Hvernig verður kolefnissúrefni úr olíu/eða tjara að „svartri gullinu“?

Geturðu talið það? Grunnurinn í racketum Ólympíusigra sem geta skorið badmintonboltann á 300 km/klst, Formúla 1-bílar með líkama sem standast 0-100 km/klst á 2,3 sekúndum, jafnvel ytri umhverfi geimskota sem bretta gegn loftlagslöggunum – allt byggist á úthlutaðri „svörtu eftirleif“ eftir olíuskiptingu?

Í dag förum við í gegnum áhrifamikla vaxtarásarsögu kolvetnis, efnifræðiheimsins 'bestu efna'. Kynntu þér hvernig ógreinileg olíuasfalt náði að vinna sig úr ótölum prófum og varð til "svarthlutar", efnis sem er verðmættara en silfur!

Af hverju er það kölluð "svarthluti"?
Áður en við hefjum þessa umbreytingarferð skulum við svara grunnmikilli spurningu: Af hverju er kolvetni oft borið saman við gull?
(1) Verð þess er virkilega 'gullverðlaust': Venjulegt kolvetni kostar nokkur þúsund júan á kílógrammi, en dýrasta loftfaragráða kolvetni getur náð allt að 20.000 júan á kílógrammi – dýrara en silfur (nálægt 5 júan á grömmi).

(2) Framran afköst: Þyngir aðeins fjórðung steins en hefir tíufalda styrk hans, endurskiptist ekki við syruárás og brotnar ekki við -180°C.

(3) Skorturinn á því er virkilega metanlegur: aðeins tólf eða svo lönd eru með massaframleiðslugetu í heimi, og hágæða kolefnissúrefi er flokkað sem „strategíslegt efni“ – sem gerir það erfitt að fá hold á því jafnvel þegar menn vilja.

Þessi „allroundari“ kemur frá asfalti, hliðaraefni úr olíuhefningarferli – eins og að ná dimant úr kolahópi, og hver skref er fullt af undrum.

Asfalt í kolefnissúrefi: Fimm skrefa 'gullgerningarferli' þar sem ekki má sleppa neinu skrefi!

Skref einn: Val á efni – besta bestu: Hágæða bitumen
Ekki allt bitumen getur komið aftur. Bitumenið sem við notum venjulega til vegabygginga inniheldur of margar terior og hefir lágan kolefnisgehalt, sem gerir það óhentugt. Aðeins „sérstök tegund bitumens“ með háan hreinleika, háan kolefnisgehalt (90 %) og lágan súrefnis- og metallgehalt er hægt að nota til framleiðslu kolefnissúrefs.

Verkfræðingar nota leysiraukningu til að „baða“ asfaltinn: þeir leggja hann í sérstök leysir til að sía burtu tergun eins og súrefni, stiklstofn og erfiðar málmar, álíka sandur. Distillun endurskemmir síðan sameindagerð hans og gefur honum möguleika á að drjúpa út í tråð sem getur orðið haldin við há hitastig.

Þessi stig líkist vali á leikmönnum: aðeins þeir sem hafa „sterkar grunnvallar“ mega standast síðari hart meðferð.

Skref tvö: Þensla – dregning „gulltråða“ sem eru tíu sinnum fínnari en hárstrjá.
Hreinsaður bitumen er hitaður upp að 200–300°C, og breytist í syrðilega „sýra“ álíka hunangi. Þessi sýra er síðan ýtt í gegnum „spínuletöflu“ fulla af litlum holrum – hvorugt mælingu 5–50 mikrómetra í diameter (samhverft manneskjuhári sem er 50–100 mikrómetrar), fínnara en saumarás!

Asbótsþræðirnir sem er notaðir í gegnum þessa op eru strax dökkvaðir í köldum vatni eða kólnuðu lofti til að „kæla og stífna“, og mynda áframhaldandi „asbótsþræðistrúða“. Þessi skref krefst afar mikillar tæknilegrar hæfileika: aðeins hærri útþrýstingshraði veldur því að þræðirnir brotna; aðeins lægri kælingartemperaturen gerir þá brotlíka; jafnvel eitt einasta blokkiert op getur leitt til þess að öll lota af þræðum verði ónotableg.

Maður gæti hvert um að „gerviproducera silkurormaeggjö“ nema að „filömentunni“ sem er dregin sé tíu sinnum fínnari en silki.

Skref þrjú: Forsúrefing – Að klæða filömentuna með „eldvörnubuxum"
Nýlega spunnin asbæturfilömenta er mjög viðkvæm hluturinn: hún brýtist við minnstu toga og brennur við minnstu eldsparki. Til að gera hana sterka og seigja er fyrsta skrefið að gera hana eldvörnugjöf.

