2015. október: jegyzet, robotika, portré, tudomány, it, öntészet, egyetem, anyagtudomány, innováció, paragrafus, kiállítás/konferencia, disszemináció, megújuló energia, zöldkörnyezet, vízgazdálkodás, lézer

Biomasszából érték

2013-ban az MTA Természettudományi Kutatóközpont Anyag- és Környezetkémiai Intézete (MTA TTK AKI) 455 millió forintot nyert biomasszával kapcsolatos kutatásokra. A KTIA_AIK_12-1-2012-0014 jelű, a „Megújuló energiaforrások újszerű felhasználása és korszerű energiatároló eszközök fejlesztésére alkalmas innovatív eljárások tudományos megalapozása” című pályázat idén októberben befeje­ződött. Az eredményekről a résztvevőket kérdeztük.


A felismerés, hogy a fosszilis szénforrások széles körű felhasználása az ember legsúlyosabb környezetkárosító tevékenysége, a megújuló szénforrások hasznosítása felé fordította a figyelmet – tájékoztatta magazinunkat Lendvay György professzor. Megújuló szénforrások a szén-dioxid és a biomassza. A biomassza a napenergiát kémiai formában tárolja. Elégetésekor a kémiai energiát hő formájában nyerjük ki, miközben széntartalmát szén-dioxiddá oxidáljuk. A növényzetet tekinthetjük „energiaátalakító gépnek”, mely a napenergiát a szén-dioxid átalakítása, redukálása révén kémiai energiává alakítja és tárolja. Természetesen vannak olyan „energiaátalakító gépeink”, melyekben más energiaformákat, például nukleáris energiát tudunk kémiai energiaként tárolni, például a szén-dioxidot szénforrásként alkalmazva.

„Az eredeti cél annak bizonyítása volt, hogy a cellulózalapú biomasszából energiatermelésre alkalmas köztitermékek, illetve bioüzemanyagok és vegyi anyagok előállítására alkalmas termékek készíthetők. Ezt a feltevést az elmúlt két év alapkutatásaival igazoltuk” – tudtuk meg Szépvölgyi János professzortól, a projekt vezetőjétől. Az elmúlt években étkezési célra nem használható fafélékkel és energianövényekkel dolgoztak – összesen hatféle biomasszát vizsgáltak.

A projekt két alapvető tanulsággal szolgált. Az egyik, hogy érdemes olyan kezdeményezéseket, projekteket elindítani, amelyekben különböző, egymással lazán kapcsolódó témák jelennek meg, mert idővel a témák közti együttműködés élővé válik, kölcsönösen segítik egymás eredményeinek megszületését. (Ebben a programban az Anyag- és Környezetkémiai Intézet csaknem valamennyi kutatócsoportja részt vett – ez volt az első projekt, ahol szinte az egész intézet pályázott.)

A program másik fontos üzenete, hogy az összefogás a kutatás hatékonyságát is növeli. A befektetett összeg koordinált szervezés esetén jobban hasznosul, az egy kutatóra jutó támogatás összege jelentősen meghaladja azt, mint amikor az egyes egységek önállóan pályáznak saját témáikkal. A szinergikus hatás jól érvényesült az együttműködésben és az eredményekben is. A kétéves kutatás során nagyon sok olyan eredmény született, ami azt támasztja alá, hogy a biomasszára alapozott energia- és vegyianyag-termelés ipari méretekben is működőképes eljárás lehet. A laboratóriumi eredmények egyértelműen igazolják az előzetes koncepciót, ezen az úton kell továbbmenni.

