ЕЛЕМЕНТИ - захранващ материал от кислород

ТЕКСТ СВЪРЗАН КАЛТВАСЕР

Козметика, почистване, микроелектроника - водородният прекис подхранва иновативни приложения в химията от два века. Като допълнително гориво за ракети, комбинацията от водород и кислород сега също има важен принос за по-екологични космически пътувания.

ТЕКСТ СВЪРЗАН КАЛТВАСЕР

Беше залез преди три часа, сега джунглата е потопена в дълбока тъмнина. Нощта завършва при ограда от бодлива тел, която се простира през тропическия пейзаж. Зад него: космическа ракета с височина повече от 46 метра, покрита с ярка светлина от прожектори. Гласът на Directeur des Opérations се чува през високоговорителя, който съобщава за скорошния старт на френски: „À tous de DDO: Внимание излива се в минута минута.“

Космодрум Куру, Френска Гвиана, 6 ноември 2018 г., 21.46 ч. Местно време. Той работи в последната минута преди изстрелването на ракета "Союз", с която метеорологичният спътник "Metop-C" трябва да бъде изпратен на своето пътуване в космоса. На борда: водороден прекис (H₂O₂) от Evonik. Спектакълът може да се види на видео от космическата компания Arianespace. 20 секунди преди излитане: Светкавична светкавица запалва мощните двигатели, които трябва да вдигнат чудовището, което тежи повече от 300 тона, в небето. Рев и съскане, което набъбва. Ефективността се увеличава стъпка по стъпка, в крайна сметка бустерът и главният двигател изгарят повече от 450 килограма керосин и 1100 килограма течен кислород всяка секунда. Центърът за управление отново докладва: „Внимание за изчакване.“ Последните секунди текат. „... trois, deux, unité.“ Цялата платформа за изстрелване е обвита в оранжево сияние. „Отгоре, деколте ...“ Ракетата величествено се бута в небето. Тя лети с дъга, изкачва се все по-нагоре и нагоре. Около час след старта говорител на европейската метеорологична спътникова организация Eumetsat обяви, че първите сигнали от "Metop-C" са взети: мисията е успешна.

Водороден прекис:
Гъвкава връзка

Водороден прекис (H₂O₂) е бистро, безцветно течно съединение, направено от кислород и водород. Открит е през 1818 г. от Луис Жак Тенар, от това Бариев пероксид С азотна киселина нека реагира. Оттогава водородният прекис служи като мощен Окислител. Използва се при производството на избелващи агенти, например хартия, текстил или коса. Използва се и като дезинфектант и почистващ агент в домакинството. Водородният прекис се разпада на вода и кислород.

Луис Жак Тенар: Френски химик, 1777-1857
Бариев пероксид (BaO₂): химическа комбинация от барий и кислород
Азотна киселина (HNO₃): Кислородна азотна киселина
Окислител: Елемент или съединение, което окислява други вещества чрез приемане на електрони

Evonik изигра ключова роля в това: „Дори днес всяка ракета„ Союз “има около десет тона високочист, високо концентриран H₂O₂ на борда. Това задвижва турбо помпи, които натискат действителното гориво в горивната камера при високо налягане ”, съобщава д-р. Щефан Лайнингер, който отговаря за бизнеса с H₂O₂ за специални приложения в сегмента на ресурсната ефективност на Evonik. Десет тона, това все още е управляемо количество. Като един от водещите световни производители, Evonik може да произвежда повече от 950 000 тона водороден прекис всяка година на 13 места на шест континента.

Течната комбинация от водород и кислород е известна от два века (вж. Хрониката), но продължава да завладява нови пазари и днес. H₂O₂ и други пероксиди сега се използват в области, толкова разнообразни като полупроводниковата индустрия, производството на хартия или хранителната технология. „Това не на последно място се дължи на добрата екологична съвместимост на материала и неговата ефективност“, казва Лайнингер.

„Фактът, че H₂O₂ непрекъснато завладява нови пазари, се дължи на неговата добра екологична съвместимост и ефективност.“

Тези аспекти стават все по-важни и при космическите пътувания. Пазарът се разстройва: частни доставчици като SpaceX, водени от изобретателя на Tesla Илон Мъск, и конкурентите Blue Origin, OneWeb и Rocketlab, основани от шефа на Amazon Джеф Безос, продължават напред. 114 ракети излетяха през 2018 г. - повече от всякога досега за една година. В същото време средният размер на спътниците, които се носят в космоса от ракетите, се свива. Все по-често се използват така наречените наносателити (с маса до десет килограма) и микросателити (с маса до 100 килограма). До 2600 от малките изкуствени спътници могат да бъдат изстреляни през следващите пет години, според прогнозата на консултантската компания Spaceworks Inc. В същото време тенденцията е към по-малки ракети.

