CORE122 - Chemie a společnost První přednáška Jaromír Literak Jaromír Literák CORE122 - Chemie a společnost Organizace předmětu Přednáška ukončená písemnou zkouškou, minimum pro ukončení předmětu bude 50 % bodů. Řazení témat přednášek: 23. 2. 2024 Jaromír Literák Historická perspektiva vztahu chemie a lidské společnosti. 1. 3. 2024 Jaromír Literák Zdroje a suroviny. Využití obnovitelných zdrojů. Zelená chemie. 8. 3. 2024 Kamil Paruch 15. 3. 2024 Jakub Urík Vývoj nových organických sloučenin s cílenou biologickou aktivitou. Globální chemické znečištění - organické polutanty. 22. 3. 2024 Zdeněk Moravec Moderní materiály. 5. 4. 2024 Zdeněk Moravec Chemické skladování energie. Jaromír Literák CORE122 - Chemie a společnost Organizace předmětu 12. 4. 2024 Jiří Urban Separační vědy, jak je (ne)znáte. 19. 4. 2024 Ondrej Šedo Cesta hmotnostní spektrometrie MALDI--TOF z vědeckých laboratoří do klinické diagnostiky. 26. 4. 2024 Petr Beňovský Skrytý svět farmaceutického průmyslu 3. 5. 2024 Jana Pavlů 10. 5. 2024 Jakub Hofman 17. 5. 2024 Jiří Křivohlávek 24. 5. 2024 Jiří Křivohlávek Kovy, jejich využití jako materiálů. Pesticidy. Historie a současnost. Principy hodnocení v EU. Přirozená a umělá radioaktivita, výzkum a využití radionuklidů a ionizujícího záření. Jaderná energetika a jaderný odpad. Jaderná fúze, legislativa a dohled nad jadernou bezpečností. Jaromír Literák CORE122 - Chemie a společnost Co je zelená chemie? Zelená chemie je termín poprvé použitý v USA na začátku devadesátých let 20. století EPA (Environmental Protection Agency). Dvojznačná role chemické výroby a jejich produktů: • Je jedním z hlavních přispěvatelů k blahobytu současného světa. • Dalekosáhlé jsou však i negativní dopady chemické výroby a jejich produktů. Zelená chemie se snaží omezit negativní dopady (vyčerpání zdrojů surovin a energií, znečištění) chemických výrob a produktů za současného zachování nebo vylepšení životního standardu. Zelená chemie je důležitým nástrojem udržitelného rozvoje! Jaromír Literák CORE122 - Chemie a společnost Historické milníky V 19. století dochází k prudkému rozvoji chemického průmyslu. Dlouhou dobu panovalo nekritické přijímání kladných stránek tohoto rozvoje. Jaromír Literák CORE122 - Chemie a společnost Historické milníky • V 19. století dochází k prudkému rozvoji chemického průmyslu. Dlouhou dobu panovalo nekritické přijímání kladných stránek tohoto rozvoje. • Prvním zákonem regulujícím znečištění ŽP chemickým průmyslem byl tzv. Alkali Act, schváleným v roce 1863 ve Velké Británii. Leblancův způsob výroby sody 2 NaCI + H2S04 -► 2 HCI + Na2S04 Na2S04 + CaC03 + 2 C -► Na2C03 + CaS + 2 C02 Odpady: HCI, CaS, H2S. Alcali Act nařizoval, že z procesu může do ovzduší uniknout maximálně 5 % vzniklého HCI. Vznikající HCI byl lapán do vody za vzniku kyseliny chlorovodíkové. Jaromír Literák CORE122 - Chemie a společnost o o Od 20. let 20. století se začíná rozvíjet toxikologie. Do 50. let 20. století převládal názor, že problém toxických látek a odpadů v prostředí eliminuje jejich zředění. Po druhé světové válce dochází k rozvoji instrumentálních chromatografických metod, které umožňují stopovou analýzu. V roce 1961 je z trhu stažen lék Contergan (Thalidomid), v důsledku nedostatečných testů došlo ke zvýšení výskytu vrozených deformací o u novorozenců. o o. H o Jaromír Literák CORE122 - Chemie a společnost Historické milníky • V roce 1962 vydáva Ráchel Carson knihu Silent Spring, která ukazuje negativní dopady používání pesticidů na ZP, obzvláště na ptáky. Kniha vyvolala zájem veřejnosti a způsobila obrat v nekritickém šírení chemických látek do ZP. Jaromír Literák CORE122 - Chemie a společnost Historické milníky • V roce 1962 vydáva Ráchel Carson knihu Silent Spring, která ukazuje negativní dopady používání pesticidů na ZP, obzvláště ptáky. Kniha vyvolala zájem veřejnosti a způsobila obrat v nekritickém šíření chemických látek do ZP. Jaromír Literák CORE122 - Chemie a společnost Historické milníky 9 V roce 1968 založen Římský klub, v roce 1972 vydává knihu The