Cirkulær kemi
1. Cirkulær kemi – når stoffer får nyt liv
I en verden med global klimakrise er der stigende fokus på klima og bæredygtighed. Kemi spiller en helt central rolle i at finde løsninger, der minimerer spild, øger genanvendelsen og udnytter ressourcer bedre. I stedet for at tænke i en lineær model – hvor vi udvinder, bruger og smider væk – handler cirkulær kemi om at skabe et kredsløb, hvor materialer genanvendes i nye produkter.
For nogle grundstoffer, som fx phosphor, aluminium, de sjældne jordartsmetaller, cobalt, nikkel og andre metaller, er det bydende nødvendigt, at vi ikke blot mister, det der har været i brug, da disse grundstoffer er kritiske råstoffer. Kritiske råstoffer er vigtige råvarer, der har stor økonomisk betydning og en høj forsyningsrisiko. Læs evt. mere om kritiske råstoffer i temaet Grundstoffer og bæredygtighed her. For andre materialer der består af organisk stof, som fx plast og tøj, bør vi forbruge mindre og blive bedre til at genbruge eller genanvende.
Methanol er et organisk stof og tilhører stofklassen alkoholer. Methanol har formlen CH3OH. Methanol kan anvendes som brændstof, men er også et vigtigt basiskemikalie, altså et kemikalie man udnytter til produktionen af en hel række af andre stoffer. Produktionen af methanol, kan gøres mere bæredygtig vha. netop cirkulær kemi, som illustreret i figur 1. Her dannes methanol med brug af vedvarende energi, ud fra affaldsstoffet carbondioxid (CO2), og dihydrogen (H2) fra vand.
Grøn methanolproduktion er beskrevet nærmere i temaet Power-to-X, her.
Eutrofiering, klimaforandringer og C,N og P’s naturlige kredsløb
Eutrofiering og klimaforandringer er to store globale udfordringer, der er forårsaget af menneskelig aktivitet. Eutrofiering stammer fra det store forbrug af phosphor- og nitrogen-baserede gødningsstoffer, mens klimaforandringer bl.a. stammer fra den massive forbrænding af fossile brændstoffer. Grundstofferne carbon, nitrogen og phosphor mistes som affald til lands til vands og i luften, bl.a. som overskydende carbondioxid (CO2), ammoniak (NH3) og phosphat (PO43-). Det forstyrrer de naturlige kredsløb for carbon, nitrogen og phosphor , og skaber en lang række negative miljøpåvirkninger.
Det er derfor helt nødvendigt med den cirkulære kemi, hvor kemiske omdannelser muliggør effektiv genvinding og genbrug af disse stoffer.
hvis et kilo aluminium udvindes fra råstoffet bauxit (et mineral), skaber det 85,4 kilo affald. Mens et kilo genanvendt aluminium kun skaber 3,5 kilo affald?
2. Fra affald til ressource
Når vi producerer ting, skaber det altid en eller anden form for affald. Ved at forbruge mindre, produceres mindre affald. Ved at øge både genbrug og genanvendelse af stofferne, kan stofferne i affald gå fra at være affald til at være en ressource.
Forebyggelse af affald, genbrug og genanvendelse er vigtig og central i den cirkulære kemi, som illustreret i affaldstrekanten i figur 2.
Opgave 1: Affaldstrekanten
Gå sammen 2 og 2 eller 3 og 3. Kig godt på figur 2, affaldstrekanten.
- Snak om hvad der gør den største forskel, hvis vi vil skåne planeten mest muligt, inddrag figur 2.
- Hvad er upcycling for noget? Kom med konkrete eksempler.
- Hvad er genanvendelse ift. genbrug?
Tjek linket her, når I har besvaret opgaven. Så kan I se svar på ovenstående spørgsmål.
Alle kommuner i Danmark skal sortere affald i minimum ni fraktioner: mad, papir, pap, glas, metal, plast, mad- og drikkekarton, restaffald og farligt affald, som vist i figur 3. Figuren forklarer også kort, hvad der sker med de enkelte fraktioner.
Det er både ressourcebesparende og bæredygtigt, at vi affaldssorterer.
Opgave 2: Affaldsfraktioner og kemi
Gå sammen 2 og 2 eller 3 og 3. Kig godt på figur 3.
- Gennemgå hver af de 9 affaldsfraktioner. Diskuter om fraktionen primært består af organisk eller uorganisk kemi.
- Kom med nogle bud på, hvilke grundstoffer I tror de enkelte fraktioner indeholder.
Forsøg med påvisning af stoffer i affald
Affaldssortering i bl.a. industri og husholdninger er grundlaget for den cirkulære kemi. Ved at trække på kemisk viden, kan vi skelne de forskellige affaldsfraktioner fra hinanden og det er i fokus i forsøget Påvisning af stoffer i affald, som du finder under fanen Eksperimentelt eller her.
Forskningsfortælling: Sukkermolekyler binder drivhusgassen methan
Hvad har donuts og methan med hinanden at gøre? Og kan sukkermolekyler bidrage til en løsning af klimaproblematikker med methanudledning?
At det kan betale sig at dykke ned i gamle kilder, når man leder efter nye løsninger på problemer ved Mikael Bols. Mikael er professor på Kemisk Institut ved Københavns Universitet og underviser også på kurset Green and sustainable chemistry, hvor også cirkulær kemi indgår. Mikael er organisk kemiker og forsker i bioorganisk kemi, kunstige enzymer, medicinalkemi og kulhydratkemi.
