Piroliza
Piroliza je termohemijska dekompozicija organskog materijala pri povišenim temperaturama u odsustvu kiseonika (ili halogena, oksidacionih ili redukcionih sredstava). Najčešće se pirolizom složena hemijska jedinjenja raspadaju na prostija jedinjenja. Piroliza obuhvata simultanu promenu hemijske kompozicije i fizičke faze, i ireverzibilna je. Pirolizu je relativno teško ispitivati zbog brojnih reakcija koje je istovremeno odvijaju, a koje je teško kontrolisati.
Piroliza je tip termolize, i najčešće se sreće kod organskih materijala izloženih visokim temperaturama. To je jedan od procesa koji učestvuju u ugljenisanju drveta, počevši od 200–300 °C.[1] On se isto tako javlja u požarima gde čvrsta goriva sagorevaju ili vegetacija dolazi u kontakt sa lavom tokom vulkanskih erupcija. Generalno, piroliza organskih supstanci proizvodi gasne i tečne produkte i ostavlja čvrsti ostatak sa povišenim ugljeničnim sadržajem, čađ. Ekstremna piroliza, koja ostavlja uglavnom ugljenik kao ostatak, se naziva karbonizacijom.
Ovaj proces nalazi široku primenu u hemijskoj industriji, na primer, u produkciji ugljena, aktivnog uglja, metanola, i drugih hemikalija iz drveta, za konvertovanje etilen dihlorida u vinil hlorid radi pravljenja PVC materijala, za proizvodnju koksa iz uglja, za konvertovanje biomase u sintez-gas i biougljena, za pretvaranje otpadne plastike u upotrebivo ulje,[2] ili smeća u supstance koje su bezbedne za odbacivanje, i za transformiranje ugljovodonika srednjeg opsega težine iz nafte u lakše frakcije pouput motornog benzina. Ove specijalizovane upotrebe pirolize se nazivaju različitim imenima, kao što su suva destilacija, destruktivna destilacija, ili krekovanje. Piroliza se isto tako koristi za dobijanje monomera iz polimera u reciklaži plastike, za proizvodnju keramičkih materjala, za proizvodnju materijala visoke termičke otpornosti, u kreiranju nanočestica,[3] cirkonija[4] i oksida[5] koristeći ultrasonične rasprskivače u procesu zvanom ultrasonična sprejna piroliza (USP).
Piroliza ima važnu ulogu u nekoliko procedura kuvanja, kao što su pečenje, prženje, roštiljanje, i karamelizacija. Ona je oruđe hemijske analize, na primer, u masenoj spektrometriji i radiougljeničnom datiranju. Mnoge važne hemijske supstance, kao što su fosfor i sumporna kiselina, su nekad dobijane ovim procesom. Pretpostavlja se da je do pirolize dolazilo tokom katageneze, konverzije spaljene organske materije u fosilna goriva. Ona je isto tako u osnovi pirografije. U procesu balzamiranja, drevni Egipčani su koristili smeše supstanci, uključujući metanol, koji su dobijali pirolizom drveta.
Piroliza se razlikuje od drugih procesa kao što su sagorevanje i hidroliza po tome da u njoj obično ne učestvuju kiseonik, voda, ili neki drugi reagent.[6] U praksi, nije moguće ostvariti atmosferu koja je u potpunosti oslobođena od kiseonika. Pošto je u svakom piroliznom sistemu prisutana izvesna količina kiseonika, dolazi u maloj meri do oksidacije.
Termin se isto tako koristi za dekompoziciju organskog materijala u prisustvu superzagrejane vode ili pare (hidrozna piroliza), na primer, u parnom krekovanju ulja.
Proces uredi
Piroliza pretvara organske materije u njihove gasovite komponente, čvrste ostatke ugljenika i pepela te tečnost koja se zove pirolitičko ulje (ili bio-ulje). Proces ima dve primarne metode za uklanjanje kontaminanata iz materije: uništavanje i uklanjanje. U metodi uništavanja organski zagađivači se raščlanjuju u jedinjenja male molekulske mase, dok se u postupku uklanjanja ne uništavaju, već se odvajaju od zagađenog materijala. Piroliza je koristan postupak za tretiranje organskih materijala koji se raspadaju pod prisustvom toplote. To samim sobom uključuje polihlorirane bifenile, dioksine i aromatične ugljovodonike. Iako nije korisna za uklanjanje ili uništavanje neorganskih materijala kao što su metali, može se koristiti u tehnikama koje čine takve materijale inertnim.