Limits to Growth, která přináší analýzu a odhad vývoje nejdůležitějších globálních ukazatelů jako stav populace, množství zdrojů, míra znečištění, objem průmyslové výroby a výroby potravin, vyčerpání zdrojů. • V roce 1987 vydává Světová komise pro životní prostředí a rozvoj (WCED) zprávu Our Common Future, definice principy trvale udržitelného rozvoje. Trvale udržitelný rozvoj umožňuje uspokojení potřeb současných generací a současně umožní, aby budoucí generace byly také schopny uspokojit své potřeby 9 V roce 1989 vstupuje v platnost Montrealský protokol, dohoda omezující uvolňování plynů poškozujících ozonovou vrstvu. Jaromír Literák CORE122 - Chemie a společnost Historické milníky • Kjótský protokol (dojednán 1997), závazek omezit produkci skleníkových plynů (CO2, N2O, CH4, SFe, HCFCs, PFCs). • V roce 2001 byla podepsána (aktivní od 2004) Stockholmská konvence, jejimž cílem je eliminace vybraných POPs. • V letech 2007-2018 byla v EU implementována politika REACH (Registration, Evaluation, Authorisation and Restriction of Chemicals), která má zajistit ochranu lidské zdravia ZP v EU. Jaromír Literák CORE122 - Chemie a společnost Historické milníky RIEDEL-DE HAEN AG SEELZE-HANNOVER Benzonitril C,H5N Moľ-Gew. 103,12 Benzonitrile Benzoi Benzonitrile Benzoi IL 7E 80678 "í Jaromír Literák CORE122 - Chemie a společnost Jaromír Literák CORE122 - Chemie a společnost Historické milníky Jaromír Literák CORE122 - Chemie a společnost Historické milníky Jaromír Literák CORE122 - Chemie a společnost Omezení negativních dopadů chemie na ŽP • „End-of-Pipe" přístup, podstatou zamezení úniku nežádoucích látek z aparatury do ŽP (izolace, neutralizace odpadů, čistírny odpadních vod, odsíření elektráren). • Preventivní přístup zahrnuje samotnou změnu chemických procesů, využití a produkce méně škodlivých látek. o Přístup Příkaz a Kontrola - legislativní regulace aktivit, dodržování je kontrolováno a sankcionováno. Přístup nepřímých ekonomických tlaků, zamezení externalizace nákladů. • Spotřební daň • Zvýšení poplatků za ukládána odpadů na skládkách • Emisní povolenky a obchod s nimi. • Podpora výzkumu v této oblasti Jaromír Literák CORE122 - Chemie a společnost Princip trojí zodpovědnosti (Triple Bottom Line) • Termín poprvé použit v roce 1997. • Činnost podniku je posuzována ze tří hledisek: • Ekonomické - finanční zdraví, finanční bilance. • Environmentálni - bilance environmentálních dopadů aktivit podniku a jeho produktů. • Sociální-jak podnik splňuje společenská očekávání (postoj k zaměstnancům, veřejnosti, jak podnik spolupracuje s regulačními a kontrolními orgány). Činnost podniku je trvale udržitelná, pokud je bilance ve všech těchto bodech kladná. • Shareholder - držitel podílu Stakeholder - kdokoliv, kdo je jakkoliv zainteresován na aktivitách podniku Jaromír Literák CORE122 - Chemie a společnost Environmentálni management Dva nejdůležitější systémy environmentálního managementu: normy ISO 14000 a nařízení EMAS. Systém, jak zlepšit schopnost organizace předvídat, identifikovat a řídit interakce s životním prostředím, dosahovat environmentálni cíle a zajistit, aby organizace byla v souladu právními a jinými normami. Základem je model Plánuj-Dělej-Zkontroluj-Uskutečni (PDCA: plan-do-check-act). Stanovení env. politiky Revize Plánování Kontrola, audit, Zavedení oprava politiky Jaromír Literák CORE122 - Chemie a společnost Příprava Ibuprofenu Jaromír Literák CORE122 - Chemie a společnost Příprava Ibuprofenu Jaromír Literák CORE122 - Chemie a společnost Hodnocení produktů z hlediska dopadů na ŽP Co zatěžuje prostředí méně, užívání jednorázových, nebo bavlněných plenek? Jaromír Literák CORE122 - Chemie a společnost Hodnocení produktů z hlediska dopadů na ŽP Co zatěžuje prostředí méně, užívání jednorázových, nebo bavlněných plenek? Výsledek závisí na: • teplotě, při které se bavlněné plenky perou • způsobu sušení • trvanlivosti bavlněných plenek • frekvenci výměny plenek (jednorázové mají větší sorbční schopnost) Jaromír Literák CORE122 - Chemie a společnost Výroba