Mikael Bols gennemsøgte forskningslitteraturen for beskrivelser af netop methanopsamling. Op dukkede en undersøgelse fra 1957 med et eksperiment, der viste, at et kulhydrat ved navn α-cyclodextrin kunne binde bl.a. methan. "Artiklen er fra før jeg blev født, så viden om at disse kulhydrater kan binde sig til methan, har eksisteret i et stykke tid. Faktisk viser vores indledende eksperimenter, at kulhydratet binder methan bedre, end man observerede i 1957, hvilket lover godt," siger Mikael. Vi ser lidt nærmere på, hvad der sker kemisk:
Sukkermolekylet α-cyclodextrin tilhører gruppen kaldet cyclodextriner, der er naturlige kulhydrater (i kemi kalder vi dem carbohydrater), der stammer fra stivelsesholdige planter. Cyclodextriner er små cykliske forbindelser, sat sammen af typisk 6-8 glucoseenheder, og bundet sammen via elektronparbindinger (mere specifikt er det såkaldte α-1-4 glycosidbindinger). Cyclodextriner har en donutlignende struktur og kan binde hydrofobe stoffer i hulrummet, som fx methan, illustreret i figur 4.
Methanbinding sker ved, at man først laver en mættet opløsning i vand af carbohydratet α -cyklodextrin. En mættet opløsning betyder, at man har opløst så meget α -cyklodextrin, som man kan. Hvis man tilsætter mere, går det ikke i opløsning, men danner bundfald. Den mættede opløsning med α -cyklodextrin overføres til en beholder, der kan tåle et stort tryk. Beholderen påføres methangas med et tryk på 18–34 bar ( altså 18-34 gange normalt tryk) ved 25 grader °C i 1-28 dage, hvorved der dannes krystaller, der indeholder cyclodextrinen med bundet methangas. Man kan sige at methangassen er spærret inde i cyclodextrinen.
Processen kan senere bringes til at gå den anden vej, når krystallerne opløses i vand, hvorved methangas bobler af og forlader væsken. Cyclodextrin kan genanvendes og atter binde nye molekyler.
Det er interessant ift. de klimaproblemer, vi har, hvis cyclodextriner kan bruges industrielt til at fange drivhusgassen methan, og dermed bidrage til klimakampen. Methan, som frigives til atmosfæren både fra fossile brændsler, kvæg i landbruget (kvægbrug) og naturlig kilder, er 20 gange så potent som drivhusgas end CO2. Der er derfor stor interesse for metoder, der kan bruges til at indfange eller omdanne methanen til CO2.
”Hvis vi kan finde et effektivt methan-bindende molekyle er perspektiverne store. Vi er dog stadig et stykke derfra, og vi har stadig ikke et bedre molekyle end α -cyclodextrin. Noget af det, vi undersøger, er at ændre størrelsen af hulrummet i cyclodextrin, så den er optimeret i størrelse til methan. En anden ting, vi undersøger, er effekten af at organisere cyclodextrin molekylerne på en overflade, så de så at sige bedre kan komme til at binde gassen. Derfra ville man kunne skabe et filter, der først fanger methan fra røggas eller udluftningsgas fra en stald, og derefter regenereres ved opvarmning og afbrænding af methanen til CO2.
Perspektiverne for anvendelsen af cyclodextriner er faktisk mange. Cyclodextriner anvendes i dag også til at fjerne PFAS fra drikkevand. Det udnyttes kommercielt i nogle drikkevandsfiltre fra CycloPure ®, der renser drikkevand ved at cyclodextriner fra majsstivelse binder over 40 forskellige typer af PFAS-forbindelser.
Hvis cyclodextriner udvindes fra affald, fx planteaffald eller madaffald, og bruges til at fjerne methan, der ellers ville udledes til atmosfæres, indgår stofferne i et cyklisk kredsløb, hvor stoffer omdannes og får nyt liv. Sådan kan sukkermolekylers binding af methan blive en del af den cirkulære kemi.
Opgave 3 Om cyclodextriner og methan
Opgaven forudsætter at du har læst forskningsfortællingen ovenfor,
- Formuler kort hvad donuts og methan har med hinanden at gøre?
- Kan cyclodextriner bruges ift. at løse nogle klimaudfordringer?
- I faktaboksen nederst i forskningsfortællingen står, at methan er en 84 gange mere potent end carbondioxid. Mikael Bols nævner at methan er 20 gange værre end carbondioxid. Begge dele er rigtigt, undersøg hvorfor.
- Hvis ikke du allerede kender PFAS, så undersøg kort hvad det er. Hvorfor er man er så interesseret i at fjerne det fra drikkevand?
I to temaer stiller vi skarpt på, hvordan netop kemi kan være med til at løse nogle af vores største udfordringer.
- I temaet ‘CO₂ – fra klimasynder til byggesten’ ser vi nærmere på, hvordan vi kan fange og genbruge den drivhusgas, der er blevet et symbol på klimaforandringer – og hvordan kemiske processer kan omdanne den til noget nyttigt.
- I temaet ‘Plastik i kredsløb’ undersøger vi, hvordan plastmaterialer kan genanvendes kemisk, og hvilke muligheder og begrænsninger, der ligger i at gøre plast mere bæredygtigt.