Háðarfilamentið er sett í ofn sem heitir 150–300°C, þar sem því er hitað hægt í lofti í nokkrar klukkustundir. Í þessu ferli losnar vetnis- og súrefnisfrumefnin átta af asfaltsfilamentið. Sameindagerð þess breytist frá línulegri yfir í netkerfiskennda og liturinn verður úr svörtum að dökkbrúnum. Auk þess verður það eldheldt!

Þetta skref má ekki sleppa: ef forskipting er sleppt og haldið beint áfram í háhitastillingu myndi asfaltsíðið brenna upp augnabliklega og allar fyrri vinnsluaðgerðir verða tafarar. Auk þess verður hitunartaktin að vera hæg; ef henni er hratað myndast „ójöfn innri spenna“ í síðinu og valdið sprungum.

Skref fjögur: Köfun – Hreinsun við háa hitastig til að framleiða „hreint kolvetni“
Hárfan, nú þegar klædd í "eldvörnugt föt", verður að fara í gegnum "endanlega prófunina" innan kolunovnsins. Ovnurinn starfar við hitastig á bilinu 1000 til 1800°C og verður að halda sér úr súrefni (annars myndast kolefnis-díóxíð).

Undir þessu háa hitastigi "flýja" síðustu eftirleifir af ekki-kolvetni frumefnum (eins og vetnis og stikstofs) úr hárnum sem gas. Eini sem eftir er er næstum hreint kolvetn (kolvetnsinnihald 90%), þar sem sameindarbúnaður hans endurskipuleggir sig í röðuð "grafið-áglík kristöl". Á þessum stig er "asalts-hárnum" formlega uppfærður yfir í "kolvetnshársforløpara"!

Kolunartemperaturen ákvarðar beint gildi kolvöðulsins: venjulegur iðnivöðul af kol má framleiða við um 1000°C, en vöðull fyrir loftslags- og geimferðatæki krefst hitastigs yfir 2000°C. Þetta leiðir til reglulegra kolkrystallabygginga og styrkleika sem aukast margfaldlega, sem auðvitað hefur í för með sér verðhækkun.

Skref fimm: Yfirborðsmeðhöndlun – Uppbygging tenginga fyrir kolvöðul
Nýja kolunni kolvöðull er jafnhrjóss og glas og hefur tilhneigingu til að "gleypa" þegar festur saman við efni eins og harðefni eða málma – svo og tvær sléttar glugguskeggjar settar saman, sem síðan skilja sig með trölltrúninu. Meðhöndlaður kolvöðull er síðan vafinn í efni (kolvöðulplagg eins og fyrr var talað um) eða klipptur í stuttar plöntur, og myndar "kerniskelinið" samsettra efna.
Á þessum punkti er loks lokið 2–3 mánaða „umbreytingarferðinni“ sem hófst með asfalti.

Þessar lítið þekktu staðreyndir eru óþekktar hjá 90% manna!

1. Ekki allur kolvetni framleiðist úr olíusjávar: auk olíusjávars er hægt að nota polyakrylnítril (PAN) og vískósáburð til að framleiða kolvetni. Kolvetni úr PAN tekur fyrir 90% af heimsmagni, en kolvetni úr sjávari er betra hent við hámarksgæði og sterka forrit.

2. Til að framleiða einn tonn af kolvetni eru nauðsynlegir 20 tonnar ávöxtunarefna: frá sjávargeimum til kolvetnis er framleiddur magn hlutfallslega minni en 5%. Engin undrun að því að það sé svo dýrt.

3. Kína hefir brotið monopol: áður var yfirborðs-kolvetninum stjórnað af Evrópu, Bandaríkjunum og Japan. Nú hefir Kína náð massaframleiðslu á T1100-gæða kolvetni (geymslugæða), sem er 30% ódýrara en innflutt vöru.

Hvaða kolvetni vörur hefurðu mætt?
Kolvetni er í raun nærri daglegu lífinu okkar: auk geimferða og bakhólabrautar er hann nú notaður í hámarks gæða hjólabyggjum, drónahöndum og jafnvel í hylki fyrir síma.

Hefurðu komist í veg fyrir kolvetni vöru í umgjörðinni þinni? Eða hvaða framtíðarforrit sérðu fyrir þessu efni? Deildu hugmyndum þínum í athugasemdunum!

Ómerkilegi jarðolíuasfaltinn gekk í gegnum áttungt umbrot á nokkrum mánuðum, og breyttist í "svarta gullið" sem er grunnur hámarkaframleiðslu. Aftan við þetta stendur ótrúlegur áhersla tölulessra verkfræðinga á nákvæmni á millimetranótu, ásamt mannkyns samfelldri leit að því hvernig mörk efnafræði geti verið framrýmd. Næsta sinn sem þú kemst í veð fyrir kolvetnivöru gætirðu hugsanlega minnst: hún byrjaði einu sinni sem aðeins rusl úr jarðolíuefnum.