kyseliny mléčné z petrochemických surovin H3C^ + HCN H CN - NH, H3C-( OH CH3OH / H COOH H3C-( OH destilace COOCH3 hydrolyza - CH3OH CH3OH A T (NH4)2S04 H2S04 H20 Jaromír Literák CORE122 - Chemie a společnost Výroba kyseliny mléčné kvašením Škrob Aktivní uhlí Odparení roztoku H3C^ OH COOH ► 10% roztok H3C-( OH COOH Lactobacillus acidophilus CaC03 Pevný odpad Roztok kalcium-laktátu Jaromír Literák CORE122 - Chemie a společnost Výroba kyseliny mléčné Petrochemický proces Kvasný proces Suroviny z fosilních zdrojů Suroviny z obnovitelných zdrojů Toxické výchozí látky Výchozí látky netoxické Vysoká čistota produktu Produkt technické čistoty Malé množství odpadů Velké množství odpadů Energetický náročné Energetický náročné Jaromír Literák CORE122 - Chemie a společnost Hodnocení životního cyklu - Life Cycle Assessment (LCA) Jaromír Literák CORE122 - Chemie a společnost Hodnocení životního cyklu (LCA) • Idea LCA se začala rodit na setkáních SETACu (Society for Environmental Toxicology and Chemistry) na začátku 90. let 20. století. • LCA je nástroj pro kvantifikaci dopadů činností a produktů na ŽP. • Postupy LCA zachyceny v normách ISO 14041, 14042, 14043. o LCA má čtyři fáze: O Určení cíle a rozsahu analýzy. O Inventární analýza. O Zhodnocení vlivu. O Interpretace. Jaromír Literák CORE122 - Chemie a společnost Zhodnocení vlivu v LCA Zhodnocení vlivu pro 1000 ks hliníkových plechovek: Bauxit 59 kg Paliva ropného původu 148 MJ Elektřina 1572 MJ Energie v surovinách 512 MJ Spotřeba vody 1149 kg Emise CO2 211 kg Emise CO 0,2 kg Emise NOx 1,1 kg Částice 2,47 kg Potenciál poškození O3 0,2 x 10"9 Potenciál ke globálnímu oteplovaní 1,1 x 10"9 Potenciál k acidifikaci 0,8 x 10~9 Toxicita pro člověka 0,3 x 10~9 Jaromír Literák CORE122 - Chemie a společnost Rozdělení spotřeby energie Obvyklé rozložení spotřeby energie mezi části životního cyklu Likvidace Použití Doprava Výroba produktu Výroba materiálů Energie Jaromír Literák CORE122 - Chemie a společnost Rozdělení spotřeby energie Jaromír Literák CORE122 - Chemie a společnost Rozdělení spotřeby energie Rozdělení spotřeby eneríe u dopravního letadla Výroba materiálu | 1 Výroba produktu | 1 Doprava 1 Použití - - - 1 1 — - - 0 "0 2C 30 40 5G 60 70 80 90 Jaromír Literák CORE122 - Chemie a společnost Rozdělení spotřeby energie Jaromír Literák CORE122 - Chemie a společnost Rozdělení spotřeby energie Rozdělení spotřeby energie u osobního automobilu Výroba materiálu Výroba produktu Doprava Použití 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 % Jaromír Literák CORE122 - Chemie a společnost Rozdělení spotřeby energie Jaromír Literák CORE122 - Chemie a společnost Rozdělení spotřeby energie Rozložení spotřeby energie u rodinného domu 1-1-1-1-1-1-1-- Výroba materiálu Výroba produktu Doprava Použití 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Jaromír Literák CORE122 - Chemie a společnost Rozdělení spotřeby energie Jaromír Literák CORE122 - Chemie a společnost Rozdělení spotřeby energie Rozdělení spotřeby energie u parkovacího domu 1 I I I I I I I r Výroba materiálu Výroba produktu Doprava D I Použití 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Jaromír Literák CORE122 - Chemie a společnost Rozdělení spotřeby energie Jaromír Literák CORE122 - Chemie a společnost Rozdělení spotřeby energie Rozdělení spotřeby energie u koberce z umělých vláken Výroba materiálu Výroba produktu Doprava Použití Jaromír Literák CORE122 - Chemie a společnost Suroviny chemického průmyslu • Těžba surovin může představovat značnou část zátěže spojené s výrobou určitého produktu (petrochemie x farmacie). • Suroviny a výchozí látky pocházející z obnovitelných nebo neobnovitelných (omezených) zdrojů. Jaromír Literák CORE122 - Chemie a společnost Suroviny chemického průmyslu • Těžba surovin může představovat značnou část zátěže spojené s výrobou určitého produktu (petrochemie x farmacie). • Suroviny a výchozí látky pocházející z obnovitelných nebo neobnovitelných (omezených) zdrojů. • Kritériem je čas potřebný pro obnovu zdroje. • Obnovitelnost