Gündelik Hayatımızda Kullandığımız Bir Eşyanın Kimyasal Karbon Ayak İzini Küçültmek
Fotoğraf :MIT araştırmacıları bu manganez oksit’in nano parçacıklarını; suyun parçalanması, ardından oksijenin epoksit adı verilen yararlı bileşiklere dahil edilmesini katalize etmek için kullandılar.
Plastik, tekstil ve eczacılıkta bulunan epoksitlerin sentezlenmesi için yeni bir yöntem.
Kimya mühendisleri; plastik, ecza ve tekstil ürünleri de dâhil olmak üzere birçok üründe bulunan bir tür kimyasal olan epoksitlerin sentezi için alternatif bir üretim geliştirdi. Bu yeni üretim metodu mevcut tekniklerle üretim sonrası açığa çıkan sera gazı emisyonlarını azaltabilir.
Dünya geneli enerji tüketiminin en büyük kaynağı; plastik, demir, çelik gibi endüstriyel ürünlerin üretimidir. Bu malzemelerin üretimi yalnızca çok büyük miktarda enerji gerektirmekle kalmaz, aynı zamanda reaksiyonların çoğu doğrudan bir yan ürün olarak karbondioksit açığa çıkarır.
MIT Kimya Mühendsileri bu enerji kullanımını ve ilgili emisyonları azaltmaya yardımcı olmak amacıyla; plastik, farmasötik ve tekstil ürünlerinin de dâhil olduğu çeşitli malzemelerin üretiminde kullanılan bir kimyasal olan “epoksit” sentezlenmesi için alternatif bir yöntem geliştirdi. Reaksiyonu çalıştırmak için elektrik kullanan yeni üretim metodu; oda sıcaklığında ve atmosferik basınçta yan ürün olarak karbondioksiti elimine edebiliyor.
Kimya mühendisi ve yeni çalışmanın kıdemli yazarı Yardımcı Doçent Karthish Manthiram “İnsanlar tarafından fark edilmeyen şey, endüstriyel enerji kullanımının ulaşım veya konut alanlarında kullanılan enerjiden çok daha fazla olması. Sanayi alanındaki enerji tüketimini azaltabilmek için çok az teknik ilerleme kaydedildi” diyor. Araştırmacılar bu teknik ile ilgili patent başvurusunda bulundu ve şimdi sentezin verimliliğini artırmaya çalışıyorlar, böylece büyük ölçekli endüstriyel kullanım için uyarlanabilir bir teknoloji geliştirebilirler.
MIT post doktora üyesi Kyoungsuk Jin, Amerikan Kimya Derneği Dergisi’nde 9 Nisanda yayımlanan makalenin başyazarıdır. Ve diğer yazarlar arasında lisansüstü öğrencileri Joseph Maalouf, Nikifar Lazouski ve Nathan Corbin ve post doktora üyesi Dengtao Yang bulunuyor.
Her Yerde Hazır Kimyasallar
Temel kimyasal özelliği iki karbon atomuna bağlı bir oksijen atomundan oluşan üç üyeli bir halkalı bileşik olan epoksit: antifriz, deterjan ve polyester gibi çeşitli ürünlerin üretilmesinde kullanılır.
Manthiram, “Belli bir dönemden itibaren epoksit içeren bir şeye dokunmadan, hissetmeden veya giymeden kısa bir süre için bile olsa hayatımızı sürdürmemiz imkânsız. Çok farklı bir süreçteyiz, ancak gömülü enerji ve karbon ayak izi hakkında düşünmemeyi tercih ediyoruz.”
Epoksit, en büyük karbon ayak izlerine sahip kimyasallar arasında. Bir epoksit ve etilen oksit üretimi, herhangi bir kimyasal ürünün beşinci en büyük karbondioksit emisyonu oluşur.
Epoksitlerin üretimi birçok kimyasal basamaktan geçer ve çıkan çoğu enerji yoğun olarak kullanılır. Örneğin; etilen ve oksijenden etilen oksit üreten bir reaksiyonun, yaklaşık 300 santigrat derece sıcaklıkta ve atmosferik basınçtan 20 kat daha fazla basınç altında yapılması gerekir. Ayrıca, bu tür üretime güç sağlamak için kullanılan enerjinin çoğu fosil yakıtlardır.
