Proekologiczny materiał polimerowy dla przemysłu

Na Uniwersytecie Warszawskim opracowano metodę wytwarzania nowego typu polimerów koordynacyjnych do zastosowania w przemyśle. Materiał pochłania dwutlenek węgla i jednocześnie funkcjonuje jako ekologiczny katalizator reakcji chemicznych. Podczas takich reakcji skumulowany w kryształach polimeru dwutlenek węgla jest utylizowany, stając się substratem do produkcji organicznych węglanów.

Zespół badaczek z Wydziału Chemii UW pod kierownictwem prof. Elżbiety Megiel odkrył sposób wytwarzania nowych materiałów polimerowych zdolnych do absorpcji dwutlenku węgla i jednocześnie posiadających adekwatności katalityczne. Materiały te należą do grupy polimerów koordynacyjnych (MOF – z ang. metal-organic frameworks) o wysokiej porowatości. Twórczynie technologii wiedzą, jak wytwarzać je prostą metodą, używając powszechnie dostępnych i niedrogich substratów.

Ekologiczny materiał

– Opracowaliśmy nowy materiał, który jest katalizatorem reakcji chemicznych. Przy zastosowaniu różnego rodzaju epoksydów pozwala on wytwarzać w prosty sposób cenne dla przemysłu organiczne węglany, bez konieczności użycia toksycznych substancji. To oznacza pewien przełom, ponieważ dotychczas w przemysłowe procesy produkcji organicznych węglanów wpisane były metody szkodliwe dla środowiska. Nasz nowy materiał może umożliwić odejście od tych praktyk i pozyskiwanie w przyszłości węglanów w ekologiczny i bezpieczny sposób – mówi prof. Elżbieta Megiel.

Twórcy technologii podkreślają, iż zastosowana w utylizacji CO₂ reakcja chemiczna charakteryzuje się stuprocentową efektywnością atomową, a to oznacza, iż jako metoda bezodpadowa jest wyjątkowo ekologiczna. Dzięki zastosowaniu opracowanych katalizatorów, które są wysoce selektywne, pozwala uzyskiwać produkty o bardzo wysokiej czystości. Chodzi tu m.in. o organiczne węglany produkowane w tej chwili na skalę przemysłową do wielu zastosowań (np. elektrolity w bateriach litowo-jonowych, składniki preparatów kosmetycznych i farmaceutycznych czy substraty do otrzymywania biodegradowalnych polimerów).

Utylizacja CO₂

W odkrytej technologii najważniejszy jest aspekt ekologiczny. Materiały o tak wysokiej porowatości (ich powierzchnia adekwatna wynosi od 400 do 700 metrów kwadratowych na każdy gram substancji) silnie adsorbują dwutlenek węgla. Można to porównać do wchłaniania wody przez gąbkę. Kryształy tych polimerów, adsorbując CO_2, nie tracą swoich adekwatności katalitycznych. Można je więc użyć jako katalizatorów w reakcjach, w których CO₂ staje się substratem i jest zutylizowany.

– Te nanostruktury, które mają postać proszku lub sprasowanych pastylek, można użyć już po pochłonięciu CO_2, w reaktorach chemicznych, gdzie uwięziony dwutlenek wchodzi w reakcję z epoksydami węgla i tworzy organiczne węglany. Tym samym następuje jego utylizacja. jeżeli zastosujemy epoksyd pozyskiwany z materiałów odnawialnych, np. tlenek etylenu, tlenek limonenu czy tlenek α-pinenu, które mogą być pozyskiwane z biomasy, to trudno o bardziej ekologiczny rezultat. Wykorzystujemy w ten sposób odpadowy CO₂ na bazie zasad zrównoważonego rozwoju – wyjaśnia prof. Elżbieta Megiel.

To, jaki węglan organiczny powstanie w wyniku zastosowania opracowanych katalizatorów, zależy od rodzaju epoksydu wykorzystanego jako podstawa reakcji chemicznej. Ważne jest to, iż po zakończeniu reakcji katalizator można w łatwy sposób w pełni odzyskać do ponownego użytku, nie traci on bowiem swoich adekwatności katalitycznych po kilkukrotnym zastosowaniu. W trakcie badań rozwojowych zespół twórców potwierdził stabilność odkrytych nanomateriałów do temperatury 400^oC. Można je przechowywać w normalnej atmosferze i szerokim zakresie temperatur. Można z nich też wielokrotnie korzystać.

Komercjalizacja

Technologia została objęta ochroną patentową w Polsce i za granicą. Jej komercjalizację prowadzi Centrum Transferu Technologii i Wiedzy UW. Twórcy planują nawiązać współpracę z przedstawicielami przemysłu, by dokonać dalszych testów i docelowo wdrożyć rozwiązanie do użytku.

– Na tym etapie zależy nam na podniesieniu gotowości technologicznej wynalazku. Wykazuje on wysoką efektywność w kontrolowanych warunkach laboratoryjnych, natomiast do przeprowadzenia pełnych testów w skali przemysłowej potrzebny nam jest partner z zewnątrz. Zespół twórców gotowy jest współpracować z partnerami na dalszych etapach prac badawczych i wdrożeniowych – mówi prof. Przemysław Dubel, dyrektor CTTW UW.

Pochłaniacz CO₂?

Ze względu na to, iż odkryte materiały adsorbują z powietrza dwutlenek węgla, potencjalnie można je wykorzystywać jako pochłaniacze tego cieplarnianego gazu. Twórcy technologii zastrzegają jednak, iż raczej materiał ten należy rozpatrywać jako jedną z wielu dostępnych opcji, ponieważ na rynku istnieją materiały i substancje o wyższej skuteczności w pochłanianiu CO₂, jak na przykład polietylenoimina oraz etylenodiamina. Jednakże w przypadku amin nie jest możliwa utylizacja CO₂ bezpośrednio do użytecznych produktów, jakimi są w przypadku opracowanej na UW metody cykliczne węglany organiczne.

– Mogę sobie wyobrazić, iż docelowo nasza technologia jest wykorzystywana do adsorbcji CO₂ na przykład z gazów odlotowych pochodzących z produkcji przemysłowej czy produkcji energii, a następnie materiał ten trafia na linie produkcyjne organicznych węglanów. Z technicznego punktu widzenia nie ma przeciwwskazań czy ograniczeń, by tak się stało. Dziś jednak ważne jest to, by nową technologią zainteresowali się potencjalni partnerzy, którzy poddadzą ją testom w skali przemysłowej i pomogą ją wdrożyć do powszechnego zastosowania – dodaje prof. Elżbieta Megiel.