Industrijski izvori uredi
Mnogi izvori organske materije mogu se koristiti kao sirovina za pirolizu. Neki od njih su:
| Biljni materijali | piljevina, otpadno drvo, drvenasti korov |
| Poljoprivredni izvori | ljuske oraha, slama, pamučno smeće, rižine ljuske, divlji proso |
| Životinjski otpad | smeće živine, mlečna kiselina, potencijalno drugo đubrivo |
| Industrijski nusproizvodi | papirni mulj, destilatori zrna |
Primena uredi
Piroliza ima brojne primene koje su vezane uz „zelenu” tehnologiju. Korisna je za izvlačenje materijala iz proizvoda kao što su automobilske gume, uklanjanje organskih kontaminanata iz tla te stvaranje biogoriva od useva i otpadnih proizvoda. Piroliza može pomoći u razlaganju automobilskih guma u korisne delove, čime se smanjuje ekološko zagađenje zbrinjavanjem starih guma. Gume su značajan proizvod odlagališta otpada u mnogim područima, jer otpuštaju teške metale u procesu spaljivanja. Međutim, kada se gume piroliziraju, one se razgrađuju u gas i ulje (upotrebljivo za gorivo) i čađ (upotrebljivu kao punilo polimernim proizvodima i kao aktivni ugalj u filterima i gorivim člancima).[7] Pored toga, piroliza može ukloniti organske zagađivače iz kanalizacijskog mulja i teške metale preostale u inertnom mulju što omogućuje sigurno korištenje mulja kao đubrivo.
Piroliziranje biomase (biološki materijali poput drva i šećerne trske) ima veliki potencijal za proizvodnju energetskih izvora koji bi mogli dopuniti ili zameniti energiju na bazi nafte. Piroliza uzrokuje da se celuloza, hemiceluloza i deo lignina u biomasi razgrade na manje molekule u gasovitom stanju. Kada se hlade, ti se gasovi kondenzuju do tečnog stanja i postaju bioulje, dok ostatak izvorne mase (uglavnom preostali lignin) ostaje kao čvrsti biološki materijal.
Drveni ugalj uredi
Ljudi su koristili pirolizu za pretvaranje drva u ugalj na industrijskom nivou od davnih vremena. Osim drva, postupak takođe može koristiti piljevinu i ostale proizvode od drva. Drveni ugalj se dobija zagravanjem drva dok se ne postigne potpuna piroliza (karbonizacija), ostavljajući samo ugljenik i neorganski pepeo. U mnogim delovima sveta drveni ugalj se još uvek proizvodi poluindustrijski spaljivanjem puno drveta koja su uglavnom prekrivena blatom ili opekom. Toplota nastala paljenjem dela drva i nestabilnim nusproduktima pirolizuje ostatak drva. Ograničena količina kiseonika sprečava gorenje uglja. Savremenija alternativa je zagrevanje drveta u vazdušnoj metalnoj posudi koja mnogo manje zagađuje i omogućava da se isparljivi proizvodi kondenzuju.