„Целият пазар е на път да премине през следващата еволюционна стъпка“, казва Лайнингер. „Поради лесното си боравене, H₂O₂ играе важна роля като гориво.“ Досега хидразинът или неговите производни са поели тази задача например. Подозира се обаче, че хидразинът причинява рак, поради което употребата му в ЕС може да бъде забранена в бъдеще. H₂O₂ ще бъде чиста алтернатива: когато влезе в контакт с подходящ катализатор, ракетното гориво се разлага, образувайки водна пара и кислород, генерирайки много топлина.

ЗЕЛЕНА РАКЕТИЯ

H₂O₂ подхранва световна тенденция: под крилатата фраза „Зелена ракета“ много играчи се опитват да направят космическите пътувания по-устойчиви и по-екологични. В допълнение към икономическите аспекти това е и цел на подготвителната програма за бъдещи изстрелватели (FLPP), в която Европейската космическа агенция ESA изследва технологии за следващото, но едно поколение ракети. „Екологичните горива са важни за нас“, казва Ян Вьорнер, генерален директор на Европейската космическа агенция (вж. Интервю). Космическата агенция от много години насърчава устойчивото развитие на земята и ще продължи да го прави и в бъдеще.

Проектът „Hyprogeo”, финансиран от Европейската комисия като част от рамковата програма за научни изследвания „Хоризонт 2020” (номер на финансиране: 634534 HYPROGEO), дава възможност за стъпка в тази посока. Целта беше да се конструира хибриден ракетен двигател, който изгаря полиетилена с твърдо гориво и използва водороден прекис като окислител. „Нашата задача като партньор по проекта беше да произведем възможно най-високата концентрация на H₂O₂“, обяснява Лайнингер. Evonik разработи процес специално за тази цел, който осигурява веществото в концентрация до 98 процента - максимална стойност за индустриалното производство. „Докато действителният производствен процес за H₂O₂ води до 40 до 50% разтвор, желаната крайна концентрация се постига чрез последваща дестилация и кристализация“, обяснява Leininger.

Използване при възстановяване на почвата и пречистване на отпадъчни води

Водородният пероксид също така развива своята иновативна сила в екологични приложения като възстановяване на почвата или пречистване на отпадни води. В САЩ пречиствателните станции често хлорират третирани отпадъчни води, преди да ги изхвърлят обратно в реки или езера. От няколко години EPA (Агенция за опазване на околната среда) насърчава използването на алтернативни методи. Това включва третирането на отпадъчните води с H₂O₂ или пероцетна киселина (PAA). Екологично решение, тъй като при използването на двата пероксида единствените странични продукти са водата и лесно биоразградимата оцетна киселина.

Като силен окислител пероксидите се борят с микробите, присъстващи в отпадъчните води. Вирусите, бактериите и другите микроби се убиват чрез неспецифични механизми на действие. „Пероксидите проникват в клетъчната обвивка на микроорганизмите и я променят, така че да загуби бариерната си функция“, казва експертът на Evonik Leininger. Освен това ензимите вътре в клетката се окисляват и по този начин необратимо се увреждат. И двете карат метаболизма на клетките да се срине. По-специално PAA се доказа като мощен дезинфектант. Само една стотна от съответната доза H₂O₂ има подобен ефект. „Поради липофилните свойства на ацетилната част на молекулата, PAA може да проникне в клетъчната мембрана особено лесно“, обяснява Leininger. В допълнение, PAA - за разлика от H₂O₂ - не може да бъде разграден от специален ензим, микробна каталаза. Следователно механизмите за устойчивост срещу PAA все още не са известни.

Толкова е зелено благодарение на H₂O₂

използвайки вода, въздух и електричество

Все повече общини в САЩ оценяват тези предимства. Преди няколко години например 650 000-обитаващият град Мемфис взе фундаменталното решение да използва PAA за пречистване на отпадъчни води отсега нататък. Отговорните се споразумяха с американската компания PeroxyChem за дългосрочен договор за доставка с безусловни задължения за плащане. В резултат на това производителят на пероксид започна да планира нова фабрика за PAA в региона преди две години. В началото на ноември 2018 г. Evonik обяви, че ще поеме PeroxyChem.

Пероксидите като H₂O₂ и PAA не само намаляват зародишното натоварване. Те също така елиминират лошо разградими органични микроелементи, които биха могли да създадат проблем при заустване на отпадъчни води в повърхностни води. В допълнение, водородният прекис се използва за детоксикация на отпадъчни води, съдържащи цианид, като тези, които се срещат в галванични инсталации, втвърдяващи цехове, в горния газ на доменните пещи или в мини. H₂O₂ окислява цианида до цианат, който се хидролизира до амоняк и въглеродна киселина. В галваничните инсталации водородният пероксид също се използва за повторно окисляване на азотните оксиди, които се получават от азотната киселина в процеса на ецване до азотна киселина.

С някои замърсители само H₂O₂ не може да направи нищо. Например, когато става въпрос за отстраняване на бензоли или феноли от отпадъчните води, химиците прибягват до трик: водородният пероксид се разделя на хидроксилни радикали (• OH) или чрез двувалентни железни йони (Fe² +), UV радиация или озон. Този радикал е един от най-мощните окислители и реагира с почти всички органични съединения.

Водороден прекис:

201 години иновации