Καταλύτες στη Χημική Βιομηχανία
Η χημική βιομηχανία επηρεάζει όλες τις ζωές μας καθημερινά, από τα εξαρτήματα στην οθόνη που διαβάζετε αυτό το άρθρο μέχρι το λίπασμα που χρησιμοποιείται για την καλλιέργεια των τροφίμων που τρώμε.
Για να γίνει αυτό, αυτή η βιομηχανία βασίζεται σε μεγάλο βαθμό στην κατάλυση για τη μείωση των ενεργειακών απαιτήσεων ή τη βελτίωση της αποτελεσματικότητας της αντίδρασης, η οποία, με τη σειρά της, έχει τεράστια επίδραση στο περιβάλλον καθώς και στο τελικό κόστος για τους καταναλωτές. Για παράδειγμα, η παραγωγή λιπασμάτων (αμμωνία) καταναλώνει σήμερα περίπου το 1% της παγκόσμιας ενεργειακής μας κατανάλωσης — χωρίς κατάλυση, ο αριθμός αυτός θα ήταν αστρονομικός και η παγκόσμια παραγωγή τροφίμων θα ήταν πολύ περιορισμένη. Οι ερευνητές προσπαθούν συνεχώς να αναπτύξουν πιο αποτελεσματικούς καταλύτες που θα μειώσουν περαιτέρω τη ζήτηση ενέργειας, γεγονός που θα μειώσει το κόστος των λιπασμάτων και, στη συνέχεια, το κόστος των τροφίμων για τον καταναλωτή.
Αυτή η εστίαση στην έρευνα νέων καταλυτών είναι ο λόγος που οι περισσότεροι από εμάς έχουμε διαβάσει για νέες τεχνολογίες που υπόσχονται να βελτιώσουν την καθημερινή μας ζωή – μόνο για να μην τις δούμε ποτέ στην αγορά. Αυτό συμβαίνει συνήθως επειδή οι ερευνητές έχουν πολύ λίγες πληροφορίες σχετικά με τις δυνάμεις της αγοράς που διέπουν ποιες νέες τεχνολογίες εφαρμόζονται στη χημική βιομηχανία και ποιες όχι — επομένως δεν μπορούν να το συνυπολογίσουν στον προγραμματισμό της έρευνας. Το κόστος των υλικών είναι μία από αυτές τις δυνάμεις της αγοράς που έχει πρόσφατα διερευνηθεί. Δεδομένου ότι τα υλικά κοστολογούνται με την παραγωγή, είναι ιδιαίτερα σημαντικό για χιλιάδες έως εκατομμύρια τόνους ετησίως (εκατομμύρια έως δισεκατομμύρια λίβρες) προϊόντων στη χημική βιομηχανία.
Ερευνητές από το Τεχνικό Πανεπιστήμιο της Δανίας και ο βιομηχανικός συνεργάτης Haldor Topsøe ανακάλυψαν ότι οι βιομηχανικές καταλυτικές διεργασίες μπορούν να χωριστούν σε τρεις ομάδες υπολογίζοντας την ποσότητα του καταλύτη που καταναλώνεται σε σχέση με την παγκόσμια παραγωγή της πρώτης ύλης.
Η ομάδα Ι περιλαμβάνει διαδικασίες που χρησιμοποιούν λιγότερο από 0,01% των διαθέσιμων στοιχείων στους αντίστοιχους καταλύτες τους. Αυτή η ομάδα κρίθηκε εξαιρετικά βιώσιμη και περιλαμβάνει τους καταλύτες που χρησιμοποιούνται στην παραγωγή αμμωνίας και πολυμερών. Η ομάδα II χρησιμοποιεί μεταξύ 0,01-10 % των διαθέσιμων στοιχείων και περιγράφεται ως βιώσιμα, αλλά θα μπορούσε να ωφεληθεί από τη χρήση περισσότερων διαθέσιμων υλικών. Οι επεξεργασίες της ομάδας III κατανάλωσαν υλικό άνω του 10 % της παγκόσμιας παραγωγής στοιχείων. Αυτή η ομάδα περιλαμβάνει τον καταλυτικό μετατροπέα στα σύγχρονα αυτοκίνητα, ο οποίος χρησιμοποιεί πολύ ακριβά και σπάνια ευγενή μέταλλα όπως η πλατίνα και το παλλάδιο για τη μείωση των επιβλαβών εκπομπών. Οι συγγραφείς κατέληξαν στο συμπέρασμα ότι μόνο λόγω της επιβολής της περιβαλλοντικής νομοθεσίας οι διεργασίες της Ομάδας III μπορούσαν να χρησιμοποιήσουν ένα τόσο μεγάλο μέρος της παγκόσμιας παραγωγής στοιχείων.
