Pyrolýza

Pyrolýza je tepelný rozklad materiálov pri zvýšených teplotách, často v inertnej atmosfére. Toto slovo vzniklo z grécky odvodených prvkov pyro „oheň“, „teplo“, „horúčava“ a lysis „oddeľovanie“.

Pyrolýza

Pyrolýza je fyzikálno-chemický proces, pri ktorom dochádza k anaeróbnemu rozkladu organických zlúčenín za vzniku stabilných nízkomolekulárnych produktov. Z technologického hľadiska delíme pyrolýzu podľa dosahovanej teploty na:

• nízkoteplotná pyrolýza (< 500°C)
• pyrolýza pri strednej teplote (500 - 800°C)
• vysokoteplotná pyrolýza (> 800 °C)

Pyrolýza je v porovnaní so spaľovaním alternatívnou metódou šetrnou k životnému prostrediu a v porovnaní s biochemickou a termochemickou konverziou je časovo najmenej náročnou metódou s najmenšou stopou na životné prostredie.

História

Pyrolýza dreva je jedným z prvých chemických procesov, ktoré si ľudia osvojili. Od 12. storočia sa v Rusku hojne využívala na výrobu borovicovej živice (používanej na dechtovanie drevených lodí a impregnáciu lán).

Predpokladá sa, že vo Švédsku sa v 16. storočí začala prvýkrát uplatňovať technológia pyrolýzy v priemyselnom meradle. Švédi používali technológiu impregnácie lodného dreva trieslovými borovicovými živicami získanými ako výsledok jednoduchej pyrolýzy.

S rozvojom metalurgie vzniklo ďalšie odvetvie založené na technológii pyrolýzy dreva - spaľovanie uhlia. Keď sa drevo spaľovalo bez prístupu vzduchu, vznikalo drevené uhlie.

Pyrolýza prispela k objavu mnohých chemických látok, napr. fosforu z hydrogénfosforečnanu amónneho (NH₄)₂HPO₄ v koncentrovanom moči, kyslíka z oxidu ortuťnatého a rôznych dusičnanov.

Využitie a výskyt

Medzi hlavné spôsoby využitia pyrolýzy patria:

• Pyrolýzou dreva sa dnes vyrába drevené uhlie. V závislosti na obsahu vlhkosti a účinnosti procesu je potrebných asi 4-10 ton dreva na výrobu jednej tony drevného uhlia.
• Široko sa používa v chemickom priemysle na výrobu metánu, aktívneho uhlia, dreveného uhlia a iných látok z dreva.
• Syntetický plyn vyrobený premenou odpadu pomocou pyrolýzy sa môže použiť v plynových alebo parných turbínach na výrobu elektrickej energie.
• Zmes kameňa, zeminy, keramiky a skla získaná z pyrolytického odpadu sa môže použiť ako stavebný materiál - stavebná troska alebo na vyplnenie krycích vrstiev skládok.
• Zohráva významnú úlohu pri datovaní uhlíkom 14 a v hmotnostnej spektrometrii.
• Používa sa aj na viaceré kuchynské postupy, ako je karamelizácia, grilovanie, vyprážanie a pečenie.

Likvidácia odpadu

Pyrolýza sa využíva na transformáciu odpadových organických materiálov: odpad z rafinérií a uhoľných dechtov, drevo, kontaminované pôdy, nebezpečný a rádioaktívny odpad, odpad zo syntetického kaučuku, farbivá. Vznikajú stabilné plynných zlúčenín : CO, CO₂, H₂, CH₄, a iné uhľovodíky a tuhý zvyšok (koks), ktorý obsahuje viazaný uhlík a popol.

Môže rozkladať polymérne uhľovodíkové materiály na malé uhľovodíky, koncentrovať ťažké kovy (okrem ortuti a kadmia) a premieňať a uchovávať energiu. Môže sa použiť aj na recykláciu energie premenou organických materiálov a čas spracovania je relatívne krátky.

Varenie

Rôzne procesy, ktoré sa dejú počas prípravy jedla, môžeme opísať procesom pyrolýzy. Karamelizácia je pyrolýza cukrov v potravinách (často po tom, čo sa cukry vytvorili rozkladom polysacharidov). Potravina zhnedne a zmení chuť. Teploty potrebné na karamelizáciu ležia nad bodom varu vody. Ak sa na panvicu položí pokrievka, voda sa v nej udrží a časť z nej sa znovu skondenzuje, čím sa udrží príliš nízka teplota na to, aby sa dlhšie opekala.

