Achtergrond
Natuurlijke atmosferische hoeveelheden koolstofdioxide, een kleurloos gas, variëren van 0 tot 5%. Het bestaat uit drie atomen: een lineair molecuul zonder netto dipoolmoment wordt gevormd door twee zuurstofatomen gebonden aan één koolstofatoom. Het wordt op deze manier geformuleerd: (1) aerobe wezens zoals mensen en dieren produceren het voornamelijk tijdens de ademhaling. Toch kan het ook worden gegenereerd tijdens verbranding of de microbiële afbraak van organisch afval (2), door het verbranden van fossiele brandstoffen, waaronder steenkool, olie, benzine en aardgas, produceert het grootste deel van de antropogene emissies, en (3) afhankelijk van het beoogde product (de beoogde producten), kan CO2 direct worden gebruikt door het om te zetten in chemicaliën via verschillende katalytische routes, naast het gebruik in industriële processen zoals het vervaardigen van cement of soda (s).
Methoden voor het gebruik van koolstofdioxide
Het is mogelijk om koolstofdioxide om te zetten in waardevolle chemische verbindingen met behulp van verschillende technieken. Thermokatalytische conversie met hoge temperaturen; microbiële conversie met behulp van gemanipuleerde bacteriestammen; directe elektrochemische reductie met behulp van hernieuwbare energiebronnen; fotokatalytische reductie met behulp van zonlicht; mitochondria-gemedieerde enzymatische conversies met behulp van enzymen die uit levende cellen zijn geëxtraheerd; synthetische organische chemie met behulp van organometaalreagentia met basismetalen zoals katalysatoren koper of ijzer; en enzym-ondersteunde reacties met behulp van biokatalysatoren zijn er een paar van. Elke techniek heeft unieke voordelen volgens de beoogde productcategorieën, productiesnelheid, energieverbruik, enz.
Door elektriciteit direct op CO2-moleculen toe te passen, worden ze formiaationen, die kunnen interacteren met andere moleculen om waardevolle verbindingen te genereren zoals methanol en ethanol. Dit proces staat bekend als directe elektrochemische conversie. Deze aanpak elimineert alle broeikasgasemissies die verband houden met het gebruik ervan door hernieuwbare energiebronnen zoals wind- en zonne-energie te gebruiken in plaats van conventionele fossiele brandstoffen, waardoor het een aantrekkelijke keuze is, gezien de huidige zorgen over wereldwijde klimaatverandering. En deze methode is betaalbaarder dan andere methoden die nu beschikbaar zijn vanwege de bijna 100% benuttingsgraad en de lage behoefte aan katalysatormaterialen. Er moeten echter nog enkele problemen worden opgelost voordat de optie als commercieel levensvatbaar kan worden beschouwd vanwege de lage reactiesnelheden in vergelijking met fotokatalytische technieken en beperkte schaalbaarheidsproblemen met betrekking tot de vereisten voor reactorgrootte om grootschalige productieniveaus te bereiken zoals vereist door de huidige industrienormen.
Fotokatalytische reductie: Met behulp van lichtenergie en katalysatoren zoals titaniumoxide nanokristallen gedoteerd met verschillende overgangsmetaaloxiden, zoals zilver, kobalt, zinkoxide, enz., zet fotokatalytische reductie CO2-moleculen om in formiaat-ionen, indien toegepast op een kathodisch potentieel, of hydroxylradicalen, indien toegepast op een anodisch potentieel. Beide producten hebben een breed scala aan toepassingen in verschillende industrieën, variërend van oplosmiddel tot en omdat deze methode alleen een lichtbron nodig heeft in plaats van traditionele thermische verwarming, is het een aantrekkelijke optie voor het uitvoeren van fotochemische syntheses in omgevingen waar het anders niet geschikt zou zijn, zoals kleine batchproductie of laboratoria waar respectievelijk ruimte en middelen beperkt zijn. Deze methode biedt ook ongeëvenaarde flexibiliteit.