zdroje surovin nebo energie není jen otázkou environmentálni, má také ekonomické a bezpečnostní souvislosti! Jaromír Literák CORE122 - Chemie a společnost Distribuce produkce materiálů 0% Závislost na neobnovitelnych materiálech 100% Jaromír Literák CORE122 - Chemie a společnost Historie užívaní materiálů 1.00E+00 Roční celosvětová produkce materiálů 1.00E+02 1.00E+04 1r00E+06 t/rok 1r00E"K)& 1,00E+10 1.00E+12 Jaromír Literák CORE122 - Chemie a společnost Zásoby a zdroje surovin, index spotřeby • Zdroj suroviny (resource) - množství suroviny, která byla již nalezena nebo která může být nalezena v budoucnu (odhad na základě extrapolace). • Zásoba suroviny (reservě) - část známých ložisek, které jsou v danou chvíli dostupné a mohou být těženy. • Změny velikosti zásob mohou být způsobeny: • Změnou ceny suroviny na trhu - s rostoucí cenou se vyplatí těžit i méně kvalitní rudu (ložiska) a naopak. • Zlepšení technologie těžby. • Náklady spojené s těžbou (ceny energií, práce. ..). o Legislativa. • Těžba a objevování nových ložisek. Jaromír Literák CORE122 - Chemie a společnost Zásoby a zdroje surovin, index spotřeby Jista ložiska Nepotvrzená ložiska Vysoká o Nízká Již využité suroviny Zásoby suroviny Zdroje suroviny Těžba je ekonomická Těžba není v dané chvíli ekonomicky vvhodná nebo možná Jaromír Literák CORE122 - Chemie a společnost Zásoby a zdroje surovin, index spotřeby Produkce surovin kolísá v čase, v delším časovém intervalu však dochází k růstu, často exponenciálnímu. Světová produkce mědi: 1-3/XDX KD0O0DOO ■ :co:cc Jaromír Literák CORE122 - Chemie a společnost Zásoby a zdroje surovin, index spotřeby Statický index spotřeby _ R tex,d — ~p kde R je velikost zásob, P je velikost roční spotřeby. Dynamický index spotřeby: , 100 , / r R W = (ŕ-ŕo) = — In ——+ 1 100 P0 kde r je roční růst produkce v %. Jaromír Literák CORE122 - Chemie a společnost Zásoby a zdroje surovin, index spotřeby o Indexy spotřeby se mohou v čase měnit. • Mají význam bezpečného období, kdy nedojde k vyčerpání zásob suroviny. • Pro měď je od roku 1930: Statický a dynamický index spotřeby pro měď 70 T-1 20 10 - — o -I-1-1-1-1-1-1- 1&SC 1940 1950 1960 1970 1990 1990 2000 rok Jaromír Literák CORE122 - Chemie a společnost Jaromír Literák CORE122 - Chemie a společnost Ropa Srovnání výhřevnosti různých paliv Palivo MJ/I MJ/kg Lignit — 18-22 Antracit — 30-34 Ropa 38 44 Diesel 38 44 Benzín 35 45 Kerosin 35 43,8 Ethanol 23 31 Kapalný zemní plyn 25 55 Biomasa — 14-17 Ropa a další fosilní paliva jsou zdrojem levné energie. Těžce fyzicky pracující člověk má výkon asi 100 W, při hodinové mzdě 150 Kč je cena 1 kWh 1500 Kč. Benzín, který spálením uvolní stejné množství energie, stojí asi 4,3 Kč. Jaromír Literák CORE122 - Chemie a společnost ERoEI - Energy Returned on Energy Invested Zdroj energie Hodnota ERoEI Ropa v počátcích těžby 100 Ropa v Texasu kolem roku 1930 60 Ropa na Blízkém východě v současnosti 30 Ropa mimo Blízký východ 10-35 Zemní plyn 20 Kvalitní uhlí 10-20 Nekvalitní uhlí 4-10 Vodní elektrárny 10-40 Větrné energie 5-10 Solární energie 2-5 Jaderná energie 4-5 Ropné písky max. 3 Tmavé břidlice max. 1,5 Biopaliva produkovaná v Evropě 0,9-4 Jaromír Literák CORE122 - Chemie a společnost Světové rozdělení zásob ropy Rozdělení zásob ropy Katar USA Nigérie Kanada Kazachstán Libye Rusko Spojeně Arabské Emiráty Kuvajt Irák Irán Venezuela Saúdská Arábie 0,0 5,0 10,0 15,0 20,0 25,0 30,0 35,0 40.0 10A9 tun Jaromír Literák CORE122 - Chemie a společnost Světové rozdělení zásob zemního plynu Jaromír Literák CORE122 - Chemie a společnost Světové rozdělení zásob uhlí 0 50000 100000 150000 200000 250000 300000 10*6 tun Jaromír Literák CORE122 - Chemie a společnost Zásoby a zdroje Index spotreby Uran Ropa Zemní plyn Uhlí □ Zdroje ■ Zásoby Jaromír Literák CORE122 - Chemie a společnost Zásoby a zdroje surovin, index spotřeby Marion King Hubbert (1903-1989) odvodil časový průběh množství vyprodukované ropy, závislost je do značné míry podobná Gaus-sově křivce (platí to na úrovni naleziště, státu, regionu, celého