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Hintergrund
Natürliche atmosphärische Mengen an Kohlendioxid, einem farblosen Gas, reichen von 0 bis 5%. Es besteht aus drei Atomen: Ein lineares Molekül ohne Netto-Dipolmoment wird durch zwei Sauerstoffatome gebildet, die an ein Kohlenstoffatom gebunden sind. Es ist folgendermaßen formuliert: (1) Aerobe Lebewesen wie Menschen und Tiere produzieren es hauptsächlich während der Atmung. Es kann aber auch bei der Verbrennung oder dem mikrobiellen Abbau organischer Abfälle entstehen (2), durch die Verbrennung fossiler Brennstoffe, einschließlich Kohle, Öl, Benzin und Erdgas, die den Großteil der anthropogenen Emissionen erzeugen, und (3) je nach Verwendungszweck Produkt(en) kann CO2 direkt verwendet werden, indem es durch verschiedene katalytische Wege in Chemikalien umgewandelt wird, außer dass es in industriellen Prozessen wie der Herstellung von Zement oder Soda(n) verwendet wird.
Verfahren zur Nutzung von Kohlendioxid
Es ist möglich, Kohlendioxid mit verschiedenen Techniken in wertvolle chemische Verbindungen umzuwandeln. Thermokatalytische Umwandlung mit hohen Temperaturen; mikrobielle Umwandlung mit gentechnisch veränderten Bakterienstämmen; direkte elektrochemische Reduktion unter Verwendung erneuerbarer Energiequellen; photokatalytische Reduktion mit Sonnenlicht; Mitochondrien-vermittelte enzymatische Umwandlungen unter Verwendung von Enzymen, die aus lebenden Zellen extrahiert wurden; synthetische organische Chemie unter Verwendung metallorganischer Reagenzien mit unedlen Metallen wie Katalysatoren Kupfer oder Eisen; und enzymunterstützte Reaktionen unter Verwendung von Biokatalysatoren sind einige davon. Jede Technik hat je nach beabsichtigter Produktkategorie, Produktionsrate, Energieverbrauch usw. einzigartige Vorteile.
Durch direktes Anlegen von Elektrizität an CO2-Moleküle werden diese zu Formationen, die mit anderen Molekülen interagieren können, um wertvolle Verbindungen wie Methanol und Ethanol zu erzeugen. Dieser Prozess ist als direkte elektrochemische Umwandlung bekannt. Dieser Ansatz eliminiert alle mit seiner Nutzung verbundenen Treibhausgasemissionen, indem erneuerbare Energiequellen wie Wind- und Solarenergie anstelle herkömmlicher fossiler Brennstoffe verwendet werden, was ihn angesichts der aktuellen Bedenken hinsichtlich des globalen Klimawandels zu einer attraktiven Wahl macht. Und dieses Verfahren ist aufgrund seiner Ausnutzungsraten von nahezu 100% und des geringen Bedarfs an Katalysatormaterialien kostengünstiger als andere derzeit verfügbare Verfahren. Allerdings müssen noch einige Probleme gelöst werden, bevor die Option aufgrund langsamer Reaktionsgeschwindigkeiten im Vergleich zu photokatalytischen Techniken und begrenzten Skalierbarkeitsproblemen im Zusammenhang mit den Anforderungen an die Reaktorgröße zum Erreichen von Produktionsniveaus im großen Maßstab, wie sie heute von Industriestandards gefordert werden, als wirtschaftlich tragfähig angesehen werden kann.
Photokatalytische Reduktion: Unter Verwendung von Lichtenergie und Katalysatoren wie Nanokristallen aus Titanoxid, die mit verschiedenen Übergangsmetalloxiden wie Silber, Kobalt, Zinkoxid usw. wenn es bei anodischem Potential angelegt wird. Beide Produkte haben ein breites Anwendungsspektrum in verschiedenen Branchen, von Lösungsmitteln bis hin zu Lösungsmitteln. Da diese Methode nur eine Lichtquelle und keine herkömmliche thermische Erwärmung benötigt, ist sie eine attraktive Option für die Durchführung photochemischer Synthesen in Umgebungen, in denen dies nicht angemessen wäre andernfalls, wie z. B. Kleinserienfertigung oder Labore, in denen Platz und Ressourcen begrenzt sind. Diese Methode bietet auch eine unübertroffene Flexibilität.
