4. munkaszakasz

A 4. munkaszakasz (2014. 11. 01. – 2015. 04. 30.) eredményei

Főbb tudományos eredmények

A korábbi kísérleti eredmények alapján a kiválasztott négy biomassza minta (akác, repce-, és búzaszalma, kukoricaszár) hőkezelés utáni elemanalízis eredményei alapján megállapították, hogy azok mindegyike a hőkezelés során szénben jelentősen dúsul, hidrogéntartalma lényegesen nem változik, amiből az oxigéntartalom jelentős csökkenésére következtettek. A vizsgálatok azt mutatják, hogy hogy a hőkezelt minták enzimes hidrolízisének hatékonysága a hőkezelés hőmérsékletének emelésével és a hőntartási idő növelésével is csökken.

A heterogén katalízis előnyeit felhasználva olyan gél fázist tartalmazó katalizátorok alkalmazhatóságát vizsgálták biodízelek előállítására, amelyek gél-fázisaiban homogén katalitikus reakciók játszódnak le. Megállapították, hogy a biodízel gyártás szempontjából az ioncserés katalizátoros folyamatokban a legelőnyösebb alkoholok a biológiai úton előállítható etanol, n-propanol és  n-butanol, a legkevésbé kedvező kiindulási anyag a metanol. Etanol mint átészterező alkohol alkalmazásával, a hidroxid formájú anioncserélő gyantával 95 %-os konverziót értek el.

Üzemanyagnak vagy üzemanyag komponensnek alkalmas C4-C19 ketonok, alkoholok, és alkánok előállítására alkalmas folyamatos, gázfázisú, heterogén katalitikus eljárást fejlesztettek ki. Az eljárással  primer alkoholt, például etanolt vagy furfuril alkoholt, előnyösen szekunder alkoholt, például izopropanolt, vagy előnyösen biomasszából származó szénhidrátok fermentációjával előállított izopropanol-butanol-etanol (IBE)- vagy aceton-butanol-etanol (ABE) elegyből C4-C19 ketonokat és alkoholokat állítanak elő. A reakcióhoz aktív heterogén katalizátorokat fejlesztettek ki. Az aktívszén hordozó felületén bázikus alakulatokat hoztak létre, továbbáe hidrogénező/dehidrogénező tulajdonságú fém aktív helyeket alakítottak ki palládium-, nikkel- és réz sókból.

Nem-egyensúlyi plazmában biomassza eredetű etanolt vízgőz jelenlétében reformáltak. Megállapították, hogy a termék főként hidrogént és szén-monoxidot, kisebb mennyiségben metánt, etilént, vízgőzt, szén-dioxidot és elreagálatlan etanolt tartalmazott. Az etil-alkohol konverziója 50 és 80 % között változott, a fajlagos energiafelhasználás csökkenésekor valamint a vízgőz/alkohol arány növelésekor csökkent. A termékben a képződött hidrogén mennyisége szinte mindig meghaladta a szén-monoxidét. A termikus plazmában falisztet és rizshéjt reformáltak, és megállapítottuk, hogy faliszt esetében a szén-monoxid mellett jelentős arányban képződött acetilén is.

 

Gyorsáramlásos reakciókinetikai módszerrel (DF-RF) módszerrel meghatározták az OH + GVL reakció sebességének hőmérsékletfüggését a 300–423 K hőmérséklet-tartományban, és megállapítottuk, hogy az eltér az Arrhenius törvénytől. A hőmérsékletfüggés a

k1 = 9,1 10–13 exp (66,9 / T) + 5,4 10–9 exp (–3606,2 / T) (cm3 molekula–1s–1) kifejezéssel írható le, jó egyezésben a 6. részfeladatban elméleti kémiai számítások eedményeivel. A BME Jendrassik György Hőtechnikai Laboratóriumával együttműködésben megvizsgálták a GVL motorikus és emissziós sajátságait benzinmotorban tiszta benzin és 10% GVL + 90% benzin eleggyel végzett kísérletekben megállapították, hogy a GVL-adalékolásnak benzinmotor esetén kedvező és kedvezőtlen hatásai egyaránt vannak: 10% GVL benzinbe keverése megnöveli a teljesítményt és javítja a hatásfokot, de ugyanakkor növeli a maradék üzemanyag, a NOx és a CO károsanyagok emisszióját is.

Elméleti kémiai módszerekkel megmutatták, hogy a biomasszából származó furfural és 5-hindroximetil-furfural OH-gyökökkel lejétszódó reakciójának leggyorsabb  csatornája a gyök addíciója az aromás gyűrűre. A reakció gázfázisban gyors és a körülményektől függően az aromás gyűrű felbomlására vezethet. A két furánszármazék gőznyomása azonban kicsi, folyadékfázisban pedig az OH koncentráció alacsony, ezért a reakció várhatóan a környezetbe kerülés után nem károsítja e  vegyületeket. Kvantumkémiai számítások segítségével megállapították, hogy az 5-hidroximetil-furfuralból fény hatására várhatóan kevés triplett állapotú molekula keletkezik, a foszforeszcencia kvantumhatásfoka alcsony, és a fényelnyelés várhatóan nem vezet a molekula bomlására.