„A növényi biomassza energiatermelésre hasznosítható nyersanyag, mely termeszthető közvetlen energetikai célokra, emellett a mezőgazdaság melléktermékei is jelentős mennyiségben rendelkezésre állnak. A biomassza anyagokból termokémiai, biokémiai és agrokémiai eljárások segítségével energiahordozók állíthatók elő” – tájékoztatott Czégény Zsuzsanna, a biomassza hőkezeléssel történő átalakítás alprogram céljáról. A termokémiai átalakítás egyik formája a biomasszaanyagok enyhe pirolízise, az úgynevezett torrefaction. A növényi anyagok 200 és 300 Celsius-fok közötti hőkezelésével oxigénmentes atmoszférában olyan tüzelőanyagokat kapunk, amelyek a további felhasználás szempontjából előnyösebb tulajdonságúak a kiindulási anyagoknál. Az előkezelés hatására a biomassza fűtőértéke lényegesen megnő, emellett ellenállóbb a baktériumok és gombák okozta biodegradációval szemben. A torrefaction további előnye, hogy megbontja a biomassza szálas szerkezetét, így a hőkezelt minta könnyebben, kevesebb energiabefektetéssel aprítható. A hőkezelés hatására a különféle biomassza-alapanyagokból egységesebb tulajdonságú anyagok nyerhetők, ezáltal ipari berendezésekben történő feldolgozásuk is hatékonyabb. A biomasszaanyagoknál annak az optimális hőmérsékletnek és tartózkodási időnek a megtalálása a cél, ahol a minta nedvességtartalma és extrahálható szervesanyag-tartalma már eltávozik a mintából, és a hemicellulóz savasságot okozó acetátcsoportjai már leszakadnak. Fontos azonban, hogy a minta cellulóz- és lignintartalma lényegében ne sérüljön az adott hőmérsékleten, mert az jelentős energiaveszteséget jelentene.
Munkájuk során Magyarországon nagy mennyiségben keletkező növényi biomasszaanyagokat és mezőgazdasági mellék­termékeket vizsgáltak. Akác-, búzaszalma-, repceszalma- és kukoricaszár-mintákon végeztek kísérleteket, hogy meghatározzák az egyes növényi anyagokhoz tartozó optimális kezelési körülményeket. Megállapították, hogy az akác 250 Celsius-fokos, egyórás hőkezelése során a minta nedvesség- és illóanyag-tartalma távozik, de lignin- és cellulóztartalmának fő tömege nem módosul. A lágyszárú biomasszaanyagok hasonló mértékű degradációjához mintegy 25 Celsius-fokkal alacsonyabb hőmérsékletet kell beállítani, mivel azok magas alkáliion-tartalma katalizálja a minta cellulóz- és lignintartalmának hőbomlását is.

A projekt második feladatkörében eljárásokat fejlesztettek ki folyékony üzemanyag előállítására biomasszából, továbbá azt vizsgálták, hogy az üzemanyagjelöltek a környezetbe kerülve okozhatnak-e károsodást.
„A növényolajok és zsírok alkoholokkal (metanol, etanol, propanol és butanol) végzett átészterezési reakcióit vizsgáltuk különféle ioncserélő gyanták, mint heterogén katalizáto­rok jelenlétében, a gyantafázisban biztosítva a homogén ka­talitikus reakciókörülményeket, megtartva a heterogén katali­zá­torok azon előnyét, hogy könnyen elválaszthatók a reakciótermékektől” – tudtuk meg Kótai Lászlótól, aki munkatársaival biodízel-üzemanyag előállítására keresett új megoldást.
A káliumformájú karboxilát kationcserélő gyanta katalizátorokkal különböző alkoholok jelenlétében vizsgálták a gyantafázison belüli alkoholát – mint katalizátor – képződés lehetőségét. Bázikus anioncserélő gyantákkal, hidroxidformában az átészterezés lehetőségét, valamint kombinálva a savas/bázikus gyantákat, a hidrolízis (karbonsavképződés) és észterezés lehetőségét is tanulmányozták.