Bestimmte Bakterienstämme so zu manipulieren, dass sie gelöste Gase aus der Umgebung wie Luft direkt absorbieren und sie in wertvolle Metaboliten wie Fettsäuren umwandeln, wird als „mikrobielle Umwandlung“ bezeichnet. Ohne zusätzliche externe Substrate übertrifft diese Methode die anderen hier aufgeführten Kosten, da keine zusätzlichen Reaktanten gekauft werden müssen; Stattdessen können spezialisierte Kulturen kostengünstig auf dem eigenen Grundstück gezüchtet und innerhalb des Kontexts effektiv genutzt werden. Und dank verbesserter Genmanipulationstechnologien können jetzt selbst komplexe Mehrstufenreaktionen schnell und genau Zielverbindungen in gewünschten Konzentrationen produzieren, wodurch sichergestellt wird, dass die Qualitätskontrollen für nachfolgende Projekte auf absehbare Zeit ohne Unterbrechung ablaufen. Forscher verwenden zunehmend Genmanipulationstechnologien, um neue Medikamente und Behandlungen zu entwickeln. Um der Konkurrenz einen Schritt voraus zu sein und einen Wettbewerbsvorteil bei Durchbrüchen in der wissenschaftlichen Entwicklung zu wahren, erfordert der schnell wachsende weltweite Markt des Gesundheitssektors eine ständig wachsende Menge an Forschung.
Thermokatalytische Umwandlung: Thermokatalyse ist die Anwendung von Wärme auf ein Gemisch, das sowohl Wasserstoff als auch Kohlenmonoxid enthält, um flüssige Kohlenwasserstoffe zu produzieren, die Erdölfraktionen ähneln, aber viel reiner in der Qualität sind als herkömmliches Rohöl, das heute aus fossilen Brennstoffgewinnungsstätten gewonnen wird. Ermöglichung des Zugangs zu wertvollen Endprodukten, die der Raffineriesektor anderswo nur schwer erhalten würde. Und die Polymersynthese wird durch Thermochemie ermöglicht – Polyole, Kunststoffe, Gummi, Schaumstoffe, Klebstoffe, Dichtungsmittel, Leim und Beschichtungen. Textilien, Fasern und Verbundwerkstoffe finden vielfältige Verwendung in verschiedenen Branchen, darunter Kosmetik, Verpackung, Lebensmittelverarbeitung, Automobiltechnik, Bauwesen, Landwirtschaft und Luft- und Raumfahrt. Aus diesem Grund gewinnen sie schnell an Popularität und sind weltweit führend in der Technologiebranche. Mitochondrien-vermittelte enzymatische Umwandlungen beinhalten das Extrahieren von Enzymen aus lebenden Zellen, insbesondere Mitochondrien, und deren Übertragung auf ein anderes Medium, wo sie reaktive Zwischenprodukte umwandeln, um schließlich ein Endprodukt zu bilden, das als Punkt bezeichnet wird. Vorbestimmter Weg resultiert aus der Erzeugung wertvoller Zwischenmetaboliten mehrerer kommensaler Verbindungen. Milchsäure, Acetoin, Glycerin und Alkohol Essigsäure Bernsteinsäure Piperonylsäure Bernsteinsäure Äpfelsäure Weinsäure Fumarsäure Glutaraldehyd, 2-Hydroxybenzoat, Phenoxyessigsäure und 2-Methylphenoxyethanol sind nur einige Verbindungen, die als Zusatzstoffe mit noch besserer Genauigkeit und Reinheit zu reduzierten Preisen extrahiert werden können Wert.
Im Gegensatz zur direkten elektrochemischen Methode mitochondriale Umwandlungen haben eine langsamere Kinetik, was bedeutet, dass es länger dauert, bis der Zyklus abgeschlossen ist, bevor er den Endpunkt erreicht. Dies kann die tatsächliche Durchsatzkapazität verringern. Unter Umständen sind schnellere Reaktionszeiten erforderlich. Stellen Sie sicher, dass das Endprodukt zum erwarteten Datum und nach dem den Kunden und Auftraggebern zugesagten Zeitplan geliefert wird. Vor Beginn des Projekts ist dies ein entscheidender Faktor, um Enttäuschungen zu vermeiden, die zu Verzögerungen führen könnten, die das Unternehmen Geld kosten oder seinem Ruf, seiner Markenbekanntheit und seinem Marktanteil langfristig schaden könnten.
