Chemická přeměna světového formátu

Globální trh s metanolem má velký obchodní potenciál. Čeští vědci přišli s metodou na jeho levnou výrobu z metanu. Na cestě k finální aplikaci udělali první tři kroky z devíti.

Když jsou v klidu, je s nimi pohoda. Jeden je bez barvy a zápachu, a protože je lehčí než vzduch, s lehkostí sobě vlastní se v místnosti vznáší až u stropu. Jako by ani nebyl, navíc není vůbec vidět. Je ale extrémně nedůtklivý, takže pokud se smísí se vzduchem, stačí jiskřička a pro-jeví se nejhorším možným způsobem – vybouchne. Svému okolí dokáže být vel-mi nebezpečný. Seznamte se, říká se mu metan.

Ten druhý je tekutý, nevýrazný, bezbarvý a užitečný. Ale pozor, je cítit po alkoholu. Už to napovídá, že nebude tak úplně bezproblémový. A běda, když se ho napijeme. Je silně jedovatý, takže záměna s jeho bráchou etanolem může skončit tragicky. Jde o metanol.

Vedle skutečnosti, že metan i metanol dokážou radikálně změnit své vlast-ní „rozpoložení“, mají i další důležitou vlastnost – metan se může proměnit v metanol. Vědecký tým ve složení Jiří Dědeček, Edyta Tabor a Štěpán Sklenák z Ústavu fyzikální chemie J. Heyrovské-ho AV ČR vytvořil a popsal unikátní způsob, jak toho docílit. Když se podaří ob-jev přenést do průmyslové výroby, půjde metanol vyrábět novým způsobem a levněji než doposud. Šlo by o vědeckou aplikaci mezinárodního významu.

Efektivnější než enzymy

Metan je hlavní složkou zemního plynu, je levný a snadno dostupný ve velkém množství. Na cestě od vrtu ke konečnému zákazníkovi ovšem absolvuje zpravidla velmi dlouhou cestu. V průběhu těžby a dopravy ho část uniká do atmosféry. Významný skleníkový plyn tak přispívá ke globálnímu oteplování. Při samotném spalování má ale o polovinu méně emisí oxidu uhličitého než uhlí. Bylo by výhodné, kdyby se hned po vytěžení přeměňoval na kapalinu, kterou lze dopravovat a skladovat bez větších potíží. To je ovšem zatím možné pouze náročnými a drahými procesy. Metan se po-užívá hlavně jako zdroj energie, na další využití stále čeká.

Metanol se v současnosti vyrábí z takzvaného syntézního plynu, což je směs oxidu uhelnatého a vodíku, k jehož výrobě se dá použít především zemní plyn nebo ropné zbytky. Tento způsob je nepraktický a energeticky náročný. Neexistuje katalyzátor, který by přeměnil metan přímo na metanol molekulárním kyslíkem s uspokojivou efektivitou. Tým Jiřího Dědečka pro výrobu metanolu z metanu však vytvořil a popsal nová reakční centra, která dovedou aktivovat kyslík dosud neznámým způsobem – rozštěpit ho. Následně poslouží k oxidaci metanu na metanol. Přímá oxidace molekulárním kyslíkem je cestou, jak snížit náklady a usnadnit výrobu metanolu, případně také produkci nových druhů paliv.

K rozštěpení kyslíku se používají dva kationty přechodového kovu, například železa, které se umístí naproti sobě do vzdálenosti asi sedmi desetimiliontin milimetru. Zásadní roli zde hraje materiál s názvem zeolit, který takovou strukturu, navíc přístupnou pro molekuly kyslíku i metanu, umožňuje vytvořit. Jde vlastně o děravý křemen, ve kterém atomy křemíku a kyslíku vytvářejí pro-pojenou strukturu kanálků a dutin, do nichž se vejdou menší molekuly. „Když jsou v kanálech přítomna reakční cen-tra, stávají se zeolity ideálním materiálem pro využití v katalýze,“ říká Jiří Dědeček. Jejich přítomnost je možná díky tomu, že část atomů křemíku je v zeolitu nahrazena hliníkem. Materiál tak získá negativní náboj, který musí být něčím balancován. Třeba kationty kovů, jež tvoří katalytická centra.

Zajímavé je, že k oxidaci metanu na metanol dochází i v živých organismech, při výrobě buněčné energie. V tom případě metanol vzniká jen jako odpad při buněčném procesu. Podobně jako enzymy i vědci k aktivaci molekuly kyslíku potřebují čtyři elektrony a dva kationty. Badatelé je ale mají podstatně dál od sebe, takže kyslík přetrhnou. Z vědeckého hlediska je právě tato fáze nejzajímavější. „V některých případech může být člověkem navržený způsob pro daný účel efektivnější. Jedná se o světovou novinku. V odborné literatuře tento postup zatím není popsán. Tento kyslík je velmi reaktivní, takže dokáže už za pokojové teploty oxidovat metan,“ přibližuje badatel.

