Pomysłowość uczonych potrafi zaskakiwać oryginalnością. Kto by przypuszczał, że glina może posłużyć do oczyszczania powietrza z toksycznych zanieczyszczeń, w tym szczególnie uciążliwych oparów lotnych związków organicznych zawierających chlor? A jednak jest to możliwe. Przekonała mnie o tym prof. Ewa Serwicka z Instytutu Katalizy i Fizykochemii Powierzchni PAN w Krakowie.

Dowiedziałem się, że glina zawiera w sobie składniki od dawna stosowane jako sorbenty mineralne oraz katalizatory. Są to tzw. minerały ilaste, będące krzemianami, a ich cechą wspólną jest charakterystyczna budowa warstwowa. Taka struktura wewnętrzna decyduje o wyglądzie ziaren tych minerałów. Zdjęcia z mikroskopu skaningowego zachwyciły mnie swoją niepowtarzalną formą. To, co zobaczyłem, przypominało „róże pustyni”, które turyści przywożą z wypraw na Saharę. Na zdjęciach widać charakterystyczne łuskowate formy montmorillonitu, minerału ilastego cieszącego się szczególnym zainteresowaniem badaczy.

Dziennikarska ciekawość skłoniła mnie do zadania pytania: dlaczego ten materiał tak fascynuje? Odpowiedź brzmiała: bo ma dużą powierzchnię właściwą, wysoką pojemność wymiany kationów oraz cechuje go obecność centrów katalitycznie aktywnych, głównie centrów kwasowych.

Katalityczne wafle

W latach siedemdziesiątych XX w. opracowano technikę tzw. podpierania montmorillonitów, wykorzystującą warstwowe elementy struktury laminarnej, zwane pakietami, jako prefabrykaty do syntezy porowatych materiałów kompozytowych. Metoda ta jest obecnie jednym z podstawowych sposobów modyfikacji minerałów warstwowych. Polega ona na zastąpieniu prostych kationów występujących w przestrzeniach między pakietami, takich jak sód lub wapń, dużymi oligomerami kationowymi, co prowadzi do zwiększenia odległości międzypakietowych i otwarcia struktury montmorillonitu. Ten opis wyobraziłem sobie jako porównanie dwóch struktur zbudowanych np. z wafli, które układane jeden na drugi, dają wyśmienitego pishingera serwowanego w krakowskiej Jamie Michalikowej. Tyle że w jednym sód i wapń to małe greckie rodzynki między waflami, a w drugim, po modyfikacji, duże oligomery mają już postać wielkich prowansalskich rodzynek. Siłą rzeczy przestrzenie między warstwami wafli musiały się zwiększyć.

Co się dzieje dalej z tak apetycznie opisaną strukturą? W trakcie wygrzewania, w temperaturze powyżej 400°C, w wyniku procesów dehydratacji i dehydroksylacji, oligokationy przekształcają się w podpórki metalo−tlenowe o rozmiarach rzędu nanometrów i wiążą w sposób trwały sąsiadujące ze sobą pakiety. Modyfikowany w ten sposób montmorillonit zyskuje stabilną, trwałą termicznie strukturę. W rezultacie otrzymuje się mikroporowate materiały typu sit molekularnych, o powierzchni rzędu 300−400 m2/g, łatwo dostępne dla reagentów. Cechy te sprawiają, że podpierane montmorillonity stanowią niezwykle interesujący materiał jako potencjalne katalizatory.

W wyniku współpracy naukowej między Instytutem Katalizy i Fizykochemii Powierzchni PAN (grupa prof. E. Serwickiej i dr. T. Macheja) i Wydziałem Geologii, Geofizyki i Ochrony Środowiska AGH (grupa prof. K. Bahranowskiego), opracowano ostatnio nowy typ katalizatorów, w których podstawowym składnikiem jest właśnie podpierany montmorillonit. Są one przeznaczone do oczyszczania powietrza z toksycznych zanieczyszczeń, w tym szczególnie uciążliwych oparów lotnych związków organicznych zawierających chlor. Katalizatorów z podpieranym montmorillonitem używa się też jako substancji chroniących naturalne środowisko w przemyśle chemicznym, przy produkcji herbicydów, tworzyw sztucznych oraz rozpuszczalników, a w przemyśle samochodowym, lotniczym i elektronicznym do odtłuszczania powierzchni metalicznych. Są również powszechnie stosowane do chemicznego czyszczenia odzieży.