Όταν οι ερευνητές υπολόγισαν το κόστος για τις βιομηχανίες για την αγορά αυτών των καταλυτών σε σχέση με τα εκτιμώμενα έσοδα από την πώληση των προϊόντων, διαπίστωσαν ότι προέκυψαν οι ίδιες τρεις ομάδες. Αυτό δείχνει ότι τόσο το κόστος όσο και η διαθεσιμότητα πρέπει να λαμβάνονται υπόψη κατά την αξιολόγηση της βιωσιμότητας ενός καταλύτη. Έχοντας κατά νου αυτή τη σχέση, οι ερευνητές μπόρεσαν να χρησιμοποιήσουν παραδείγματα πολλά υποσχόμενων καταλυτών από την επιστημονική βιβλιογραφία για να επεξηγήσουν πώς θα μπορούσε κανείς να υπολογίσει τη μέγιστη ποσότητα του προϊόντος που θα μπορούσε να παραχθεί προτού η διαθεσιμότητα του καταλύτη γίνει πιθανή ανησυχία.
Οι ερευνητές έδειξαν επίσης τον τρόπο υπολογισμού της ελάχιστης τιμής των προϊόντων που χρειάζονται, δεδομένης μιας συγκεκριμένης κλίμακας παραγωγής (τόνοι/έτος). Μαζί, αυτά τα εργαλεία επιτρέπουν στους ερευνητές να αποκτήσουν μια βελτιωμένη εικόνα της βιωσιμότητας των προτεινόμενων καταλυτών τους και να προτείνουν ποια στοιχεία δεν πρέπει να ληφθούν υπόψη λόγω της έλλειψης πρώτης ύλης.
Με βάση τα δεδομένα, η ομάδα των ερευνητών έδειξε ότι για να αξιολογηθεί η σκοπιμότητα νέων καταλυτών να επηρεάσουν τη χημική βιομηχανία και, τελικά, τους καταναλωτές, πρέπει να ληφθούν υπόψη πολλές μεταβλητές, αλλά υπάρχουν σχετικά απλοί συσχετισμοί που καθοδηγούν τη διαδικασία Ε&Α. Αυτή η εργασία δίνει τις πρώτες πληροφορίες για την ποσοτικοποίηση του πόσο σπάνιος πρέπει να είναι ένας καταλύτης για να είναι πολύ σπάνιος για μια εφαρμογή και δίνει στους υπόλοιπους την εκτίμηση ότι δεν είναι όλα τα στοιχεία εξίσου διαθέσιμα. Δίνει επίσης στους ερευνητές σε όλο τον κόσμο ένα εργαλείο για να καθοδηγούν την έρευνά τους προς στοιχεία με επαρκή διαθεσιμότητα που να επηρεάζουν θετικά τις κοινωνίες μας.
Αυτή η μελέτη περιγράφεται στο άρθρο με τίτλο:«Διαθεσιμότητα των στοιχείων για ετερογενή κατάλυση – πρόβλεψη της βιομηχανικής βιωσιμότητας των νέων καταλυτών Ε&Α», που δημοσιεύτηκε πρόσφατα στο Chinese Journal of Catalysis . Η εργασία διεξήχθη στο Τμήμα Φυσικής του Τεχνικού Πανεπιστημίου της Δανίας από τον Anders. B Laursen, Ib Chorkendorff και Peter C. K. Vesborg και στη δανική εταιρεία κατάλυσης Haldor Topsøe A/S του Jens Sehested.