světa). V roce 1956 Hubbert předpověděl okamžik ropného zlomu (peak oil) pro USA na přelom 60. a 70. let (nastal v roce 1971). Celosvětový ropný zlom předpověděl na období 1995-2000. Jaromír Literák CORE122 - Chemie a společnost Zásoby a zdroje surovin, index spotřeby Cena Jaromír Literák CORE122 - Chemie a společnost Zásoby a zdroje surovin, index spotřeby Reálný vývoj produkce ropy, zásob a její ceny 120,00-1— 05 010101CWCW(BCBUJ(D(D(IJ(D(D(D(D(D(DUD(D(D(D(D(D(D(D(D(DOO Jaromír Literák CORE122 - Chemie a společnost Ropný zlom • Hubbertova křivka byla již mnohokrát potvrzena. • Okamžik zlomu v produkci určité suroviny lze odhalit jen zpětnou analýzou. Produkce mnoha kovů již prošla zlomem, např. stříbro v roce 1990. Poptávku po stříbře však nezastavuje ani rostoucí cena. • Ropný zlom je předpovídán v období 2015-2035. 9 Zlom v produkci zemního plynu nastane přibližně 20 let po ropném zlomu. Jaromír Literák CORE122 - Chemie a společnost Recyklace kovů 6 C 7 N 8 O 9 F 21 22 Ti 38 39 40 24 25 26 Cr Mn Fe 27 28 Co Ni * Lanthanides 61 m u Pr Pm Dy Ho Yb Lu ** Actinides 39 93 94 95 96 97 99 100 101 102 103 Ac Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm No Lr <1% |l-10% ]>10-25% |>25-50% >50% Jaromír Literák CORE122 - Chemie a společnost Biomasa jako zdroj surovin • Hmota biologického původu z živých nebo nedávno živých organismů. Obvykle se tímto termínem označuje hmota rostlinného původu. 9 Po dlouhou dobu pro lidstvo hlavní zdroj energie a materiálů. • Přechod z fosilních zdrojů surovin na biomasu si vyžádá podstatnou změnu technologických postupů v chemickém průmyslu. • Podstatné rozdíly ve složení, biomasa obsahuje mnohem více elektronegativních prvků (O, N) než fosilní suroviny. • Biomasa je složitou směsí, má nízkou hustotu, složky jsou tepelně nestálé, nelze destilovat. • Produkce biomasy se soustředí na venkov, je rozptýlena, daleko od zpracovatelského průmyslu. Problém transportu. Jaromír Literák CORE122 - Chemie a společnost Ligno-celulosová biomasa • Sušinu rostlin tvoří z 90 % celulosa, hemicelulosa, lignin a pektin. • Cukry 75 %, Lignin 20 %, 5 % ostatní (tuky, proteiny). Celulosa - řetězec /3-D-gl u kopyra nosových jednotek propojených 1—^4 vazbami. Celulosa tvoří dlouhé lineární molekuly složené z 7000-15000 glukosových jednotek. Molekuly celulosy mezi sebou tvoří silné vazby prostřednictvím vodíkových můstků. Vznikají tuhá polymerní vlákna, stavební materiál buněčné stěny. Jaromír Literák CORE122 - Chemie a společnost Ligno-celulosová biomasa Hemicelulosa - kromě glukosy obsahuje celou řadu dalších cukrů (xylosa, mannosa, galaktosa, arabinosa) a uronové kyseliny. Molekula hemicelulosy obsahuje obvykle 500-3000 jednotek. Lignin - Složitý zesíťovaný polymer vznikající radikálovou polymerací ze základních jednotek: p-kumaryl alkohol koniferyl alkohol sinapylalkohol OCH3 Jaromír Literák CORE122 - Chemie a společnost Biomasa jako zdroj surovin Jaromír Literák CORE122 - Chemie a společnost Tepelný rozklad biomasy • Poměrně dlouho známé techniky a technologie. • Podobné procesy se mohly uplatnit při vzniku fosilních zdrojů. • Do určité míry lze aplikovat technologie pro zplyňování (gasifikaci) nebo karbonizaci méně kvalitního uhlí. Složka biomasy Teplota rozkladu/0C hemicelulosa 225-325 cel u losa 305-375 lignin 250-500 Jaromír Literák CORE122 - Chemie a společnost Zplynění biomasy Zplynění biomasy - termická přeměna biomasy na směs CO, H2, CO2, CH4, VOC, dehet (benzen a PAHs), H2S, HCl, NH3, HCN... Můžeme rozlišit 3 fáze: O Sušení (od 120 °C). O Tvorba těkavých látek - devolatilizace (od 350 °C). O Gasifikace: okolo 500 °C - hlavní produkty jsou H2O, CO2, levoglukosan, 2-hydroxyacetaldehyd a methoxyfenoly z ligninu. levoglukosan Jaromír Literák CORE122 - Chemie a společnost Zplynění biomasy O Gasifikace: 700-850 °C - vznikají plynné olefiny, CO, CO2, H2, H2O, aromáty a fenoly (dehet). 