Dwa patenty

Emisja do atmosfery oparów lotnych zawierających chlor stanowi jedno z głównych wyzwań ekologicznych, bowiem przyczyniają się one do uszczuplania warstwy ozonowej, tworzenia smogu oraz narastania efektu cieplarnianego, a ponadto, co potwierdziły badania, mają właściwości rakotwórcze. Świadomość szkodliwości tych substancji zaowocowała wprowadzeniem w krajach uprzemysłowionych regulacji prawnych limitujących w drastyczny sposób dozwolony poziom emisji organicznych chloropochodnych do atmosfery (np. US 1990 Clean Air Act, Rozp. Min. Ochrony Środowiska, Zasobów Naturalnych i Leśnictwa RP, 1998). W związku z wejściem Polski do Unii Europejskiej, w niedługim czasie nasz kraj będzie zobowiązany do przestrzegania norm unijnych w zakresie kontroli emisji tych związków. Stanowi to ogromne wyzwanie dla polskich przedsiębiorstw, szczególnie dla rozpowszechnionych w całym kraju rzemieślniczych lakierni samochodowych, z zasady nie posiadających żadnych urządzeń ograniczających emisję par rozpuszczalników do atmosfery. Staną one przed alternatywą dostosowania się do nowych przepisów lub zrezygnowania z działalności.

Istnieje zatem paląca konieczność opracowania prostych i niedrogich metod ograniczenia emisji rozpuszczalników, które pozwolą na funkcjonowanie polskich przedsiębiorstw w nowej sytuacji prawnej. Metodą taką może być katalityczne spalanie tych zanieczyszczeń. Badania prowadzone przez wymienione zespoły wykazały, że zastosowanie podpieranych montmorillonitów domieszkowanych jonami metali przejściowych lub szlachetnych, jako nowej klasy katalizatorów do spalania lotnych chloropochodnych organicznych, prowadzi do uzyskania materiałów o wyraźnie lepszych właściwościach od katalizatorów komercyjnych wykorzystujących nośniki konwencjonalne. Wykazano, że pełne spalanie zanieczyszczeń zachodzi w temperaturze około 100 °C, niższej niż na dostępnych na rynku katalizatorach, co w przypadku zastosowań praktycznych oznacza ogromne oszczędności energetyczne. Jednym z powodów tak wysokiej aktywności katalitycznej są nanometryczne rozmiary podpórek, które pozwalają na rozwinięcie stosunku powierzchni ziarna tlenku do jego wnętrza w sposób nieosiągalny w konwencjonalnych nośnikach katalitycznych. Dodatkowym atutem jest odizolowanie podpórek od siebie i ich trwałe związanie z pakietami montmorillonitu, co nadaje im dużą odporność na spiekanie w wyższych temperaturach. Walorem o praktycznym znaczeniu jest łatwość przeprowadzenia tych materiałów w formę odpornego mechanicznie granulatu.

Najważniejsze elementy dotyczące sposobu otrzymywania opisanych katalizatorów zostały ujęte w dwóch zgłoszeniach patentowych. Ocena możliwości wdrożenia tych katalizatorów jest aktualnie prowadzona w ramach programu UE Eureka, przeznaczonego do realizacji tematów cechujących się dużą innowacyjnością.

Cement romański

Spójrzmy teraz na pomysłowość uczonych przez pryzmat ochrony zabytków oraz powrotu do tego, co kiedyś uznano za doskonałe. W krakowskim Instytucie Katalizy i Fizykochemii Powierzchni PAN odtworzono zapomnianą recepturę cementu romańskiego, którego ojczyzną była Anglia. Materiał zyskał popularność w całej Europie, stosowano go także w Polsce, przede wszystkim w Galicji, do seryjnej produkcji dekoracji ornamentowych.