Pyrolýza potravín môže byť aj nežiaduca, ako napríklad zuhoľnatenie spálených potravín (pri teplotách príliš nízkych na to, aby oxidačné spaľovanie uhlíka vytvorilo plamene a spálilo potraviny na popol).

Biomasa

Pri pyrolýze biomasy vznikajú tri produkty: jeden kvapalný (bioolej), jeden tuhý (biouhlie), a jeden plynný (syntézny plyn). Podiel týchto produktov závisí od viacerých faktorov vrátane zloženia vstupnej suroviny a parametrov procesu. Pri rovnakých podmienkach je však výťažok biooleja optimálny, keď je teplota pyrolýzy približne 500 °C a rýchlosť zahrievania je vysoká (1000 °C/s) rýchle pyrolýzne podmienky. Za týchto podmienok možno z typickej vstupnej suroviny z biomasy dosiahnuť výťažok 60 - 70 % hmotnsotných biooleja a 15 - 25 % hmotnostných výťažku biouhlia. Zvyšných 10 - 15 % hmotnostných tvorí syntézny plyn.

Procesy, pri ktorých sa používajú pomalšie rýchlosti zahrievania, sa nazývajú pomalá pyrolýza a hlavným produktom takýchto procesov je zvyčajne biouhlie. Pyrolýzny proces môže byť samoudržiavací, pretože spaľovanie syntézneho plynu a časti biooleja alebo biouhlia môže poskytnúť všetku potrebnú energiu na pohon reakcie.

Bioolej je hustá komplexná zmes okysličených organických zlúčenín. Má palivovú hodnotu, ktorá je vo všeobecnosti 50 - 70 % hodnoty palív na ropnej báze, a môže sa používať ako palivo do kotlov alebo sa z neho môžu vyrábať obnoviteľné palivá pre dopravu. Zloženie biooleja ho robí tepelne nestabilným, preto sa ťažko destiluje alebo ďalej rafinuje, čo si vyžaduje ďalší výskum výroby kvalitnejšieho biooleja.

Príprava vzoriek v analytickej chémii

Pyrolýza je v skutočnosti technikou prípravy vzoriek a nie analytickou technikou. Je založená na rýchlom zahrievaní vzorky za kontrolovaných podmienok a online identifikácii produktov rozkladu. Na analýzu pyrolyzovaných vzoriek sa používajú plynová chromatografia, Infračervená spektroskopia s Fourierovou transformaciou a hmotnostná spektrometria.

Na stanovenie spojív pyrolýzou sa malé množstvo vzorky pripravené odstránením pigmentu odstredením a odparením rozpúšťadla zavedie do pyrolýznej komory, v ktorej sa zahrieva pod prúdom nosného plynu. Prchavé produkty získané pyrolýzou sa zavedú do plynového chromatografu na ich oddelenie a identifikáciu. Polyméry s dobre charakterizovaným zložením sa používajú na porovnanie chromatogramu vzorky s rôznymi typmi živíc použitých ako spojivá.

Ekologické technológie

Pyrolýza je užitočná pri extrakcii materiálov z tovarov, ako sú pneumatiky vozidiel, odstraňovaní organických kontaminantov z pôdy a mastných kalov a pri výrobe biopalív z plodín a odpadových produktov. Taktiež môže pomôcť rozložiť pneumatiky vozidiel na užitočné zložky, čím sa zníži environmentálna záťaž spojená s likvidáciou pneumatík.

Pneumatiky sú v mnohých oblastiach významnou súčasťou skládok a pri ich spaľovaní sa do ovzdušia uvoľňujú polycyklické aromatické uhľovodíky a ťažké kovy. Pri pyrolýze sa však pneumatiky rozkladajú na plyn a olej (použiteľné na palivo) a sadze (použiteľné ako plnivo do gumárenských výrobkov vrátane nových pneumatík a ako aktívne uhlie vo filtroch a palivových článkoch).

Okrem toho sa pyrolýzou môžu z kalov z čistiarní odpadových vôd (polotuhé materiály, ktoré zostávajú po čistení odpadových vôd a znížení obsahu vody) odstrániť organické kontaminanty, ako sú syntetické hormóny a ťažké kovy, ktoré v kale zostávajú a sa stanú inertnými, čo umožňuje bezpečné použitie kalu ako hnojiva.

Referencie

Chemický portál