850-1000°C - tvorba sekundárních produktů (PAHs, CO, C02, H2, H20). • Dehet může rovněž podléhat z části parnímu reformování. Dva typy reaktorů pro pyrolýzu a zplynění: • Reaktory s pevným ložem. • Reaktory s f klidním ložem. Jaromír Literák CORE122 - Chemie a společnost Zplynění biomasy Reaktory s pevným ložem biomasa biomasa Jaromír Literák CORE122 - Chemie a společnost Zplynění biomasy Reaktor s fluidním ložem vzduch Jaromír Literák CORE122 - Chemie a společnost Hydrotermolýza, termální depolymerace • Rozklad biomasy za vysoké teploty a tlaku v přítomnosti vody. Reakce v superkritické vodě (sch^O). • Podobné procesy se mohly uplatnit při vzniku fosilních zdrojů. 9 Nejdříve hydrolyzuje celulosa a hemicelulosa, jako poslední lignin. o Složení produktů závisí na reakčních podmínkách. S rostoucí teplotou roste produkce plynů (H2, CH4, CO a CO2). • Surovinou nemusí být pouze biomasa (PET lahve, pneumatiky). Jaromír Literák CORE122 - Chemie a společnost Fischerův-Tropschův proces Objeven ve 20. letech 20. století. Transformace syntézního plynu na uhlovodíky (a deriváty). nCO + 2nH2 —> Ri-(CH2)„-R2 + "H20 zdroj uhlíku (zemní plyn, uhlí, biomasa, odpad...) výroba a čištění syntézního plynu CO + H. Fischerův-Tropschův proces CxHvO čištění a zpracování produktů / \ paliva J ( chemikálie CTL - coal to liquid, GTL - gas to liquid, BTL - biomass to liquid, WTL - waste to liquid. V současnosti ekonomicky nerentabilní proces. Jaromír Literák CORE122 - Chemie a společnost Fischerův-Tropschův proces HTFT reaktor syntézní plyn plyny (vodík, methan, J~ ethan, ethen) -+ lehký olej L___^ voda a s vodou mísitelné produkty dekantovaný olej LTFT reaktor syntézní plyn - PP w V -> plyny (vodík, methan, ethan, ethen) nízkoteplotní kondenzát voda a s vodou mísitelné produkty _^ vysokoteplotní kondenzát ■> vosky 0 10 20 30 40 50 60 Cn Composition Fe-HTFT Fe-LTFT Fe-LTFT Co-LTFT SAS SSBP ARGE SSBP 340 ° C 230 °C 230 °C 220 °C Naphtha (C5-C10) Paraffins 13 29 60 54 Olefins 70 64 32 35 Aromatics 5 0 0 0 Oxygenates 12 7 8 11 Distillate (C„-C22) Paraffins 15 44 66 80 Olefins 60 50 26 15 Aromatics 15 0 0 0 Oxygenates 10 6 8 5 Jaromír Literák CORE122 - Chemie a společnost 4 Biopaliva Podle směrnice Evropské komise (2003/30/ES) jsou biopalivy: o BÍ0-H2, syntetická biopaliva, čistý rostlinný olej. o. o o O O Bioethanol, biomethanol, bio-dimethylether, bionafta, bioplyn H3C^OH H3C-OH H^°VCH, HsC • methyl(rerc-butyl)ether (z bio-MeOH), ethyl(rerc-butyl)ether (z bio-EtOH). H3C CH3 H3C-)-0 H3C H3C / CH3 H3C-)-0 H3C CK Jaromír Literák CORE122 - Chemie a společnost Biopaliva Rozlišujeme několik generací biopaliv: • Biopaliva 1. generace jsou vyráběna z polysacharidu a olejnin, namnoze získávaných z plodin určených k výživě (biolíh z cukrů, biodiesel z rostliných olejů). Mohou konkurovat výrobě potravin, zabírají ornou půdu. • Biopaliva 2. generace vyráběná z ligno-cel u losových zbytků nebo nejedlých tuků zplyněním a syntézou kapalných paliv a CH4 nebo anaerobním kvašením s výrobou CH4. Nekonkurují výrobě potravin. • Biopaliva 3. generace vyráběná z řas a mikroorganismů - přímá výroba H2, CH4 a vyšších uhlovodíků. Jaromír Literák CORE122 - Chemie a společnost Bioethano • Průmyslově vyráběn z petrochemických surovin. • Bioethanol fermentací cukrů z biomasy a nejrůznějších odpadů. C6Hi206 -> 2 C2H5OH + 2 C02 • Maximální koncentrace ethanolu v roztoku 15-16% —>► rektifikace na azeotrop (96 %) —)► odvodnění na čistý ethanol. • Pohonná hmota: směs s benzínem nebo samotný ethanol. 9 Výhody bioethanolu jako paliva: • Vysoké oktanové číslo - 129 (benzín 91-99). • Nižší obsah benzenu a síry v palivu. • Zvyšuje účinnost motoru. Čistí spalovací systém. • Menší obsah CO ve spalinách. Jaromír Literák CORE122 - Chemie a společnost Bioethano ■ Nevýhody bioethanolu jako paliva: • Výhřevnost 31 MJ/kg (19,6 MJ/I); benzín 44 MJ/kg (32 MJ/I) • Je hygroskopický. • Výroba energeticky náročná, vznik odpadů. • ERoEI kolem 1 v Evropě! Agriculture inputs loss Nonconvertible biomass loss Fermentation loss Combustion engine inefficiency loss Remaining biomass energy available for vehicle Biomass to Ethanol Agriculture inputs loss Combustion to beat, then electricity