Jak podają źródła historyczne, pierwszy patent zarejestrowano w 1976 roku. W recepturach można odnaleźć przepis na sporządzenie cementu romańskiego. Uzyskiwano go z margli – skał wapiennych z dodatkiem materiału ilastego. Później te skały wypalano poniżej temperatury zeszklenia, a następnie ścierano na mączkę. Cement romański był niezwykle wytrzymały, a przy tym miał krótki czas wiązania – od 3 do 20 minut. Dzięki tej właściwości można było produkować seryjnie odlewy i ornamentalne dekoracje elewacyjne, nawet jeżeli ich forma wskazywała na wybitny rozmach projektanta. Materiał pełnił także funkcje ochronne, zbliżone do tynku. Ciekawa jest też nazwa produktu. Otóż wierzono, że cement romański był odpowiednikiem technologii stosowanej kiedyś w Rzymie. Dla uczczenia i uszanowania wartości tego wynalazku pozostawiono w nazwie „romański”. Technologie te stosowano do I wojny światowej. Wraz z nastaniem modernizmu wyszła ona z użytku, a recepturę cementu romańskiego zapomniano.

Międzynarodowy projekt ROCEM ma odtworzyć XIX technologię. W badaniach uczestniczyli fizycy, chemicy i eksperci w dziedzinie konserwacji zabytków z Wielkiej Brytanii, Austrii, Niemiec, Czech, Słowacji i Polski. Koordynację działań tego naukowego konsorcjum powierzono dr. hab. Romanowi Kozłowskiemu z PAN. W wyniku prac stworzono już odpowiednik dawnego cementu.

Instytut Katalizy i Fizykochemii Powierzchni PAN we współpracy z firmą AC Konserwacja Zabytków, podjął dalsze prace badawcze. Dr hab. R. Kozłowski i dr Grzegorz Adamski prowadzą projekt celowy, który ma przebadać zastosowanie i skuteczność wprowadzenia do konserwacji zabytków odzyskanej starej technologii. Główny nacisk prac skierowany jest na obserwację zachowań cementu położonego na dawne zaprawy tynkowe. Bada się jego funkcje ochronne. Naukowcy obserwują też reakcję starej zaprawy z nową i oceniają ich kompatybilność. Jeśli wszystko przebiegać będzie zgodnie z założeniami projektu, to konserwatorzy zabytków odetchną z ulgą. Jest bowiem szansa na uratowanie wielu starych i wartościowych obiektów.

Żarłoczne bakterie

A oto jeszcze jeden oryginalny pomysł uczonych. Maciej Szaleniec, doktorant, postanowił „nakarmić” bakterię tym, co ludzie uważają za truciznę. W efekcie takiej diety prosty organizm nie ginie, natomiast produkuje coś, co może posłużyć w otrzymywaniu leków. Ale po kolei.

W Instytucie Katalizy i Fizykochemii Powierzchni PAN bada się bakterię, która jest w stanie spożywać produkty ropopochodne. Bakterie wykryto w osadach dennych rzeki Wezery w Niemczech. Po rzece pływają tankowce, zanieczyszczając jej wody. Ekologia na tym cierpi, ale bakteriom to służy, bo mają dużo pokarmu. Każdy, kto korzysta z auta, wie, że co pewien czas musi odwiedzić stację benzynową, aby zatankować pojazd. Zapach, jaki towarzyszy tej czynności, niestety do miłych nie należy. Bakteriom to jednak nie przeszkadza. Im intensywniej pachnie, tym lepiej. Znaczy to, że jest duży zapas produktów ropopochodnych, pokarmu, który tak bardzo im smakuje. Doskonale na nim rosną i wytwarzają dodatkowo enzym o obiecujących aplikacjach. Przy użyciu tego enzymu produkowany jest związek, który po oczyszczeniu może posłużyć jako cegiełka w produkcji nowych leków.

Jedynym problemem jest zmuszenie bakterii do „seryjnej” produkcji enzymu. W czasie „zjadania” zanieczyszczeń, do czego już używa się bakterii, zaczyna gwałtownie spadać poziom tlenu. Kiedy jego zapasy się skończą, bakterie tracą apetyt. I tu pojawia się pomysł na stworzenie „kuzynów” tych bakterii, ale takich, którym środowisko beztlenowe będzie bardzo służyć.

Inżynieria genetyczna pomaga w tworzeniu bakterii chętnych do zjadania trucizn w środowisku beztlenowym. Dzięki niej pojawia się szansa na zmuszenie bakterii do produkcji na masową skalę enzymu, który, włączony do syntezy farmaceutycznej, może przynieść produkt w postaci zupełnie nowego leku.