„A harmadik alprojektben nagyobb (5-11) szénatomszámú szénhidrogének biomasszából kiinduló előállítására alkalmas katalizátorok fejlesztésére vállalkoztunk” – tájékoztatott Valyon József. A kutató számára kihívás, hogy a növényi anyag lig­no­cel­lulózt ne csak szén-dioxiddá, vízzé és hőenergiává, hanem értékes vegyi anyagokká és olyan energiahordozókká alakítsa át, melyek kémiai energiája számunkra kedves energiaátalakító gépeinkben, például gépkocsijainkban vagy repülőgépeinkben mechanikai energiává, mozgássá alakítható át.
Az új, környezetbarát anyagok közül mindinkább előtérbe kerülnek az ún. második generációs (2G) bioüzemanyagok és megújuló szerves vegyipari alapanyagok, amelyek előállíthatók emberi fogyasztásra nem alkalmas biomasszából, és így nem jelentenek konkurenciát az élelmiszer-termelésnek. Az ilyen anyagok fő tömege a lignocellulóz, amely ligninből, cellulózból és hemicellulózból áll. Átalakításuk első lépése a polimer lebontása, elsősorban kémiai vagy biológiai (enzimes) módszerrel. A lebontás termékei cukrok és cukor dimerek és oligomerek. Utóbbiakból egyszerű kémiai eljárással és nagy hozammal állítható elő levulinsav. A projekt keretében heterogén katalizátort és szelektív katalitikus hidrokonverziós eljárást fejlesztettek ki, amellyel a levulinsaból két, illetve egy oxigénatomot tartalmazó cseppfolyós termék – valerolakton, illetve 2-metil-tetrahidrofurán állítható elő. A termékek oldószerként, és a kiindulási anyagoknál nagyobb kalorikus értékük miatt, üzemanyag-komponensként is hasznosíthatók.
A cukrok fermentálásával rövid szénláncú alkoholokat és ketonokat például etanolt, izopropanolt, acetont és butanolt (oxigenátokat) lehet előállítani. A kettő-négy szénatomos molekulák legfeljebb benzinhelyettesítőként vagy benzinadalékként alkalmazhatók, dízelolaj-helyettesítőként nem. A projekt keretében heterogén katalizátorokat és katalitikus eljárást fejlesztettek a rövidszénláncú oxigenátok összekapcsolására és öt-tizenegy szénatomos szénhidrogének előállítására.

A megújuló tüzelőanyagok reformálásának vizsgálata plazmakörülmények között címet viselő alprojekt kapcsán Károly Zoltán arra hívta fel a figyelmet, hogy a hidrogén és a hidrogénben gazdag gázok, valamint a szintézisgáz iránti igény az iparban és a közlekedésben (például tüzelőanyag-celláknál) egyre növekszik. A hagyományos termikus technológiákon alapuló hidrogén-előállítás hátrányai a viszonylag alacsony termelékenység, a nagy energiaigény, továbbá az, hogy nagyméretű berendezésekre van szükség. Ezzel szemben a nem-egyensúlyi, úgynevezett hideg plazmák – a bennük nagy számban jelen lévő, nagy kémiai aktivitású ionok és gyökök miatt – kis fajlagos energiafelhasználással nagy átalakítási fokot tesznek lehetővé, miközben az előállított hidrogén mennyisége könnyen igazítható a mindenkori szükségletekhez. Kutatásaikban a megújuló energiaforrásként használt biomasszák különféle hasznosítási módszerei során keletkező gáz-, illetve folyadékállapotú energiahordozók – főként a metán, etanol – nem-egyensúlyi plazmatechnológián alapuló átalakítását tanulmányozták. Az egyszerű disszociációt és a szén-dioxid jelenlétében végzett részleges oxidációt egyaránt vizsgálták. A metán bomlásakor döntően hidrogént és acetilént kaptak közel 70 százalékos konverzió mellett. A szelektivitás hidrogénre csaknem kétszerese, míg a hidrogénkoncentráció többszöröse volt az acetilénre kapott értéknek. A koromképződést sikerült teljesen elkerülni. A metán parciális oxidációjakor szintézisgáz keletkezett. Az 50–90 százalék között változó konverzió értéke a beadott gázok áramlási sebességétől, illetve a fajlagos energiafelhasználástól, valamint kisebb mértékben a gázkeverék összetételétől függött. A keletkező szintézisgázban a víz/szén-monoxid arány 1–3,5 között változott, ugyancsak a kiindulási gázok összetételétől függően. A hidrogén szelektivitás legnagyobb, 80–90 százalék közti értékeit 1:1 metán/szén-dioxid mólarány mellett érték el. Az etanol bontásával ugyancsak kiemelkedő szintézisgáz-konverziót sikerült elérni.
A biomasszák termikus plazmával történő bontását is vizsgálták. A módszer előnye, hogy a plazmákban uralkodó rendkívül magas hőmérséklet hatására a beadagolt alapanyag teljes egészében elbomlik, és a parciális oxidációban kátrány megjelenése nélkül és minimális koromképződés mellett képződik szintézisgáz. A módszer hátránya – szemben a nem-egyensúlyi plazmákkal – az eljárás nagyobb energiaigénye.

