить потребление энергии и связанные с ним выбросы, инженеры-химики Массачусетского технологического института разработали альтернативный подход к синтезу эпоксидов – химического вещества, которое используется для производства различных продуктов, включая пластмассы, фармацевтические препараты и текстиль. Их новый подход, который использует электричество для запуска реакции, может быть реализован при комнатной температуре и атмосферном давлении, исключая при этом углекислый газ в качестве побочного продукта.
"Нечасто осознают, что потребление энергии в промышленности намного больше, чем в транспорте или в жилых помещениях.
Это настоящий слон в комнате, а технический прогресс в плане снижения энергопотребления в промышленности очень незначителен », – говорит Картиш Мантирам, доцент кафедры химического машиностроения и старший автор нового исследования.
Исследователи подали заявку на патент на свою методику, и теперь они работают над повышением эффективности синтеза, чтобы его можно было адаптировать для крупномасштабного промышленного использования.
Постдок из Массачусетского технологического института Кёнсук Джин – ведущий автор статьи, опубликованной 9 апреля в Журнале Американского химического общества.
Среди других авторов – аспиранты Джозеф Маалуф, Никифар Лазовский и Натан Корбин, а также постдок Дэнтао Ян.
Вездесущие химические вещества
Эпоксиды, ключевой химической особенностью которых является трехчленное кольцо, состоящее из атома кислорода, связанного с двумя атомами углерода, используются для производства различных продуктов, таких как антифризы, детергенты и полиэфир.
"Невозможно прожить даже короткий период своей жизни, не прикасаясь, не чувствуя или не надев что-то, что в какой-то момент в своей истории было связано с эпоксидом. "Они вездесущи", – говорит Мантирам. "Они находятся во многих разных местах, но мы не склонны думать о встроенной энергии и выбросе углекислого газа."
Некоторые эпоксиды относятся к химическим веществам с наибольшим углеродным следом.
Производство одного распространенного эпоксида, оксида этилена, является пятым по величине выбросом углекислого газа среди всех химических продуктов.
Производство эпоксидов требует множества химических стадий, и большинство из них очень энергоемкие. Например, реакция, используемая для присоединения атома кислорода к этилену с образованием оксида этилена, должна проводиться при температуре около 300 градусов по Цельсию и под давлением, в 20 раз превышающим атмосферное. Кроме того, большая часть энергии, используемой для питания этого вида производства, поступает из ископаемого топлива.
Помимо углеродного следа, реакция, используемая для производства оксида этилена, также приводит к образованию диоксида углерода в качестве побочного продукта, который выбрасывается в атмосферу. Другие эпоксиды производятся с использованием более сложного подхода, включающего опасные перекиси, которые могут быть взрывоопасными, и гидроксид кальция, который может вызывать раздражение кожи.
Чтобы придумать более экологичный подход, команда Массачусетского технологического института вдохновилась реакцией, известной как окисление воды, при которой электричество расщепляет воду на кислород, протоны и электроны. Они решили попробовать провести окисление воды, а затем присоединить атом кислорода к органическому соединению, называемому олефином, которое является предшественником эпоксидов.
По словам Мантирам, это был нелогичный подход, потому что олефины и вода обычно не могут вступать в реакцию друг с другом. Однако они могут реагировать друг с другом при приложении электрического напряжения.
Чтобы воспользоваться этим, команда Массачусетского технологического института разработала реактор с анодом, в котором вода расщепляется на кислород, ионы (протоны) водорода и электроны. Наночастицы оксида марганца действуют как катализатор, способствуя протеканию этой реакции, и включают кислород в олефин с образованием эпоксида.
Протоны и электроны текут на катод, где они превращаются в газообразный водород.
Термодинамически для этой реакции требуется всего около 1 вольт электричества, что меньше напряжения стандартной батареи AA. В результате реакции не образуется углекислый газ, и исследователи ожидают, что они могут еще больше уменьшить углеродный след, используя электричество из возобновляемых источников, таких как солнце или ветер, для преобразования эпоксида в энергию.
Увеличение масштаба
На данный момент исследователи показали, что могут использовать этот процесс для создания эпоксида, называемого оксидом циклооктена, и теперь работают над его адаптацией к другим эпоксидам. Они также пытаются сделать преобразование олефинов в эпоксиды более эффективным – в этом исследовании около 30 процентов электрического тока пошло на реакцию преобразования, но они надеются удвоить это количество.
По их оценкам, при расширении их процесса можно было бы производить оксид этилена по цене 900 долларов за тонну по сравнению с 1500 долларов за тонну при использовании существующих методов.
Эта стоимость может быть снижена еще больше по мере того, как процесс станет более эффективным. Еще одним фактором, который может способствовать экономической жизнеспособности этого подхода, является то, что он также производит водород в качестве побочного продукта, который сам по себе является ценным для питания топливных элементов.
Исследователи планируют продолжить разработку технологии в надежде в конечном итоге коммерциализировать ее для промышленного использования, а также работают над использованием электричества для синтеза других видов химикатов.
«Есть много процессов, которые приводят к огромным выбросам углекислого газа, и декарбонизация может быть вызвана электрификацией», – говорит Мантирам. "Можно исключить температуру, устранить давление и вместо этого использовать напряжение."
Исследование финансировалось Департаментом химической инженерии Массачусетского технологического института и исследовательской стипендией Национального научного фонда.