News: Treibstoff säubern
Wenngleich Katalysatoren und Co bereits erheblich zu einer saubereren Umwelt beigetragen haben, bleibt für Chemiker noch genug zu tun, um den verbliebenen schädlichen Emissionen eines gestiegenen Verkehrsaufkommens Paroli zu bieten. Molekulare Siebe können dabei helfen.
© (Ausschnitt)
Wer wirkungsvoll unerwünschte Emissionen bei Verbrennungsmotoren reduzieren will, fängt damit am besten schon vor dem Katalysator an. Denn schließlich produzieren die in Treibstoffen enthaltenen Schwefel- und Stickstoff-Verbindungen beim Verbrennen entsprechende Oxide, welche die Umwelt belasten. Daher heißt die Devise: Benzin, Diesel und Kerosin möglichst frei von diesen Stoffen zu halten.
Üblicherweise werden Stickstoff und Schwefel in einem Rutsch durch eine katalytische Umsetzung mit Wasserstoff bei hohen Drücken und Temperaturen aus Treibstoffen entfernt – der Chemiker spricht von Hydrierung. Rohöl enthält dabei zwei Klassen unliebsamer Stickstoff-Verbindungen: zum einen die Heterozyklen und zum anderen die Nicht-Heterozyklen. Bei der ersten Gruppe handelt es sich um ringförmige Kohlenwasserstoffe, bei denen ein Stickstoffatom in den Ring eingebaut ist. Zu ihnen zählen beispielsweise der Sechsring Pyridin und der Fünfring Pyrrol sowie Verbindungen, die einen dieser aromatischen Ringe als Bauelement enthalten.
Bei der zweiten Gruppe steckt der Stickstoff an anderer Stelle, wie beispielsweise in Anilinen, wo der Stickstoff nur ein Anhängsel bildet, und in offenkettigen Aminen, wo ein oder mehrere Kohlenwasserstoffketten die Wasserstoffatome eines Ammoniakmoleküls ersetzen. Während nun die Nicht-Heterozyklen mit einer Hydrierung recht gut zu entfernen sind, reagieren die Stickstoff-Heterozyklen zu langsam, um sie effektiv aus dem Rohöl verschwinden zu lassen.
Wo die direkte chemische Reaktion versagt, um sich unliebsamer Verbindungen zu entledigen, könnte ein geeigneter Filter helfen. Offensichtlich dachten sich das auch Ralph Yang und Arturo Hernández-Maldonado von University of Michigan und suchten nach einer adsorptiven Methode, um die störenden Stickstoffverbindungen gezielt zu entfernen. Durch ein Screening fanden die Forscher schließlich ein geeignetes Adsorptionsmittel: einen speziellen Zeolithen, der mit einfach positiv geladenen Kupferionen beladen wird.
Zeolithe sind kristalline, poröse Silikate mit käfigartigen Poren. Gelangen aromatische Stickstoffverbindungen in die Poren des Zeolithen, bilden sie Komplexverbindungen mit den Kupferionen. Diese binden stickstoffhaltige Aromaten besser als andere Aromaten, wie Benzol und Organo-Schwefelverbindungen.
Die Wirkung der Zeolithe ist beeindruckend: Der Stickstoffgehalt von handelsüblichem Diesel konnte mit ihrer Hilfe von 83 parts per million auf unter 0,1 parts per million gesenkt werden – also weniger als 0,1 Mikrogramm pro Gramm Dieselkraftstoff. Dabei erfreulich: Die Absorption läuft bei Raumtemperatur und Atmosphärendruck, und das Adsorbens ist vollständig regenerierbar – gute Voraussetzungen also für eine großtechnische Anwendung.
Üblicherweise werden Stickstoff und Schwefel in einem Rutsch durch eine katalytische Umsetzung mit Wasserstoff bei hohen Drücken und Temperaturen aus Treibstoffen entfernt – der Chemiker spricht von Hydrierung. Rohöl enthält dabei zwei Klassen unliebsamer Stickstoff-Verbindungen: zum einen die Heterozyklen und zum anderen die Nicht-Heterozyklen. Bei der ersten Gruppe handelt es sich um ringförmige Kohlenwasserstoffe, bei denen ein Stickstoffatom in den Ring eingebaut ist. Zu ihnen zählen beispielsweise der Sechsring Pyridin und der Fünfring Pyrrol sowie Verbindungen, die einen dieser aromatischen Ringe als Bauelement enthalten.
Bei der zweiten Gruppe steckt der Stickstoff an anderer Stelle, wie beispielsweise in Anilinen, wo der Stickstoff nur ein Anhängsel bildet, und in offenkettigen Aminen, wo ein oder mehrere Kohlenwasserstoffketten die Wasserstoffatome eines Ammoniakmoleküls ersetzen. Während nun die Nicht-Heterozyklen mit einer Hydrierung recht gut zu entfernen sind, reagieren die Stickstoff-Heterozyklen zu langsam, um sie effektiv aus dem Rohöl verschwinden zu lassen.
Wo die direkte chemische Reaktion versagt, um sich unliebsamer Verbindungen zu entledigen, könnte ein geeigneter Filter helfen. Offensichtlich dachten sich das auch Ralph Yang und Arturo Hernández-Maldonado von University of Michigan und suchten nach einer adsorptiven Methode, um die störenden Stickstoffverbindungen gezielt zu entfernen. Durch ein Screening fanden die Forscher schließlich ein geeignetes Adsorptionsmittel: einen speziellen Zeolithen, der mit einfach positiv geladenen Kupferionen beladen wird.
Zeolithe sind kristalline, poröse Silikate mit käfigartigen Poren. Gelangen aromatische Stickstoffverbindungen in die Poren des Zeolithen, bilden sie Komplexverbindungen mit den Kupferionen. Diese binden stickstoffhaltige Aromaten besser als andere Aromaten, wie Benzol und Organo-Schwefelverbindungen.
Die Wirkung der Zeolithe ist beeindruckend: Der Stickstoffgehalt von handelsüblichem Diesel konnte mit ihrer Hilfe von 83 parts per million auf unter 0,1 parts per million gesenkt werden – also weniger als 0,1 Mikrogramm pro Gramm Dieselkraftstoff. Dabei erfreulich: Die Absorption läuft bei Raumtemperatur und Atmosphärendruck, und das Adsorbens ist vollständig regenerierbar – gute Voraussetzungen also für eine großtechnische Anwendung.
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