Karbon ayak izine ek olarak, etilen oksit üretmek için kullanılan reaksiyon aynı zamanda atmosfere salınan bir yan ürün olarak karbon dioksit üretir. Diğer epoksitler, patlayıcı olabilen tehlikeli peroksitleri ve ciltte tahrişe sebep olabilecek kalsiyum hidroksit içeren daha karmaşık bir yapım aşaması uygulanarak üretilir.
Daha sürdürülebilir bir yaklaşım geliştirmek için MIT ekibi, suyu oksijene, protonlara ve elektronlara bölmek için elektriği kullanan “su oksidasyonu” olarak bilinen bir reaksiyondan ilham aldı. Su oksidasyonu gerçekleştirmeye ve daha sonra oksijen atomunu epoksitlerin öncüsü olan olefin adı verilen organik bir bileşiğe bağlamaya karar verdiler.
Manthiram, olefinlerin ve suyun normalde birbirleriyle reaksiyona giremediklerini, çünkü bunun geriye dönük bir reaksiyon olduğunu söyledi. Ancak bir elektrik voltajı uygulandığında birbirleriyle reaksiyona girebilirler.
Bundan yararlanmak için MIT ekibi; suyun oksijene, hidrojen iyonlarına (protonlar) ve elektronlara ayrılması için anotlu bir reaktör tasarladı. Manganez oksit nanoparçacıkları bu reaksiyona yardımcı olmak ve oksijeni bir epoksit yapmak için bir olefine dâhil etmek için bir katalizör görevi görür. Protonlar ve elektronlar katoda akar, burada hidrojen gazına dönüştürülürler.
Termodinamik olarak bu reaksiyonun gerçekleşmesi için standart bir AA sınıfı pilin voltajından daha az, yani yaklaşık 1 volt elektrik gerekir. Reaksiyon herhangi bir karbondioksit üretmez. Araştırmacılar epoksit dönüşümünü arttırmak için güneş ve rüzgâr gibi yenilenebilir enerji kaynaklarından üretilen elektriği kullanarak karbon ayak izinin daha da azaltılabileceğini söylüyor.
Ölçeklendirme
Araştırmacılar bu işlemi sikloosten oksit adı verilen bir epoksit oluşturmak için kullanabileceklerini ve şimdi bunu diğer epoksitlere adapte etmeye çalıştıklarını göstermiştiler. Ayrıca olefinlerin epoksitlere dönüşümünü daha verimli kılmaya çalışıyorlar – bu çalışmada elektrik akımının yaklaşık yüzde 30’u dönüşüm reaksiyonuna girdi, araştırmacılar bunu ikiye katlamayı umut ediyorlar.
İşlemler ölçeklendirilirse, mevcut yöntemlerle ton başı 1.500 dolar değerindeki etilen oksiti; ton başına 900 dolar maliyetinde üretebileceklerini tahmin ediyorlar. İşlem daha verimli hale geldikçe, bu maliyet daha da düşürülebilir. Bu yaklaşımın ekonomik uygulanabilirliğine katkıda bulunabilecek diğer bir faktör ise bir yan ürün olarak hidrojen üretmesi, bu da kendi yakıt hücrelerine güç verme bakımından değerlidir.
Araştırmacılar, nihayetinde teknolojiyi endüstriyel kullanım için ticarileştirme umuduyla geliştirmeye devam etmeyi planlıyorlar, ayrıca diğer kimyasal türlerini sentezlemek için elektrik kullanarak üretim yapmaya çalışıyorlar.
Manthiram, “Muazzam derecede karbondioksit ayak izine sahip birçok işlem var ve dekarbonizasyon elektrifikasyondan kaynaklanabilir. Biri sıcaklığı ve basıncı ortadan kaldırabilir ve bunun yerine voltaj kullanabilir.”
Araştırma, MIT’in Kimya Mühendisliği Bölümü ve Ulusal Bilim Vakfı Yüksek Lisans Araştırma Kurumunun bursu ile finanse edildi.
Kaynak : sciencedaily.com