Výzkum zatím probíhal za běžné tep-loty, což je pro uplatnění technologie v reálném provozu nevýhodné. V praxi se bude pracovat při 100 až 200 °C. Čím vyšší teplota, tím lépe se molekuly kyslíku budou štěpit. Je ale nutné najít pro štěpení kyslíku optimální teplotu, protože během prvního kroku se kyslík musí na systém navázat, a to jde s rostoucí teplotou hůře. Nejprve je však potřeba připravit nebo najít vhodný zeolit, který bude mít co nejvíc aktivních center. Poté vybrat nejvhodnější kationty.

Mezi velkými hráči

Cyklus přeměny metanu se musí v průmyslové praxi opakovat mnohokrát za hodinu, aby vznikalo co nejvíc metanolu. Během tohoto procesu je potřeba dbát na maximální opatrnost, protože při manipulaci s kyslíkem a metanem hrozí exploze. Takto navržený systém poté musí fungovat dlouhodobě, třeba půl roku. Testy zatím probíhaly v malém měřítku a po omezenou dobu. I tak je ale jasné, že výzkum má naději, aby byl uveden do praxe. Jiří Dědeček si pochvaluje, že už teď je na tom jeho tým o mnoho lépe než ostatní badatelé, kteří se o něco podobného pokoušeli v minulosti. K případné úspěšné aplikaci však povede ještě dlouhá cesta. O její zjednodušení se stará Centrum transferu technologií AV ČR. Vytvořilo brožuru v angličtině, která vyzdvihuje komerční potenciál technologie. Došlo už i na jednání s případný-mi partnery. Cílem je uplatnit vědecký výsledek formou licence a nalézt financování pro takzvaný proof of concept výzkum. V něm se technologie vyzkouší v průmyslovém měřítku gigantických rafinerií. Jednalo by se o důkaz, že teoretické předpoklady bude možné prakticky využít.

„Kompaktní a jednoduchá metoda přeměny levného metanu na mnohem užitečnější metanol má obrovský potenciál a velkou šanci získat partnery, kteří se budou finančně podílet na dokončení výzkumu,“ popisuje Jiří Kavan z Centra transferu technologií AV ČR. „Investory hledáme především mezi výrobci katalyzátorů a souvisejících technologií, ale i mezi největšími hráči petrochemického průmyslu a těžařskými společnostmi.“

Zralost určité technologie pro aplikaci udává metodika TRL (technology readiness levels), která má devět stupňů. Přeměna metanu na metanol navržená vědci z Akademie věd ČR je nyní ve třetí fázi. Znamená to, že je ověřena v laboratorním měřítku a čeká ji aplikační výzkum, který se zaměří na technickou způsobilost vynálezu. Ke konečnému vy-užití v průmyslu by pak – když vše půjde dobře – mohlo dojít za pět až deset let. Ovšem Češi nejsou jediní, kdo podobný výzkumný úkol ve světě řeší.

Tři scénáře

Do budoucna se očekávají v zásadě tři možné směry. Může se ukázat, že pře-měna metanu na metanol bude tak drahá, že se ji nevyplatí realizovat. Nebo bude nákladná, ale přece jen levnější než současná výroba metanolu. Anebo – v tom nejlepším případě – bude tak levná, že by se na metanol vyplatilo převádět značnou část zemního plynu. „Poslední dvě varianty představují význam-ný ekonomický potenciál. Metanol totiž potřebujeme. Současně jsou na Zemi zásoby metanu, tak proč je tímto způsobem nevyužít,“ uvažuje Jiří Dědeček.

Globální trh s metanolem je obchodně velmi zajímavý a analytici mu předpovídají další růst. Ve spotřebě metanolu je v současnosti na prvním místě Čína, která jej využívá v chemickém průmyslu. Z metanolu se vyrábějí rozpouštědla, přísady do nemrznoucích směsí, pohonných hmot, dále formaldehyd, kyselina mravenčí a octová a mnoho dalších látek a materiálů. Očekává se, že spotřeba metanolu v příštích dvaceti letech výrazně poroste.

Když bude hodně levný, šlo by ho ve větší míře používat i jako palivo do aut. Zpřístupnění metanolu širokým vrstvám motoristů by ale mělo přinejmenším je-den háček. Jak už prozradila charakteristika v úvodu článku, je prudce jedovatý. Případná záměna s pitnou tekutinou je ještě nebezpečnější než u benzinu.

Text: Jan Klika, Akademie věd ČR

Foto: Jana Plavec, Akademie věd ČR