A Második generációs bioüzemanyagok és megújuló szerves vegyipari alapanyagok légkörkémiája: reakciókinetikai, foto­kémiai és égéskémiai kutatások címet viselő alprojekt része volt az Anyag- és Környezetkémiai Intézet egyik kutatási fókuszterületének, ami az Új, környezetbarát anyagok kutatása-fejlesztése címet viseli, és egyebek mellett az új anyagok klímaváltozásra és levegőminőségre gyakorolt hatásának vizsgálatával foglalkozik. Dóbé Sándor arról tájékoztatta magazinunkat, hogy a kísérleteikben meghatározott reakciókinetikai és fotokémiai paraméterek bemenő adatokként szerepelnek a légkör és az égések számítógépes modelljeiben, amelyek hozzájárulnak egyes környezetvédelmi intézkedések tudományos megalapozásához. Reakciókinetikai és fotokémiai vizsgálataikat egyedi fejlesztésű kutatási eszközökkel végezték, amelyekben központi szerepet kapnak az impulzuslézerek.
Kutatásaik modellmolekulái, a különböző gyűrűs és nyílt szénláncú észterek és éterek a már említett biomassza eredetű levulinsavból állíthatók elő. Üzemanyagként és vegyipari nyersanyagként is felhasználhatók.
Az új bioanyagok használatuk során óhatatlanul kikerülnek a légkörbe. Légköri lebomlásuk legfontosabb kezdeti lépése az OH-gyökkel végbemenő reakció, illetve gyakran a fotolízis. Ennek megfelelően tanulmányozták a „levulinsav családba” tartozó különböző bioanyagok OH-reakcióinak kinetikáját és fotokémiáját, legrészletesebben a γ-valerolakton (GVL) esetében. A GVL egy 5-szénatomos gyűrűs észter, amelynek számos kedvező fizikai és kémiai tulajdonsága van, egyebek között kiváló „zöld oldószer”. A kísérletek során megállapították, hogy GVL viszonylag nagy sebességgel reagál az OH-gyökkel, ennek megfelelően légköri élettartama viszonylag rövid, mintegy tíz nap. Emiatt légköri felszaporodásával nem kell számolni.
A Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem kutatóival közösen végzett motorikus vizsgálatok alapján megállapították, hogy a GVL előnyösen használható dízelüzemanyagok adalékaként: csak kismértékben csökkenti a teljesítményt, nem befolyásolja az NOx és szén-monoxid-emissziót, ugyanakkor látványosan csökkenti a koromkibocsátást.

A reakciókinetikai vizsgálatokhoz szorosan kapcsolódó al­projektben, Lendvay György vezetésével, elméleti kémiai vizsgálatokkal támasztották alá a GVL-lel kapcsolatos kísérleti eredményeket. Megállapították több reakció mechanizmusát és elsődleges termékeinek eloszlását. A mérési adatokat kiegészítették a szénhidrátlebontáskor keletkező furfural és 5-hidroximetil-furfural hasonló reakcióira, illetve fotokémiai tulajdonságaira vonatkozó számítási eredményekkel.