Organische Synthesechemie: Die Herstellung metallorganischer Reagenzien, die aus Übergangsmetallen, Liganden und Trägerstrukturen bestehen, um eine günstige Stereoselektivität zu erzielen, ist als synthetische organische Chemie oder „Organometalle“ bekannt. Im Vergleich zu anderen Kursfachparametern muss jeder Einzelfall berücksichtigt werden, um die besten optimalen Bedingungen für den Betrieb im jeweiligen Kontext angemessen zu identifizieren und maximale Effizienz zu gewährleisten. Die Chemo-Regioselektivität während der Transformationen ermöglicht die einfache Bildung von selektiven funktionellen Gruppen an bestimmten Positionen von Molekülen in kurzer Zeit. Minimierung der Verschwendung von Arbeit, Materialien und Ressourcen, während der Ausrüstung des Sicherheitspersonals eine hohe Priorität eingeräumt wird. Denken Sie daran, in jeder Phase der Projektdurchführungsphase, einschließlich der Lieferung von Kunden, auf die erfolgreichste Art und Weise, trotz Hindernissen und unvorhergesehenen Umständen.
Beispiele für die chemische Synthese aus Kohlendioxid (CO2)
- Methanolsynthese: Das Monsanto-Verfahren, das die Wechselwirkung von Kohlendioxid mit Wasserstoffgas in Gegenwart eines Kupfer-Zink-Katalysators umfasst, kann Methanol aus Kohlendioxid erzeugen. Die Herstellung von Methanol aus Kohlendioxid kann durch Mischen mit Wasserstoff über einem geeigneten Katalysator bei hohen Temperaturen und Drücken (z. B. 400–430 °C und 10–20 bar) erfolgen. Auch für diesen Prozess gilt der Begriff „Methanisierung“.
- Herstellung von Ameisensäure: Unter Verwendung einer elektrochemischen Zelle und eines Palladium-Kupfer-Katalysators kann Ameisensäure aus Kohlendioxid und Wasserstoff hergestellt werden.
- Umwandlung in Oxalatsalze: Durch chemische Prozesse, an denen Bor- und Aluminiumverbindungen wie Borax oder Aluminiumoxidhydrat und andere Säuren, einschließlich Salzsäure oder Schwefelsäure, beteiligt sind, kann Kohlendioxid auch in Oxalatsalze umgewandelt werden.
- Polycarbonate werden durch Kombinieren von Phosgen mit zweiwertigen Alkoholen wie Ethylenglykol in Gegenwart von Katalysatoren wie Zinntetrachlorid oder Zinkchlorid hergestellt. Dies verursacht Polymerisationsreaktionen, die zu Polymeren führen, die hauptsächlich aus Kohlendioxidmolekülen bestehen, die durch Sauerstoffatome verbunden sind (dh Polycarbonate).
- Kohlensäuresynthese: In einem Katalysator wie Schwefelsäure oder Phosphorsäure verbinden sich Kohlendioxid und Wasser zu Kohlensäure. Das Ergebnis können Verbindungen wie Harnstoff und Formate sein.
- Synthese von Dimethylether: Dimethylether (DME) ist eine weitere wichtige Verbindung, die aus Kohlendioxid hergestellt werden kann, indem Katalysatoren für die Synthese von Methanol und ein Reformierungsmittel, wie eine Mischung aus CO2/H2O oder CO/H2, bei Temperaturen zwischen verwendet werden 350 und 400 °C und Drücke bis 20 bar für die Umwandlung von Synthesegas in DME.
- Polycarbonat-Produktion: Aufgrund ihrer Festigkeit, Haltbarkeit, Transparenz, Hitzebeständigkeit und elektrischen Isoliereigenschaften werden Polycarbonate häufig in industriellen Anwendungen eingesetzt. Sie werden üblicherweise durch Umesterung von Bisphenol mit Phosgen hergestellt, das entsteht, wenn Kohlendioxid mit Chlorgas oder einer Salzsäurelösung bei hoher Temperatur (200–300 ° C) reagiert.
- Die Synthese von Dimethylcarbonat (DMC) ist ein Verfahren zur Herstellung der chemischen Verbindung Dimethylcarbonat. Dabei wird Methanol mit Phosgen oder Kohlendioxid in Gegenwart eines basischen Katalysators wie Kaliumhydroxid oder Natriumhydroxid umgesetzt. Die Reaktion erzeugt Dimethylcarbonat und Chlorwasserstoff, die dann durch Destillation aus der Mischung entfernt werden. Dimethylcarbonat kann als Alternative zu Ethylenglykol in Frostschutzformulierungen für Automobile und Flugzeuge sowie für zahlreiche andere Anwendungen, einschließlich Lösungsmittel, Weichmacher, Treibmittel und Kraftstoffe, verwendet werden.
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