Het manipuleren van bepaalde bacteriestammen om opgeloste gassen uit de omgeving, zoals lucht, direct te absorberen en deze om te zetten in waardevolle metabolieten, zoals vetzuren, staat bekend als "microbiële conversie". Zonder extra externe substraten presteert deze methode beter dan de andere die hier worden genoemd in termen van kosten, omdat er geen extra reactanten hoeven te worden gekocht; in plaats daarvan kunnen gespecialiseerde culturen goedkoop op iemands eigendom worden gekweekt en effectief binnen de context worden gebruikt. En dankzij verbeteringen in genetische manipulatietechnologieën kunnen zelfs complexe meerstapsreacties nu snel en nauwkeurig doelverbindingen op gewenste niveaus produceren, waardoor kwaliteitscontrole-operaties zonder onderbreking kunnen worden uitgevoerd voor de nabije toekomst voor volgende projecten. Onderzoekers gebruiken steeds vaker genetische manipulatietechnologieën om nieuwe medicijnen en behandelingen te creëren. Om de concurrentie voor te blijven en een concurrentievoordeel te behouden in doorbraken in wetenschappelijke ontwikkeling, heeft de snelgroeiende wereldwijde markt van de gezondheidszorgsector een steeds grotere hoeveelheid onderzoek nodig.
Thermokatalytische conversie: Thermokatalyse is de toepassing van warmte op een mengsel dat zowel waterstof als koolmonoxide bevat om vloeibare koolwaterstoffen te produceren die vergelijkbaar zijn met aardoliefracties, maar veel zuiverder van kwaliteit zijn dan standaard ruwe olie die tegenwoordig wordt verkregen uit fossiele brandstofwinningslocaties. Hierdoor is het mogelijk om toegang te krijgen tot waardevolle eindproducten die de raffinaderijsector elders moeilijk zou kunnen verkrijgen. En polymeersynthese wordt mogelijk gemaakt door thermochemie: polyolen, kunststoffen, rubber, schuim, kleefstoffen, kitten, lijm en coatings. Textiel, vezels en composietmaterialen hebben verschillende toepassingen in verschillende industrieën, waaronder cosmetica, verpakkingen, voedselverwerking, autotechniek, bouwconstructie, landbouw en lucht- en ruimtevaart. Dit is de reden dat ze snel aan populariteit winnen en wereldwijd toonaangevend zijn in de technologische industrie. Mitochondriale enzymatische omzettingen omvatten het extraheren van enzymen uit levende cellen, met name mitochondriën, en het overbrengen ervan naar een ander medium waar ze reactieve tussenproducten transformeren, en uiteindelijk een eindproduct vormen aangewezen punt vooraf bepaald pad resultaat van de generatie van waardevolle tussenproductmetabolieten meerdere commensale verbindingen. Melkzuur, acetoïne, glycerol en alcohol Azijnzuur, barnsteenzuur, piperonylzuur, barnsteenzuur, appelzuur, wijnsteenzuur, fumaarzuur, glutaaraldehyde, 2-hydroxybenzoaat, fenoxyazijnzuur en 2-methylfenoxyethanol zijn slechts enkele verbindingen die met nog grotere nauwkeurigheid en zuiverheid tegen gereduceerde prijzen als toegevoegde waarde kunnen worden geëxtraheerd.
In tegenstelling tot de directe elektrochemische methode, mitochondriale conversies hebben een langzamere kinetiek, wat betekent dat het langer duurt voordat de cyclus is voltooid voordat het eindpunt wordt bereikt. Dit kan de werkelijke doorvoercapaciteit verminderen. In bepaalde omstandigheden zijn snellere responstijden noodzakelijk. Zorg ervoor dat het eindproduct op de verwachte datum en volgens het schema wordt geleverd dat aan de klanten is beloofd. Voordat het project begint, is dit een cruciale factor om teleurstellingen te voorkomen die vertragingen kunnen veroorzaken die de organisatie geld kunnen kosten of op de lange termijn schade kunnen toebrengen aan haar reputatie, merkbekendheid en marktaandeel.
Organische synthetische chemie: De creatie van organometallische reagentia bestaande uit overgangsmetalen, liganden en ondersteunende structuren om gunstige stereoselectiviteit te produceren, staat bekend als synthetische organische chemie of "organometalen". Vergeleken met andere parameters van het cursusonderwerp moet elke casusbasis worden overwogen om de beste optimale omstandigheden die onder de context werken adequaat te identificeren, waardoor maximale efficiëntie wordt gegarandeerd. Chemoregioselectiviteit tijdens transformaties maakt het mogelijk om selectieve functionele groepsformaties op specifieke posities van moleculen eenvoudig en in korte tijd te realiseren. Minimaliseer verspilling in arbeid, materialen en middelen en geef tegelijkertijd hoge prioriteit aan de uitrusting van veiligheidspersoneel. Vergeet niet dat in elke fase van de projectuitvoeringsfase, inclusief de levering van klanten op de meest succesvolle manier haalbaar is, ondanks obstakels en onvoorziene omstandigheden.