Zbog izvorne strukture drveta i pora nastalih ispuštanjem gasova završni proizvod postaje svetao i porozan, te jako krt.[8]
Vatra uredi
Piroliza je obično prva hemijska reakcija koja se javlja kod gorenja mnogih čvrstih organskih goriva, poput drva, tkanine i papira, kao i nekih vrsta polimera. U gorenju drva, vidljivi plamenovi nisu samo zbog izgaranja drveta, nego gasova koji se oslobađaju njegovom pirolizom. Stoga je piroliza uobičajenih materijala poput drva, polimera i odeće izuzetno važna za zaštitu od požara. Ne bi trebalo da se meša s hidrotermalnim reakcijama kao što su hidrotermalna gasifikacija, hidrotermalna likvidacija i hidrotermalna karbonizacija koja se javljaju u vodenim sredinama, jer se temperature i reakcijski procesi razlikuju od jonskih izmena.[9]
Kuvanje uredi
Piroliza nastaje uvek kada je hrana izložena dovoljno visokoj temperaturi u suvom okruženju, kao što je prženje, pečenje ili roštiljanje. To je hemijski proces koji je odgovoran za formiranje zlatno-smeđe kore na hrani pripremljenoj tim metodama. U normalnom kuvanju glavni sastojci hrane koji podržavaju pirolizu su ugljeni hidrati (uključujući šećere, skrob i vlakna) i proteini. Piroliza masti zahteva mnogo višu temperaturu jer proizvodi toksične i zapaljive proizvode te se uopšteno izbegava u normalnom kuvanju. Konkretno, piroliza proteina i ugljenih hidrata počinje na temperaturi koja je znatno niža od temperature paljenja čvrstog ostatka, a isparljivi proizvodi su previše razređeni u vazduhu kako bi se zapalili. Piroliza ugljenih hidrata i belančevina zahteva temperature znatno više od 100 °C, tako da se ne pojavljuje sve dok je prisutna voda u tečnoj fazi. Ona se obično za većinu hrane ograničava na spoljnim slojevima hrane i počinje tek nakon što se ti slojevi isuše. Međutim, temperatura pirolize za hranu je niža od vrelišta za lipide, tako da se piroliza događa kod prženja u biljnom ulju. Piroliza takođe igra bitnu ulogu u proizvodnji ječmenog čaja, kafe i prženih orašastih plodova kao što su kikiriki i bademi. Budući da se sastoje uglavnom od suvih materijala, proces pirolize nije ograničen na najudaljenije slojeve nego se proteže kroz materijale. U svim tim slučajevima, piroliza stvara ili oslobađa mnoge materije koje doprinose ukusu, boji i biološkim svojstvima konačnog proizvoda. Takođe može uništiti neke materije koje su otrovne, neugodnog ukusa ili one koje mogu doprineti kvarenju. Kontrolisana piroliza šećera, počevši od 170° C, proizvodi karamelu bež smeđih (u vodi topljivih) proizvoda koja se široko koristi u prehrambenoj industriji (u obliku boje karamele) kao boje za bezalkoholna pića i druge prehrambenih proizvode. Čvrsti ostatak od pirolize prolivene i prskane hrane stvara tamnosmeđu, crnu opnu koja se često vidi na posudama za kuvanje, štednjacima i unutrašnjim površinama peći.
Ugljenična vlakna uredi
Ugljenična vlakna[10] se mogu koristiti za izradu vrlo jakih tekstila. Dobijaju se iz već oblikovanih drugih organskih vlakana, pretežno poliakrilonitrilnih vlakana velike čvrstoće, a u manjoj meri i od celuloznih viskoznih vlakana, te iz smolastog ostatka nakon pirolize nafte (tzv. mezofazna smola). Nezavisno od vrste ishodišnog materijala, proces dobijanja sprovodi se termičkom obradbom u nekoliko stupnjeva (pretprocesovanje i karbonizacija) . U njemu se pod strogo definisanim uslovima i procesnim parametrima iz početnog materijala postupno uklanjaju svi hemijski elementi osim ugljenika, uz njegovu istodobnu postupnu ciklizaciju. Kod proizvodnje grafitnih vlakana, u završnoj se obradi ciklična struktura ugljenika grafitiranjem oblikuje u grafitnu formu. Poliakrilonitril je postao najčešći polazni materijal. Za svoje prve radne električne svetiljke, Džozef Vilson Svon i Tomas Edison upotrebili su ugljenikove niti od pirolize pamučnih vlakna i od bambusa.