loss Transport to outlet loss Charging battery loss Battery to mechanical work loss Remaining biomass energy available for vehicle 20-25% Biomass to Electricity Jaromír Uterák CORE122 - Chemie a společnost Bioethano Jaromír Literák CORE122 - Chemie a společnost Bionafta (bio-diesel) • Směs esterů mastných kyselin s nižšími alkoholy (MEŘO a EŘO) • Surovinou potravina - rostlinné oleje (triacylglyceroly). • Bazicky katalyzovaná transesterifikace, nejčastěji methanolem: o. o o O ~u M © .0 + CH3OH CH3° Na> 3 + HO O O-CH3 OH OH • Katalyzátorem mohou být také pevné kyselé pryskyřice —>* esterifikace kyselin. • Výhody bionafty jako paliva: • Je netoxická s snadno diodegradovatelná. • V motoru vznikají čistější výfukové plyny (méně tuhých částic, nespálených uhlovodíků a CO). • Zvyšuje cetanové číslo směsi. Zvyšuje lubricitu nafty. Jaromír Literák CORE122 - Chemie a společnost Bionafta (bio-diesel) 9 Nevýhody bionafty jako paliva: • Podobnýma nedostatky jako bioethanol (orná půda, ERoEI). • Horší oxidační stabilita, vyšší viskozita. • Lepší solvatační schopnosti - napadá materiál gumových hadic a nádrže paliva. ■v Normované vlastnosti bionafty podle CSN 656507 Hustota 15 °C 0.87-O.89 g/cm Viskozita 40 °C 3.5-5.0 Bod vzplanutí > 110 °C Síra < 0.02 % hm. Obsah vody < 500 mg/kg Tuhé kontaminanty < 24 mg/kg Cetanové číslo > 48 Volný glycerol < 0.02 % Fosfor < 20 mg/kg mm2/s Jaromír Literák CORE122 - Chemie a společnost Butanol je (také) důležité rozpouštědlo. 9 Výroba kvasným procesem, dříve běžně užívaným, útlum po 2. světové válce. • Anaerobní kvasný proces ABE (aceton, n-butanol, ethanol), typický poměr 3:6:1. • Bakterie Clostridium tyrobutyricum a Clostridium acetobutylicum. • Výhody n-butanolu: • Více zkvasitelných substrátů oproti ethanolovému kvašení. • Vyšší výhřevnost 29,2 MJ/I (ethanol 19,6; benzín 32). • Vysoké oktanové číslo. • Výborná mísitelnost s uhlovodíky, není hygroskopický. • Lze jej transportovat ropovody. Jaromír Literák CORE122 - Chemie a společnost Biobutanol, bio-DME • Nevýhody n-butanolu: • Nízká koncentrace v roztoku (max. 1,5-2 %). • Náročná izolace z roztoku (pervaporace.. .). • Výroba také řasami nebo rozsivkami (světlo zdrojem energie). Bio-dimethylether H3C-0-CH3I o Plyn, t.v. = -32°C. • Vzniká transformací methanolu. • Vysoké cetanové číslo (vyšší než běžná nafta), jednoduchá adaptace motoru. Jaromír Literák CORE122 - Chemie a společnost Obecné nedostatky biopaliv 1. generace • Potřeba (nové) zemědělské půdy, její rozšiřování. • Nutnost hnojení, užívání pesticidů. • Zvýšení cen potravin. • Ztráta velké části energie přítomné v biomase (ethanol jako pohonná hmota: 90 %; biomasa —>► elektřina: 75-80 %). • Produkce odpadů. • Pěstování plodin i jejich zpracování vyžaduje velká množství vody. Jaromír Literák CORE122 - Chemie a společnost Spotřeba vody při produkci energie Spotřeba vody při produkci energie litr H20/MWh energie Těžba ropy 10-40 Rafinace ropy 89-150 Rafinace ropných břidlic 170-680 Gasifikace uhlí asi 900 Jaderná elektrárna* 950 Geotermální elektrárna* 1.900-4.200 Další fáze těžby ropy 7.600 Jaderná elektrárna 94.600-227.100 Zalévání kukuřice (bioethanol) 2.270.000-8.670.000 Zalévání soji (bionafta) 13.900.000-27.900.000 * Uzavřený vodní okruh Jaromír Literák CORE122 - Chemie a společnost yužitř řas • Zájem od 70. let 20. století, obnovení zájmu s rozvojem „syntetické" biologie. Fotosyntetizující řasy mohou produkovat: lipidy, bio-H2, ethanol, krátké uhlovodíky. • Anaerobní fermentací zbytků řas vzniká CH4. lipidy —)► transesterifikace —>► bionafta (nebo hydrogenace) Jaromír Literák CORE122 - Chemie a společnost Využití řas • Klady řas: Vyšší výtěžek tuků než u tradičních plodin, • nepotřebují ornou půdu, • nízká spotřeba vody na zavlažování (i odpadní voda). • Nectnosti řas: • Řasa ukládá živiny ve formě fosfolipidů v buněčné stěně. Až ve stresu (nedostatek živin) vznikají tělíska triacylglycerolu. • Nízká intenzita (maximálně 0,1 % objemu). • Izolace energeticky náročná (míchání, chlazení, centrifugace). • „Soutěž o světlo". • Uplatnění GMO - zvýšení obsahu lipidů (až 80 %), lepší fixace CO2 (lidská CA). • Také fotosyntetizující bakterie produkující uhlovodíky - po genetickém zásahu lze docílit až 90% přeměny CO2 na uhlovodíky (na úkor růstu a množení buňky). Jaromír Literák CORE122 - Chemie a společnost yužití řas Odhad rozlohy půdy potřebné pro náhradu benzínu biopalivy z různých zdrojů v USA Jaromír Literák CORE122 - Chemie a společnost Anaero nŕ kvasení • V současnosti hlavně zpracování (zemědělských) odpadů. 