Chiny od dekad budują swoją pozycję przemysłową, opierając się w dużej mierze na własnych, ogromnych złożach węgla. Jest to strategiczna decyzja, mająca zmniejszyć zależność od importowanych surowców, takich jak ropa czy gaz. Nowe odkrycie naukowców idealnie wpisuje się w tę politykę, sugerując, że można wydobyć z tego samego kawałka węgla znacznie więcej wartości, jednocześnie generując mniej problematycznych odpadów.
Olefiny, czyli fundament nowoczesnego przemysłu
Cała historia kręci się wokół związków znanych jako olefiny, czyli alkeny. Są to cząsteczki zbudowane z węgla i wodoru, które zawierają charakterystyczne podwójne wiązania między atomami węgla i są kluczowym surowcem dla całej gospodarki. Najważniejsze z nich to etylen i propylen, które stanowią podstawę do produkcji całej gamy tworzyw sztucznych – od polietylenu po polipropylen. Olefiny ą też niezbędne w farmaceutyce i przy wytwarzaniu zaawansowanych materiałów, więc bez nich trudno wyobrazić sobie współczesny świat.
Czytaj też: Przerażające cmentarzysko na odludziu. Dlaczego Chiny wiercą tajny tunel na pustyni Gobi?
Dlaczego akurat Chiny tak intensywnie pracują nad pozyskiwaniem tych związków z węgla? Odpowiedź jest prozaiczna i ma podłoże geopolityczne. Kraj ma pod dostatkiem własnego węgla, ale już ropę i gaz często musi sprowadzać z zagranicy. Przeróbka węgla na chemikalia to więc sposób na zwiększenie bezpieczeństwa i niezależności, ale problem tkwi w tym, że tradycyjne metody tej konwersji są mało efektywne i “czyste”.
Przełącznik molekularny kluczem do efektywnego wyciskania olefin z węgla
Klasyczny proces pozyskiwania olefin z węgla ma zasadniczą wadę, bo w nim duża część cennego węgla ucieka w postaci dwutlenku węgla lub jest marnowana w niepożądanych reakcjach ubocznych. To z kolei samo w sobie generuje ogromne emisje i obniża opłacalność całego przedsięwzięcia. Chińscy badacze twierdzą jednak, że właśnie znaleźli na to sposób, który nazwali przełącznikiem molekularnym.
Czytaj też: Silnik samolotowy zasili Twojego ChataGPT, bo AI zżera za dużo prądu. Czy to już nie przesada?
Mechanizm ten działa trochę jak zarządca ruchu na skrzyżowaniu. Kieruje reakcję chemiczną na bardziej efektywną ścieżkę, jednocześnie blokując boczne uliczki, które prowadzą do powstawania CO2 i innych niechcianych produktów. Sednem wynalazku jest precyzyjna modyfikacja warunków reakcji na poziomie pojedynczych cząsteczek, a co istotne, sama modyfikacja ma być stosunkowo prosta, a to teoretycznie ułatwiłoby jej wdrożenie w istniejących zakładach przemysłowych.
Dobra, dobra, ale o co tu dokładnie chodzi?
Żeby zrozumieć, na czym w praktyce polega ten przełącznik molekularny, warto przypomnieć, jak w ogóle wygląda standardowy łańcuch przetwarzania węgla na olefiny. Najpierw węgiel zgazowuje się do tak zwanego gazu syntezowego, czyli mieszaniny tlenku węgla i wodoru. Z tego gazu powstaje metanol, a dopiero w kolejnym kroku z metanolu w wyspecjalizowanych instalacjach uzyskuje się olefiny takie jak etylen i propylen. Na każdym z tych etapów część węgla ucieka bokiem w postaci dwutlenku węgla, co oznacza nie tylko dodatkowe emisje, ale też realną stratę surowca, który mógłby zostać zamknięty w docelowym produkcie.
Nowość zaproponowana przez chiński zespół nie polega więc na wymyśleniu całkiem nowej chemii, ale na bardzo precyzyjnym “przestawieniu zwrotnicy” w jednym z kluczowych kroków tego łańcucha. Chodzi o dostrojenie syntezy Fischera-Tropscha dla gazu syntezowego, z wykorzystaniem śladowych ilości bromku metylu (rząd 5 ppm), które pełnią funkcję regulatora przebiegu reakcji. W grę wchodzi więc zmiana warunków reakcji i doboru katalizatora, aby większość atomów węgla, zamiast trafiać do dwutlenku węgla, była wbudowywana w pożądane cząsteczki pośrednie i końcowe. Innymi słowy, molekularny przełącznik nie tyle dodaje nowy etap, ile zmusza istniejący proces do pracy w trybie maksymalnego domykania obiegu węgla w produktach, a nie w spalinach. Z tego właśnie ma wynikać zarówno trzykrotny wzrost uzysku olefin, jak i bardzo silne ograniczenie emisji dwutlenku węgla w samym sercu procesu chemicznego.
Węgiel wiecznie żywy? Wydajność i ekologia mogą iść w parze
Zgodnie z doniesieniami, nowy proces ma przynieść podwójną korzyść. Po pierwsze, zatrzymuje więcej węgla w docelowych produktach, co bezpośrednio przekłada się na większą ilość otrzymywanych olefin, bo nawet trzykrotnie większą w porównaniu do starych metod. Po drugie, ogranicza powstawanie dwutlenku węgla jako odpadu. W praktyce oznacza to, że z tej samej tony węgla można uzyskać więcej wartościowych chemikaliów, a jednocześnie wyemitować mniej zanieczyszczeń.
Trzeba jednak postawić sprawę jasno. Ta metoda nie sprawia, że węgiel nagle staje się ekologicznym, paliwem. Nadal mamy do czynienia z przetwórstwem paliwa kopalnego. Jest to więc raczej duży krok w stronę jego bardziej racjonalnego i oszczędnego wykorzystania. Pokazuje jednak ciekawą tendencję, wedle której dbałość o środowisko i wydajność ekonomiczną nie muszą iść w parze, a wręcz mogą się wspierać. W świecie, gdzie wiele gałęzi przemysłu stoi przed wyborem czysty lub opłacalny, takie odkrycia są na wagę złota.
Czytaj też: Dorzucili do akumulatorowych ogniw kuliste cząsteczki węgla. Tak przekuli marzenie przekute na rzeczywistość
Czy to oznacza rewolucję? Na razie to tylko obiecujące badania laboratoryjne. Prawdziwy test nastąpi przy próbach przemysłowego wdrożenia, gdzie skala, koszty i długoterminowa stabilność procesu zweryfikują jego przydatność. Niemniej, sama koncepcja jest intrygująca i wskazuje kierunek, w jakim może rozwijać się chemia przemysłowa w krajach uzależnionych od węgla. To przykład na to, że nawet w dojrzałych technologiach wciąż jest miejsce na znaczące ulepszenia.