Pirolitički ugljenik uredi
Pirolitički ugljenik je materijal sličan grafitu, ali poseduje kovalentnu vezu između njegovih grafitnih ploča kao rezultat nepravilnosti u njegovoj proizvodnji. Pirolitički ugljenik je veštački napravljen i ne može se naći u prirodi. Proizvodi se zagrevanjem ugljovodonika gotovo na temperaturu razgradnje i dozvoljava kristalizaciju grafita (piroliza). Jedna metoda je zagrevanje sintetičkih vlakana u vakuumu, a druga je metoda stavljanje semena na ploču u vrlo vrućem gasu kako bi se sakupila grafitna prevlaka. To se koristi kod proizvoda koji su izloženi visokim temperaturama kao što su: rakete, toplotni štit motora, laboratorijske peći te u biomedicinskim protezama.[11]
Ulje uredi
Brza piroliza može se koristiti za pretvaranje širokog raspona sirovina biomase u tekuće ulje. Komponenta bogata fenolom može se izdvojiti iz ovog ulja i koristiti kao jeftina zamena za naftu. Nacionalna laboratorija za obnovljive izvore energije razvila je postupak ekstrakcije kako bi se oporavio ovaj deo fenola i pokazao značaj tih fenolnih ulja u modifikovanim fenol aldehidnim lepkovima za drva.[12]
Ograničenja i zabrinutost uredi
Tehnologija pirolize zahteva sušenje tla pre tretmana. Ograničeni podaci o karakteristikama sistema koji obrađuju opasni otpad, a koji sadrže polihlorisane bifenile, dioksine i ostala organska jedinjenja. Postoji zabrinutost da u sistemima koji uništavaju hlorisane organske molekule toplota može da stvori proizvode nepotpunog izgaranja, uključujući dioksine i furane. Rastop se obično reciklira u reaktorskoj komori. Međutim, zavisno od obrađenog otpada (posebno neorganskih) i količini pepela, potrošena rastopljena so može biti opasna i zahtevati posebnu pažnju zbrinjavanja. Piroliza nije delotvorna u uništavanju ili fizičkom odvajanju neorganske materije od kontaminiranog medija. Isparljivi metali mogu se ukloniti kao rezultat viših temperatura povezanih s postupkom. Nusproizvodi koji sadrže teške metale mogu zahtevati stabilizaciju pre konačnog odlaganja. Kada se otpadni gasovi ohlade, tečnost se kondenzuje stvarajući ostatak ulja / katrana i zagađenu vodu. Ova ulja i katrani mogu biti opasni otpad koji zahtevaju pravilan tretman, skladištenje i odlaganje.[13]
Vidi još uredi
Reference uredi
- ^ Burning of wood, InnoFireWood's website. Accessed on 2010-02-06.
- ^ The Plastic to Oil Machine | A\J – Canada's Environmental Voice
- ^ Pingali, Kalyana C.; Rockstraw, David A.; Deng, Shuguang (2005). „Silver Nanoparticles from Ultrasonic Spray Pyrolysis of Aqueous Silver Nitrate” (PDF). Aerosol Science and Technology. 39: 1010—1014. doi:10.1080/02786820500380255.
- ^ Song, Y. L.; Tsai, S. C.; Chen, C. Y.; Tseng, T. K.; Tsai, C. S.; Chen, J. W.; Yao, Y. D. (2004). „Ultrasonic Spray Pyrolysis for Synthesis of Spherical Zirconia Particles” (PDF). Journal of the American Ceramic Society. 87 (10): 1864—1871. doi:10.1111/j.1151-2916.2004.tb06332.x.
- ^ Hoda Amani Hamedani, 2008, Investigation of Deposition Parameters in Ultrasonic Spray Pyrolysis for Fabrication of Solid Oxide Fuel Cell Cathode Arhivirano na sajtu Wayback Machine (5. mart 2016), Georgia Institute of Technology
- ^ Cory A. Kramer, Reza Loloee, Indrek S. Wichman and Ruby N. Ghosh, 2009, Time Resolved Measurements of Pyrolysis Products From Thermoplastic Poly-Methyl-Methacrylate (PMMA) ASME 2009 International Mechanical Engineering Congress and Exposition
- ^ "Tire-Derived Fuel"
- ^ „"Biochar for Environmental management: Science and tecnology"”. Arhivirano iz originala 11. 12. 2017. g. Pristupljeno 18. 01. 2019.
- ^ Burning of wood, InnoFireWood's website.
- ^ Ugljična vlakna
- ^ "Pyrolytic carbon"
- ^ "Use of Biomass Pyrolysis Oils for Preparation of Modified Phenol Formaldehyde Resins"
- ^ "Pyrolysis"