A Karlsruhe Institue of Technology (Németország) kutatóival kialakított együttműködés keretében a külföldi partner kísérleti vizsgálatait kiegészítő elméleti kutatásokban új modellt dolgoztak ki az NCN gyök izomerizációjára és disszociációjára. Ez a rekció a kulcslépése a hagyományos és bioüzemanyagok magas hőmérsékletű égetésekor a nitrogén-oxidok, NOx keletkezésének. Az elméleti vizsgálatok során megállapították, hogy a reakció potenciálfelülete eltér attól, ami a korábbi számítások alapján az irodalomban elfogadott volt. Az NCN gyök két lépésben egy gyűrűs szerkezeten át CNN gyökké izomerizálódik, de ezután nem az eddig feltételezett magas potenciálgáton át vezető úton, hanem egy egyszerű, gátnélküli csatornán bomlik el N2 molekulára és triplett állapotú C-atomra. Ezzel az új modellel – a korábbiakkal szemben – a kísérletileg mért adatokat jól reprodukálni lehet.

Elméleti kémiai módszerekkel modellezték zeolitkatalizátorok szerkezetét. Meghatározták a nátrolit és a szkolecit nevű, hasonló szerkezetű, kristályvizet tartalmazó zeolitfajták melegítés hatására lejátszódó fázisátalakulásainak lehetséges termékeit. A számítások szerint a nátrolit vízvesztéssel egy olyan ráccsá alakul, amelyben a zeolitcsatornák alakja megváltozik. A kapott szerkezet jól egyezik a kísérletezők által metanátrolit néven emlegetett kristályszerkezettel. A szkolecit vízvesztése során kétféle szerkezet adódott, melyek stabilitása kisebb, mint a víztartalmú szkolecité. Ezek arra utalnak, hogy bár a kísérletezők szerint a szkolecit rácsa vízvesztéskor összeomlik, nem zárható ki a vízmentes rács létezése.

A korábbi eredményekből kiindulva poli(N,N-dimetil-akrilamid)-l-poliizobutilén, valamint poli(N,N-dimetil-akrilamid-ko-N-vinilpirrolidon)-l-poliizobutilén amfifil polimer kotérhálókat állítottak elő és jellemezték azok tulajdonságait. Az újtípusó kotérhálókat templátként használták újfajta, arany nanorészecskéket tartalmazó hibrid kompozitok előállítására. Elektrokémiai impedancia spektroszkópiás mérésekkel megállapították, hogy a duzzadt poli(N-vinilimidazol)-l-poliizobutilén amfifil kotérhálók mutatnak az alkalmazhatóság szempontjából fontos ionvezetést. Szisztematikusan változtatott összetétetelű és szerkezetű poli(poli(etilén-glikol)-metakrilát)-l-poliizobutilén amfifil kotérháló-sorozatok Li-ionvezetésének vizsgálata alapján azonosították a kémiai összetétel és a vezetőképesség közti kapcsolatot.

Olcsó kereskedelmi szénszövetek felhasználásával szuperkondenzátor elven működő gombelemeket konstruáltak, és célműszert építettek azok hosszútávú galvanosztatikus töltés-kisütés vizsgálatára. A műszer egyik fő alkotóeleme egy vezérelhető áramforrás, amellyel a cellán felváltva I illetve –I (tipikusan I=1-20 mA, az 1 A/g-os fajlagos áramnak megfelelően) áramot bocsájtanak át; a polaritásváltás akkor történik, amikor a cellafeszültség eléri a 0 illetve 2 V határokat. Egy feszültségmérő egység (A/D konverter) állandóan, kb. 50 ms időbeli felbontással méri a cellafeszültséget; a polaritásváltások előtt- és után 10-10 feszültség mintára egyenest illeszt, ezek paramétereiből a cella soros ellenállását és kapacitását számítja; ezeket egy adatállományhoz hozzáfűzve rögzítjük. Egy feltöltési-kisütési ciklus kb. 10-100 s hosszan tart, így egy nap alatt 1000 ciklus adatai rögzítődnek. A teszteket több hónap mérési időre, azaz több százezer ciklusra tervezték.  A mérőműszer legfontosabb tulajdonsága mégsem a pontos áram-szabályozás és feszültségmérés, hanem a zavarmentes működés, túltöltésvédelem, amelyet három módon biztosítottunk: a cella leold, ha (1) a hálózati feszültség megszűnik, (2) a számítógépes vezérlés leáll; valamint (3) bekapcsol egy túláramvédelem, ha a cella feszültsége -0.2V alá illetve +2.2V fölé kerülne.

Tájékoztatási tevékenység

                  a. Miniszimpóziumot tartottunk a projekt korábbi szakaszában résztvevő volt középiskolás diákok, ma egyetemisták számára

                  b. 5 előadás tudományos konferenciákonc. 4 tudomános közlemény

                  c. A munkacsoportok egyes kutatási eredményeit egyetemi kurzusok keretében   ismertették egyetemi hallgatókkal.

                  d. a jelen honlap frissítése