Artykuły z cyklu „Nauka i sztuka”
Wzrost stężenia tlenków azotu, dwutlenku węgla oraz tzw. pyłów zawieszonych jest istotnym problem postępującej degradacji środowiska w wyniku przemysłowej aktywności współczesnej cywilizacji człowieka. Zanieczyszczenie powietrza jest szczególnie uciążliwe dla osób z chorobami układu oddechowego, alergików, a także kobiet w ciąży, dzieci oraz osób starszych. Przyczynia się do wzrostu liczby chorujących na chroniczny kaszel, przewlekłe zapalenia oskrzeli, niewydolność płuc czy astmę i inne schorzenia związane z dysfunkcją układu oddechowego. Negatywnie wpływa także na działanie układu krążenia, powodując m.in. wylewy, nagłe zatrzymania krążenia czy – jako długofalowy skutek – zmiany miażdżycowe oraz nadciśnienie. Innym wciąż badanym efektem wzrostu stężenia tlenków węgla i azotu jest efekt cieplarniany.
Prof. zw. dr hab. inż. Jarosław Polański, kierownik Zakładu Chemii Organicznej Uniwersytetu Śląskiego, opowiada o nowych katalizatorach dla reakcji usuwania tlenków azotu z gazów spalinowych
Fot. Sekcja Prasowa UŚ
Tlenki azotu (NOx) wytwarzane są głównie w procesach spalania paliw stałych, ciekłych i gazowych, a ich roczna emisji w Polsce w 2014 roku wyniosła 723 114 ton [1] – stając się tym samym trzecią pod względem wielkości emisja i zanieczyszczeń grupą związków toksycznych. Wyżej w tym rankingu znalazły się dwutlenek siarki (SO2) – emitowany w liczbie 853 438 ton oraz tlenek węgla (CO) – 2 868 332 ton. Według raportu Krajowego Ośrodka Bilansowania i Zarządzania Emisjami za największą emisję zanieczyszczeń NOx w 2014 roku odpowiedzialny był transport drogowy (30,5% udziału), na drugim miejscu znalazły się natomiast procesy spalania w sektorze produkcji i transformacji energii (30% udziału), za co odpowiedzialne są takie gałęzie przemysłu, jak: energetyka czy ciepłownictwo, a także fabryki kwasu azotowego i nawozów sztucznych oraz zakłady stosujące ten kwas w syntezie organicznej.
Poziom dopuszczalny dla jednogodzinnego stężenia dwutlenku azotu ze względu na ochronę zdrowia ludzi oraz ochronę roślin wynosi 200 µg/m3 i może być przekraczany nie więcej niż 18 razy w ciągu roku kalendarzowego [2]. Konsekwentnie zmniejsza się jednak dopuszczalna wartość poziomu emisji zanieczyszczeń, w tym także związków NOx, określana w kolejnych dyrektywach Unii Europejskiej. W związku z tym osoby zarządzające elektrowniami węglowymi czy fabrykami odpowiedzialnymi za emisję tych związków muszą poszukiwać coraz bardziej efektywnych metod ich usuwania z gazów odlotowych. Jest to również wyzwanie dla naukowców szukających nowych, skutecznych rozwiązań, które mogą być już wkrótce stosowane przede wszystkim w przemyśle energetycznym i ciepłowniczym.
Do tej grupy należy również zespół prof. zw. dr. hab. inż. Jarosława Polańskiego z Instytutu Chemii Uniwersytetu Śląskiego opracowujący oparte na uzyskiwanych nanotechnologicznie materiałach katalizatory deNOx oraz metodę ich regeneracji. Stosowane w instalacjach energetycznych spalarni odpadów czy elektrociepłowni rozwiązania te wykorzystywane są w procesach usuwania tlenków azotu z gazów odlotowych będących ubocznym skutkiem produkcji energii elektrycznej lub cieplnej.