9 Bakteriální proces, poskytuje asi 300 m3 plynu (obsah methanu 50 %) na 1 tunu biomasy. Jaromír Literák CORE122 - Chemie a společnost Anaero nŕ kvasení • Bioplyn vykazuje nejvyšší palivovou výtěžnost (v ekvivalentu nafty) z hektaru: zdroj palivová výtěžnost / (dm3/ha) biodiesel z olejnin 1.200 dřevo 1.300 bioethanol 1.450 biomasa na benzín (BTL) 3.100 bioplyn 10.000 • Přímé spalování a ohřev nebo výroba elektrické energie a ohřev (kogenerace). Nejvyšší účinnost výroby energie nabízejí palivové články (v kogeneraci). Požadavky na vysokou čistotu vstupního plynu však činí zatím tuto technologii méně ekonomickou. Jaromír Literák CORE122 - Chemie a společnost Deriváty furanu (x o A CHO R = H R. ^ X>H HO OH OH R = CH2OH CHO Hc O- \0^"CH20H Furfurylalkohol Q THF O H3C O X COOH + H OH oxidace JJ \V -► HOOC"\/^COOH Příprava katalytickou dehydratací pěti- a šestiuhlíkatých cukrů Jaromír Literák CORE122 - Chemie a společnost Definice udržitelnosti - Natural Step Framework O Nemělo by růst množství látek získávaných ze zemské kůry v ekosféře. O Nemělo by v ekosféře růst množství látek produkovaných člověkem. O Nesmí docházet k omezování diverzity a produktivity biosféry. O Správné a účinné využití zdrojů, které slouží k uspokojování lidských potřeb. V přírodě existuje koloběh látek, všechen odpad je potravou, primárním zdrojem energie je Slunce, zdrojem látek fotosyntetizující rostliny. Řešení může být v napodobení přírody. Jaromír Literák CORE122 - Chemie a společnost Umělá kost • Kost vzniká krystalizací hydroxyapatitu v přítomnosti hydrogelu kolagenu (templát, lešení). • Kost se vyznačuje výbornými mechanickými vlastnostmi - kompozit z tvrdé anorganické složky a pružné bílkoviny, obě složky k sobě silně poutané. 9 Současné ortopedické implantáty (kovy, keramika, polymery) jsou inertní, ale liší se svými mechanickými vlastnostmi od okolní tkáně. • Nápodoba: zesíťovaný hydrogel HEMA nebo HEMAm obsahují monomery s ligandy pro Ca2+ a adhezi buňek. Následná mineralizace srážením HA. Ligand Ca2+ Monomery Síťovadlo O R O O O CH3 n xoo~ ^ ^isr ^ y xr ^ "o CH3 H CH3 H CH3 CH3 O HEMAm HEMA Jaromír Literák CORE122 - Chemie a společnost Umělá kost Nekolagenové proteiny Kostní buňky Kost Vlákna kolagenu Apatit Umělá kost Jaromír Literák CORE122 - Chemie a společnost • Tvoří 18 % celosvětové produkce polymerů. HOOC- \\ / ■COOH + HO' ,0H Ropa ■HoO t O Výborné vlastnosti T g /=\ 0 polyethylentereftalát (PET) 67°C a t.t. = 265°C. PET Alternativní polymer musí obsahovat podobné strukturní rysy pro dosažení srovnatelných vlastností: Aromatické Alifatická jádro komponenta O O ■O" n Jaromír Literák CORE122 - Chemie a společnost • Poly(4-hydroxybenzoát) 1.1. = 350 °C (obtížné zpracování). • Náhrada kys. tereftalové furan-2,5-dikarboxylovou kyselinou (obnovitelný zdroj), zůstává ethylenglykol z ropy. • Využití dihydroferulové kyseliny jako náhrady za oba monomery. h3co ho- o oh dihydroferulová kyselina H3CO o Jn • Příprava monomeru Lignin H3CO ho co H3C0 h 5% H3CO 8% Jaromír Literák CORE122 - Chemie a společnost Náhrada PET Příprava monomeru: H3co Polykondenzace: H3CO o H3C^ O Ac20 báze ■COOH H3CO O H3C^ COOH O H3CO H2 Pd/C O H3C^ COOH O Zn(OAc)2 ■CH3COOH H3CO O >—' o- Jaromír Literák CORE122 - Chemie a společnost Náhrada PET • Poly(dihydroferulát) • Tg = 73 °C a t.t. = 234°C. o Obnovitelný zdroj suroviny (vanilin i kys. octová). • Snadnější degradace hydrolýzou (fenolát jako odstupující skupina). • Jeden monomer. • Recyklace kyseliny octové Jaromír Literák CORE122 - Chemie a společnost