Csodát művel a napfénnyel egy reaktor

A fertőtlenítőnek, víztisztítószernek és fehérítőnek használt hidrogén-peroxid előállítását teljesen környezetbaráttá teszi a napelemről működtethető, csak vizet és levegőt igénylő berendezés.

A mindennapi életben és az iparban egyaránt széleskörűen felhasznált hidrogén-peroxid a Rice University-n kifejlesztett módszernek köszönhetően mostantól sokkal biztonságosabban és tisztábban gyártható. A Rice mérnöki tanszékén dolgozó Haotian Wang és munkatársai által kidolgozott reaktor a kívánt koncentrációban és nagy tisztasággal állítja elő a hidrogén-peroxidot, működéséhez pedig pusztán vízre, levegőre és elektromosságra van szükség.

Az elektroszintetikus folyamatban, melynek részleteit a szerzők a Science folyóiratban taglalják, oxidált szén nanorészecske-alapú katalizátor segíti a víz és a levegő oxigénje közötti reakciót.

Az újfajta gyártási eljárás révén a tiszta hidrogénperoxid-oldat közvetlenül a felhasználási helyén előállítható, ami feleslegessé teszi a veszélyes anyagnak számító tömény hidrogén-peroxid szállítását.

Sőt, azáltal, hogy a reaktor a hagyományos folyadék-elektrolit helyett szilárd elektrolitot használ, szükségtelenné válik a jelenlegi gyártási folyamatokra jellemző termékelválasztás és -tisztítás is, mert nem kerülnek szennyező ionok a rendszerbe.

Ha az elektromosságot napenergiából nyerjük, akkor a hidrogén-peroxidot szó szerint pusztán napfényből, levegőből és vízből elő tudjuk állítani

– emelte ki Wang. – Semmi szükség szerves vegyületekre, sem fosszilis tüzelőanyagra. Klasszikusan a hidrogénperoxid-szintézist hatalmas vegyi üzemekben végzik, és a folyamat fosszilis tüzelőanyagok felhasználásával, szerves hulladékok termelésével és széndioxid-kibocsátással jár.

Mi ehelyett teljesen zöld szintézist kínálunk."

Forrás: Rice University

Versenyképes megoldás

A hidrogén-peroxidot a mindennapi életben elterjedten alkalmazzák egyebek mellett fertőtlenítőként, mosószerként, kozmetikumok összetevőjeként, fehérítőszerként és víztisztítóként. Az üzemek ipari koncentrációban, akár 60%-os töménységű oldat formájában állítják elő, holott a legtöbb közönséges alkalmazás céljára ennél jóval hígabb oldat is elegendő. „Az ipari hidrogén-peroxidot gazdaságossági megfontolásokból szállítják ilyen nagy koncentrációban – teszi hozzá Wang. – Pedig a szállítás veszélyes és költséges, mert a vegyület tömény formában instabil. Ezen felül a hidrogén-peroxid idővel elbomlik, és a felhasználási helyén speciális tárolást igényel."

„Az általunk kidolgozott új technológia lehetővé teszi, hogy a hidrogén-peroxidot közvetlenül a felhasználás helyén állítsák elő – folytatja a kutató. – Mivel a megújuló elektromos energia egyre olcsóbb, a levegő ingyen van, és a víz sem túl drága, termékünk ár szempontjából versenyképes lehet a piacon."

Forrás: Brandon Martin

"A kórházak ahelyett, hogy tartályokban tárolnák a fertőtlenítéshez használt hidrogén-peroxidot, a jövőben csak bekapcsolják a gépet, és készítenek maguknak mondjuk, 3%-os oldatot, igény szerint – vázolta Wang az új módszer nyújtotta lehetőségeket. – A medencetulajdonosoknak szintén nem kell ezután az uszodafertőtlenítőt készen megvenniük és tárolniuk.

Elég lesz felkattintaniuk egy kapcsolót, és a reaktor termelte hidrogén-peroxid megtisztítja a medencéjüket."

Olyan, mint egy üzemanyagcella

A Rice kutatói által kifejlesztett reaktor kicsit olyan, mint egy üzemanyagcella, két oldalán egy-egy elektróddal a vízből kivont hidrogén és a levegőből származó oxigén reagáltatására. Az elektródokat katalizátor-felülettel látják el, közöttük pedig porózus szilárd elektrolit vezeti az ionáramot.

„Az autókba szánt üzemanyagcellákat úgy tervezik, hogy minimális legyen bennük a hidrogén-peroxid keletkezése a víz rovására, mert ez biztosítja a maximális energiahatékonyságot.

A mi esetünkben viszont a kívánt termék épp a hidrogén-peroxid, így a katalizátor megfelelő kialakításával ezt a reakcióutat maximalizáljuk"

– magyarázza Chuan Xia, a Rice posztdoktori kutatója és a cikk vezető szerzője.

Az olcsó feketeszén katalizátor, amelyet szilárd elektrolitba ágyaznak és a reaktivitás növelése céljából oxidálnak, az oxigén redukcióját a hidrogén-peroxid keletkezése irányába tereli, a folyamat sebességét és a peroxid végső koncentrációját pedig a feszültség beállításával, illetve a betáplált levegő és víz mennyiségének szabályozásával lehet befolyásolni.

A reakció szobahőmérsékleten és környezeti nyomáson megy végbe.

A lehetőségek száma korlátlan

Yang Xia, a Wang-labor másodéves doktorandusza és a cikk megosztott vezető szerzője elmondta: a katalizátor rendkívül robusztusnak bizonyult, ugyanis csak elhanyagolható mértékben bomlott az alatt a próbaüzem alatt, melynek során a reaktor 100 órán keresztül folyamatosan gyártotta az 1 tömegszázalékos tiszta hidrogén-peroxidot.

Wang tájékoztatása szerint a munkacsoport most egyrészt a reaktor felskálázásán, másrészt a felhasználásra kész alkatrészek tervezésén dolgozik, mert rövidesen szeretnék ipari partnerek segítségével tesztelni a berendezést. A laborvezető komoly ígéretet lát a kommunális szennyvíztisztításhoz hasonló nagyléptékű ipari alkalmazásokban. Az egyetemi kampusz esővizén már kipróbálták a berendezést, és sikerrel távolították el belőle a szerves szennyezőanyagokat.

„A lehetséges alkalmazások száma szinte korlátlan – mondta. –

A hidrogén-peroxid elektrokémiai szintézisét mindeddig a termékelválasztás és a tisztítás nehezítette, de nekünk sikerült leküzdenünk a gyakorlati felhasználás előtt álló akadályokat."