Voorbeelden van chemische synthese uit koolstofdioxide (CO2)
- Methanolsynthese: De Monsanto-methode, die de interactie van koolstofdioxide met waterstofgas in de aanwezigheid van een koper-zinkkatalysator omvat, kan methanol uit koolstofdioxide creëren. De productie van methanol uit koolstofdioxide kan worden bereikt door het te mengen met waterstof over een geschikte katalysator bij hoge temperaturen en druk (bijvoorbeeld 400–430 °C en 10–20 bar). De term "methanisering" is ook van toepassing op dit proces.
- Productie van mierenzuur: Met behulp van een elektrochemische cel en een palladium-koperkatalysator kan mierenzuur worden geproduceerd uit koolstofdioxide en waterstof.
- Omzetting in oxalaatzouten: Door chemische processen waarbij boor- en aluminiumverbindingen zoals borax of aluminiumoxidehydraat en andere zuren, waaronder zoutzuur of zwavelzuur, betrokken zijn, kan koolstofdioxide ook worden omgezet in oxalaatzouten.
- Polycarbonaten worden gemaakt door fosgeen te combineren met dihydrische alcoholen zoals ethyleenglycol in de aanwezigheid van katalysatoren zoals tintetrachloride of zinkchloride. Dit veroorzaakt polymerisatiereacties die resulteren in polymeren die voornamelijk bestaan uit koolstofdioxidemoleculen die verbonden zijn door zuurstofatomen (d.w.z. polycarbonaten).
- Koolzuursynthese: In een katalysator zoals zwavelzuur of fosforzuur, combineren koolstofdioxide en water zich om koolzuur te vormen. Het resultaat kan verbindingen zoals ureum en formaten vormen.
- Synthese van dimethylether: Dimethylether (DME) is een andere belangrijke verbinding die kan worden geproduceerd uit koolstofdioxide door gebruik te maken van katalysatoren voor de synthese van methanol en een reformingmiddel, zoals een mengsel van CO2/H2O of CO/H2, bij temperaturen tussen 350 en 400 °C en drukken tot 20 bar voor de omzetting van syngas in DME.
- Polycarbonaatproductie: Vanwege hun sterkte, duurzaamheid, transparantie, hittebestendigheid en elektrische isolerende kwaliteiten worden polycarbonaten vaak gebruikt in industriële toepassingen. Ze worden meestal gemaakt door bisfenol te transesterificeren met fosgeen, dat ontstaat wanneer koolstofdioxide reageert met chloorgas of een zoutzuuroplossing bij een hoge temperatuur (200–300 °C).
- Dimethylcarbonaat (DMC) synthese is een proces dat wordt gebruikt om de chemische verbinding dimethylcarbonaat te produceren. Het omvat het laten reageren van methanol met fosgeen of koolstofdioxide in de aanwezigheid van een basische katalysator zoals kaliumhydroxide of natriumhydroxide. De reactie produceert dimethylcarbonaat en waterstofchloride, dat vervolgens via destillatie uit het mengsel wordt verwijderd. Dimethylcarbonaat kan worden gebruikt als alternatief voor ethyleenglycol in antivriesformuleringen voor auto's en vliegtuigen, evenals voor talloze andere toepassingen, waaronder oplosmiddelen, weekmakers, drijfgassen en brandstoffen.
Hoe DEISO Kan u helpen met uw project Chemische synthese uit koolstofdioxide?
- DEISO biedt een breed scala aan professionele Life Cycle Assessment (LCA)-diensten om de milieu-impact te evalueren die verband houdt met chemische synthese van koolstofdioxide. Vind ze hier.
- Wij bieden ook Life Cycle Assessment (LCA)-adviesdiensten aan tegen een uurtarief.
- DESIO biedt ook chemische processimulatie van chemische synthese van koolstofdioxide met behulp van Aspen Plus. Meer informatie vindt u hier.
- Wij bieden ook trainingen aan over levenscyclusanalyse (LCA), de software en de gegevens.
- Wij bieden ook trainingen aan voor Aspen Plus.