A Katalizátorok fejlesztése a biomasszából előállított szintézisgáz tüzelőanyag-cellákban történő felhasználásához című alprojekt célja eszközök kifejlesztése elektromos energia előállítására és tárolására. E vizsgálatok egyik részében a kémiai energiát nagy hatásfokkal, környezetbarát módon elektromos energiává átalakítani képes polimer elektrolit membrános (PEM) tüzelőanyag-cellák kifejlesztéséhez kívántak hozzájárulni.
A Tompos András vezette kutatás arra irányult, hogy kiküszöböljék a tüzelőanyag-cellák katalizátorainak hiányosságait. A PEM cellákban többnyire platinatartalmú elektrokatalizátorokat alkalmaznak. A felhasznált elektrokatalizátorok szén-monoxid-tűrésének növelése kulcsfontosságú, mert a hidrogén-üzemanyag általában tartalmaz néhány ppm szén-monoxidot. Az elektródok aktivitásának csökkenése mögött a katalizátorhordozó (aktív szén) korróziója is állhat. A projekt egyik eredménye újfajta, szén-monoxid-tűrő, stabil, titán-volfrám vegyes oxid alapú elektrokatalizátor kifejlesztése. A volfrám-oxidok jelentősen növelik a szénhordozós platina (Pt/C) elektrokatalizátorok szén-monoxid-tűrését, de könnyen kioldódnak savas környezetben. A volfrám stabilizálását a rutil (titán-oxid) rács volfrámmal történő módosításával érték el, míg a vezetőképességet és korrózióálló­ságot aktív szén-titán-volfrám vegyes oxid kompozit kialakításával biztosították. Az újfajta kompozitok előállítására többlépcsős szintézist dolgoztak ki. Megmutatták, hogy a rutil fázis szobahőmérsékleten történő kialakulása aktív szén jelenlétében előfeltétele a volfrám beépülésének. Élettartam-vizsgálatokban 66 óra után az új, kompozithordozós katalizátor jelentősen stabilabbnak bizonyult, mint a hagyományos, platinaalapú katalizátor.

A Különleges polimerek előállítása biomasszák hasznosításához kapcsolódóan című alprojekt keretében az MTA TTK AKI Polimer Kémiai Kutatócsoport munkatársai Iván Béla professzor irányításával olyan szintetikus polimereken alapuló innovatív anyagi rendszerek fejlesztését tűzték ki célul, amelyek hasznosak lehetnek az energiatermelésben, illetve -tárolásban megvalósuló jövőbeni fejlesztéseknél. A projekt keretében vizsgált egyik anyagi rendszert az N-vinilimidazol-tartalmú amfifil polimer kotérhálók jelentették, amelyek újfajta protonvezetőként történő felhasználását tanulmányozták. Ennek során feltérképezték termikus stabilitásukat és duzzadási jellemzőiket, vizsgálták szerkezetüket és vezetőképességüket. Kutatásaik másik iránya a lítiumion-elemek következő generációiban potenciálisan használható poli(poli(etilén-glikol)-metakrilát)-tartalmú kotérhálók lítiumion-vezetésének vizsgálata volt. Ennek keretében nemzetközi együttműködést építettek ki a németországi Marburgban található Philipps Egyetemmel. Emellett előállítottak arany nanorészecskéket tartalmazó polimer kotérhálókat is, amelyek a hidrogénalapú tüzelőanyag-cellákhoz szükséges hidrogéntisztítási eljárásokban katalizátorként tölthetnek be jelentős szerepet. Vizsgálatokat folytattak továbbá teljesen újszerű, amfifil kotérhálóba ágyazott elektronvezető polimerekkel is, amelyek a nagy kapacitású szuperkondenzátorok új családját alkothatják.

