Přečtěte si první z řady popularizačních článků, jejichž autory jsou naši doktorandi. V hlavní roli je tentokrát Ing. Marek Lanč, doktorand Ústavu fyzikální chemie.
Využití bioplynu jako alternativy k zemnímu plynu závisí na jeho dostatečné čistotě a vysokém obsahu metanu. Vhodnou metodou pro toto přečištění jsou membránové technologie, jejichž současnou slabinou je především nízká separační účinnost používaných polymerních membrán. Laboratoř membránových separačních procesů na VŠCHT pod vedením doc. K. Friesse (www.membranegroup.cz) se podílí na výzkumu nových unikátních polymerních materiálů ve spolupráci s řadou zahraničních pracovišť. Na pracovišti ITM-CNR (www.itm.cnr.it) v Kalábrii se Marek Lanč podílí na vývoji nové metody pro charakterizaci těchto materiálů.
Surový bioplyn se složením výrazně liší od čistého metanu. Obsahuje řadu nežádoucích složek, přičemž mezi hlavní patří oxid uhličitý či voda. Tyto nečistoty jsou důsledkem typických zdrojů bioplynu, ať už se jedná o biomasu, skládky komunálního odpadu nebo čističky odpadních vod. Jelikož jsou zdroje bioplynu většinou malé a decentralizované, membránová separace skýtá v tomto ohledu řadu výhod, především z hlediska kompaktnosti a přizpůsobivosti technologie.
Co by měl takový polymer pro membrány splňovat? Ideálně by měl fungovat jako běžný filtr, sítko. Tedy aby jedny molekuly mohly procházet volně, a jiné vůbec. Bohužel rozdíly velikostí molekul dělených plynů nejsou velké a výroba takovéhoto ideálního polymerního síta je dosud nevyřešenou výzvou. S unikátním konceptem, který částečně obchází tuto překážku, přišli zahraniční kolegové doc. K. Friesse, prof. P.M. Budd a prof. N.B. McKeown z Velké Británie. V jejich skupinách připravené tzv. polymery s vnitřní mikroporozitou (PIM) nabízí přiblížení k zmiňovaným ideálním sítům. Propouští sice veškeré molekuly, ale díky sofistikované vnitřní struktuře polymeru jsou některé molekuly na této cestě zpomaleny více než molekuly jiné, a dochází tak k rozdílnému složení směsi před a za membránou, tedy separaci.
Italská i pražská skupina, jichž jsem součástí, se zabývají měřením separačních vlastností těchto materiálů a snaží se o propojení souvislosti mezi strukturou polymeru a jeho schopností dělit zkoumané plyny. A to způsobem, aby bylo možné syntetizovat polymery cíleně pro separaci směsi určitého složení.
Ačkoliv se zabýváme vzorky řádově tenkými, jako je běžná ,igelitka‘, je to dostatečná tloušťka pro účinnou separaci, jelikož pro molekulu plynu představuje dráha skrze bludiště v polymeru velmi velkou vzdálenost ve srovnání s její velikostí. O to těžší je však tomuto procesu dostatečně porozumět. V kontextu světa našich rozměrů je to stejné jako jízda běžným automobilem z Prahy do Kalábrie v jižní Itálii, tedy necelé 2 000 km. A to bez navigace a mapy.
Výzkum polymerních aplikací mne zavedl právě až do Kalábrie, naštěstí s navigací. Ve zdejší laboratoři ve skupině Dr. J.C. Jansena pokračuji ve výzkumu PIMů. Na rozdíl od domovské laboratoře na VŠCHT Praha, kde se můj výzkum zaměřuje především na sorpční vlastnosti, tedy kolik plynu je možné v těchto polymerních materiálech uložit, v laboratoři v ITM-CNR se zabývají propustnostmi těchto materiálů pro čisté plyny.
Ačkoliv jsou měření propustnosti a sorpce jednotlivých plynů pro svou relativní jednoduchost běžným standardem pro charakterizaci polymerů pro membránové separace, v případě PIMů se ukazuje, že odhad chování směsí plynů na základě těchto experimentů nemusí vždy odpovídat reálnému chování, navíc vlivem některých plynů dochází k ovlivňování samotné struktury polymeru.
Výsledný efekt lze opět vysvětlit na jízdě autem: nezávislý proud osobních aut a nezávislý proud nákladních aut se bude pohybovat určitou rychlostí. Dojde-li k reálnému provozu s oběma skupinami, je pravděpodobné, že rychlost osobních aut bude nákladními ovlivněna a naopak; stejně tak bude časem změněna i samotná silnice. Existují sice přístroje umožňující měření permeace směsí plynů, ale mají svá omezení, především v oblasti studia kinetiky propustnosti, která je u PIMů velmi rychlá. Aby bylo možné lépe porozumět reálnému chování těchto polymerů, mým současným úkolem je proto v laboratořích ITM-CNR vývoj metody založené na hmotnostní spektrometrii.