– Około pięć lat temu w Zakładzie Chemii Organicznej UŚ prowadzone były badania właściwości i potencjalnych zastosowań nanosrebra. Pomyślałem wówczas, że warto rozszerzyć zakres analiz, dlatego zajęliśmy się w zespole opisywaniem właściwości nanometali, takich jak nanozłoto czy nanopallad oraz ich połączenia. Interesowały nas również nowoczesne zastosowania takich materiałów, niedługo później rozpoczęliśmy więc badania nad wykorzystaniem ich do tworzenia nanokatalizatorów – wyjaśnia prof. Jarosław Polański. Naukowcy z Uniwersytetu Śląskiego przygotowywali katalizatory w postaci nanokrzemionki pokrytej nanozłotem, a następnie stosowali je w reakcjach utleniania takich modelowych związków, jak cykloheksan. – Innym przykładem był proces krakingu amoniaku. W przemyśle produktem ubocznym może być zanieczyszczony amoniak stanowiący odpad poprodukcyjny. Tymczasem można z niego otrzymać czysty wodór gotowy do zastosowania np. w nowoczesnych technologiach wykorzystywanych do konstrukcji ogniw paliwowych. Kraking amoniaku, w wyniku którego odzyskujemy czysty wodór, zachodzi w obecności opracowanego przez nas katalizatora do reakcji fazy gazowej – wyjaśnia naukowiec. Jak dodaje, ten etap przybliżył zespół do rozpoczęcia prac nad tworzeniem katalizatorów procesu deNOX stosowanych w metodach usuwania tlenków azotu NOx z przemysłowych gazów odlotowych. Potencjalne wprowadzenie na rynek innowacyjnych rozwiązań wymaga jednak oszacownia ekonomicznego potencjału nowych technologii. – Innymi słowy musimy sprawdzić, czy potencjalne wdrożenie katalizatora deNOX nie będzie obciążone zbyt wysokimi kosztami. Ostateczne różnice cen związane ze stosowaniem nowych technologii ponoszą konsumenci, czyli odbiorcy wyprodukowanej energii. Ważna jest zatem nie tylko skuteczność rozwiązań, lecz również możliwość racjonalnego pod względem ekonomicznym zastosowania oraz ich trwałość. Katalizatory powinny być wykonane z materiałów odpornych na działanie toksycznych związków, które obecne są w gazach spalinowych i nie powinny ulegać zużyciu przez wiele lat – mówi kierownik zespołu badawczego.
Jednym z osiągnięć naukowców z Uniwersytetu Śląskiego jest niskotemperaturowy katalizator deNOx nowej generacji, który może być stosowany w elektrowniach węglowych. Nie jest możliwe całkowite zredukowanie emisji zanieczyszczeń w trakcie procesu technologicznego lub spalania paliw, dlatego kolejnym procesom oczyszczania poddawane są gazy odlotowe przechodzące przez specjalne węzły w takich elektrowniach. – Pierwszy etap to odsiarczanie, którego efektem ubocznym jest gips stosowany na przykład do produkcji płyt gipsowych. Następnie gazy odlotowe przechodzą przez specjalne worki, w których zatrzymywane są pyły. Każdy z tych etapów wiąże się z obniżaniem temperatury, w związku z czym kolejne procesy zachodzą coraz wolniej i konieczne staje się zastosowanie katalizatora, który nie tylko umożliwi reakcje chemiczne, lecz również je przyspieszy. Opracowywane przez nas technologie znajdą zatem zastosowanie w węzłach struktury oczyszczania gazów odlotowych w elektrowniach na etapie usuwania tlenków azotu – wyjaśnia prof. Jarosław Polański.
Zaproponowane przez naukowców rozwiązania są szczególnie istotne w krajach takich, jak Polska, w których nadal stosuje się głównie technologie węglowe przyczyniające się w znacznej mierze do zanieczyszczania powietrza. – Jeśli wprowadzenie kolejnego węzła służącego odazotowaniu okaże się ekonomicznie uzasadnione, rozpoczniemy kolejny etap badań polegający na znalezieniu odpowiedniego nośnika dla naszego katalizatora – mówi naukowiec. Stosowane mogą być ceramiczne konstrukcje przypominające strukturę plastra miodu bądź tzw. spienione ceramiki stanowiące podłoże dla otrzymanego katalizatora, przez które następnie będzie można przepuszczać gazy odlotowe i tym samym oczyszczać je z toksycznych tlenków azotu.
Zespół prof. Jarosława Polańskiego opracowuje również metody regeneracji katalizatorów deNOx. – Na polskim rynku istnieje zapotrzebowanie na tego typu usługi. Firmy często stosują wysokotemperaturowe katalizatory I generacji, które, zamiast wymiany na nowe, mogą zostać poddane procesom odnowienia, by mogły znów pełnić swoje funkcje. Do niedawna takie usługi dostępne były na rynku austriackim czy chińskim, co wiązało się z ponoszeniem dodatkowych kosztów związanych chociażby z transportem. Obecnie we współpracy z partnerem przemysłowym prowadzone są prace wdrożeniowe, w wyniku których możliwa będzie regeneracji katalizatora także w naszym kraju – podsumowuje naukowiec.
Autor: Małgorzata Kłoskowicz
Źródła zdjęć (jeśli nie podano inaczej): www.pixabay.com.
[1] Dane Krajowego Ośrodka Bilansowania i Zarządzania Emisjami opublikowane w raporcie dostępnym na stronie: http://www.kobize.pl.
[2] Dane Głównej Inspekcji Ochrony Środowiska opublikowane na stronie: http://powietrze.gios.gov.pl.