A Biomasszából előállított elektromos energia tárolása: szuperkondenzátorok fejlesztése néven futó alprojekt résztvevői olcsó alapanyagból kiindulva hosszú távon is stabilan működő szuperkondenzátorokat hoztak létre, melyek több százezer ciklusban magas hatásfokkal kisüthetők; nagy fajlagos kapacitással, energiasűrűséggel és teljesítménysűrűséggel jellemezhetők. Nyikos Lajos arról tájékoztatta magazinunkat, hogy reakciókinetikai vizsgálatokhoz szorosan kapcsolódó elektrokémiai vizsgálati módszerekből összeállított protokollja segítségével kiválasztották a szuperkondenzátor elemeit: a megfelelő szénszövetet, oldószert, vezető sót és szeparátort, továbbá optimalizálták a kialakított gombelem fém alkatrészeinek számát és elrendezését.

Szénszövetek elektronmikroszkópos képe
Szénszövet alapú szuperkondenzátor összeállítása
Miniatűr szuperkondenzátor

Kimagaslóan jó eredményeket értek el úgy, hogy a szuperkondenzátor energiatároló elemén, a szénszöveten gőzöléssel vékony fémbevonatot alakítottak ki. Az eljárás segítségével a szénszövet nagyobb felülete vált elérhetővé a töltéshordozók számára, meg­növelve ezzel annak fajlagos kapacitását és az energiasűrűséget. A fémbevonat további előnye, hogy a gombelem fém alkatrészeivel ilyen módon kialakított fémes kapcsolat révén egy nagyságrenddel sikerült csökkenteni a rendszer soros ellenállását, aminek eredményeképpen jelentősen növekedett a teljesítménysűrűség.

Szépvölgyi János szerint a kutatásokkal olyan újabb pályázatokat is megalapoztak, amelyeknél már nemcsak alap-, hanem alkalmazott kutatás és gyártási eljárások fejlesztése a fő cél. Emellett a projekt újabb nemzetközi együttműködési lehetőségeket is előkészített – ilyen pályázatok már születtek, de még nem tudni, hogy miként döntenek róluk a hazai és a nemzetközi pályázatok ítészei. Az eddigi eredmények egyértelműen indokolják a további fejlesztéseket.
Az intézet munkatársai egyértelműen igazolták, hogy a bio­masszából energiatermelésre felhasználható köztitermékek, valamint katalitikus eljárásokkal vegyipari köztitermékek és végtermékek is készíthetők. A program fontos elemeként új típusú katalizátorokat fejlesztettek tüzelőanyag-cellákhoz: a nagyon drága és egyre nehezebben hozzáférhető platina- és palládiumalapú katalizátorokat olcsóbb, vegyes-oxid típusú katalizátorokkal váltották ki. Szuperkondenzátorok fejlesztése is a munka része volt – ezek olyan speciális kondenzátorok, amelyek nagyon gyorsan, nagy energiatartalomra tölthetők fel, így belőlük új típusú energiatároló eszközök születhetnek.
Az eredmények kijutottak az intézet falai közül – közlemények, szabadalmi bejelentések születettek. Az elektromos hajtású járművek hazai elterjesztését felvállaló Jedlik Ányos Klaszter tagjaként a kutatók ipari partnerekkel is kapcsolatba kerültek.
„Alapvetően sikeres kutatási program volt” – summáz a programvezető. Nemcsak szakmai, hanem gazdasági szempontból is, mert a pályázati pénzből az intézet működését megfelelő szinten tudták biztosítani. A Közép-magyarországi régióban található intézetként ugyanis számos hazai pályázatra nem jelentkezhetnek – legfeljebb alvállalkozóként vehetnek részt a kevésbé fejlett régiókra kiírt pályázatokban. „De lesz folytatás” – ígéri Szépvölgyi János.•

 
Innotéka