Wykorzystanie węgla jako źr ó d ł a energii

1. I. Energetyka i Transport Źródła energii Wykorzystanie węgla jako źródła energii Węgiel wyparł drewno z roli głównego źródła energii w Stanach Zjednoczonych w latach dziewięćdziesiątych XIX wieku. W 1882 r. zbudowana zostaje pierwsza elektrownia węglowa, produkująca prąd za pomocą napędzanych parą generatorów elektrycznych. W 1884 Charles Parsons konstruuje wydajniejsze urządzenie - turbinę parową. W latach dwudziestych ubiegłego wieku wykorzystanie rozdrobnionego węglowego pozwala na dalszy wzrost skuteczności elektrowni, redukując ilość powietrza wymaganą w procesie spalania. W 1940 r. wprowadzony zostaje piec cyklonowy, pozwalający na używanie węgla gorszej jakości i zmniejszający ilość powstajacego popiołu. Obecna technika pozwala na spalanie miału węglowego (materiału odpadowego w górnictwie) w celu produkcji prądu i zmniejszenia obciążenia środowiska. Charles Parsons Parsons’ Steam turbine (1907) Paliwa ropopochodne - produkcja i wydobycie Odkrycie rozległego, teksańskiego pola naftowego “Spindletop” w roku 1901 oraz pojawienie się automobilu spowodowały, iż w 1951 ropa zastąpiła węgiel w roli głównego surowca energetycznego. Technologia rafinacji ropy (celem separacji różnych frakcji chemicznych) przez lata ulegała ciągłemu postępowi, zaczynając od prostej destylacji w warunkach atmosferycznych po destylację próżniową (pod zmniejszonym ciśnieniem; od wprowadzenia krakingu termicznego po kraking z użyciem katalizatorów W procesach wydobycia ropy chemia jest najwidoczniejsza w diamentowych fragmentach wierteł, płuczkach wiertniczych oraz uzyskiwania ropy z łupek bitumicznych (poprzez użycie kombinacji pary wodnej i różnych związków chemicznych).Widać ją także w procesach pobocznych, podczas pompowania roztworów wodnych oraz gazu (dwutlenku węgla) pod wysokim ciśnieniem w głąb ziemi. Energia nuklearna Pierwszy reaktor atomowy powstał w roku 1942 na potrzeby wojska. Pokojowe zastosowanie technologii nuklearnych ( w tym produkcja energii elektrycznej) rozpoczęła sie w 1953 wraz ze startem programu „Atom dla Pokoju” prezydenta USA Dwighta Eisenhowera. Od tego czasu chemia odgrywa główna rolę w produkcji materiałów rozszczepialnych (uzywanych jako paliwo w reaktorach), prętów moderujących ( regulujących przepływ neutronów reaktorze), przetwarzaniu zużytych prętówpaliwowych, zagospodarowywaniu odpadówpromieniotwórrzych, ochronie środowiska i minimalizowaniu szkodliwych efektów wystawienia na promieniowanie. Alternatywne źródła energii “Zielone” metody uzyskiwania energii z użyciem wiatru, zasobówhydroenergetycznych i geotermalnych stanowią mniej niż kilka procent całości energii elektrycznej produkowanej na świecie. Odgrywają one jednak coraz większą rolę, określoną przez warunki ekonomiczne oraz dostepność. Dzięki pomocy chemii można stosować panele słoneczne, lekkie turbiny wiatrowe wykonane z włókien węglowych, betonowe i metalowe turbiny do elektrowni wodnych oraz odporne na korozję materiały wykorzystywane w pozyskiwaniu energii geotermalnej.

2. I. Energetyka i Transport I.2 Przechowywanie energii elektrycznej oraz przenośne źródła prądu Baterie jednarazowego użytku Przechowywanie energii rozpoczęło się od badań Alessandro Volty w późnych latach XVIII wieku i od tego czasu stało się źródłem zainteresowań chemików W 1886r. Carl Gassner opatentowywuje baterię cynkowo-węglową, będącą rozwinięciem ogniwa Leclanchégo. Używane pierwotnie w celu zasilania latarek znajduje swoje zastosowanie po dzień dzisiejszy. W 1959 Lewis Urry wynalazł baterię alkaliczną, pozwalającą na produkcję baterii o przedłużonym czasie życia oraz ich miniaturyzację. Od tego czasu znalazła ona zastosowanie w wielu elektronicznych urządzeniach przenośnych. Nowsze rodzaje baterii używają tlenku srebra, rtęci lub metalicznego litu. Bateria cynkowo-węglowa Akumulatory Wynaleziony w 1859 roku akumulator kwasowo-ołowiowy jest jednym z pierwszych przykładówstosowania kontrolowanej reakcji chemicznej w produkcji elektryczności. Poprawiony w 1881 (i rozwijany od tego czasu) akumulator kwasowo-ołowiowy pozostaje dominującym rodzajem akumulatorów używanych w przemyśle samochodowym. Akumulator niklowo-kadmowy, zbudowany po raz pierwszy w 1899 roku znalazł zastosowanie jako zastępca jednorazowych baterii paluszkowych.Współczesne prace skupiają się na zastosowaniu litu. Mimo nieudanych prób zastosowania baterii litowych w latach osiemdziesiątych XX wieku obecnie powszechne są baterie litowo-jonowe, znajdując zastosowanie jako źródła zasilania w laptopach, telefonach komórkowych i urządzeniach przenośnych . Rechargeable batteries

3. I. Energetyka i Transport I.3. Materiały do konstrukcji dróg i mostów Beton Olbrzymi projekt budowy dróg międzystanowych realizowany w USA w latach 50-tych XX wieku w dużym stopniu musiał polegać na wytrzymałości i długowieczności betonu stosowanego w konstrukcjach drogowych. Cement portlandzki, po raz pierwszy uzyskany w 1824r został opatentowany w 1877 przez francuza Josepha Monier’a. Wolnoschnący cement wypełnia szczeliny pomiędzy kruszywem i wiąże się z nim w wyniku skomplikowanych reakcji. Jego parametry zależą od ścisłego kontrolowaia przebiegu procesu produkcji. Dodawanie niektórych związków chemicznych do mieszanki betonowej pozwala na zmniejszenie efektu kurczenia się betonu oraz zwiększa jego odporność na korozję. Asfalt Asfalt stał się popularnym materiałem drogowym dzięki niskim kosztom i wysoce pożądanym parametrom. Naturalny asfalt odkryto w 1595 roku, ale dopiero w 1902 połaczono go ze smołą węglową celem utworzenia nawierzchni drogowej. Bitumen, stały lub quasi-stały odpad procesu rafinacji ropy naftowej, szybko zastąpił naturalny asfalt. Ostatnimi czasy stosuje się także dodatki polimerowe w celu poprawienia trwałości nawierzchni. Superpave (skrót od angielskiego “Superior Performing Asphalt Pavements”) jest jedną z najnowocześniejszych metod produkcji nawierzchni, która potrafi oprzeć się intensywnemu użytkowaniu i niesprzyjającym warunkom pogodowym. Metale i stopy Stal stała się głównym materiałem konstrukcyjnym uzywanym do budowy mostów dzięki swej lekkości, wytrzymałości, łatwości zastosowania, niskim kosztom oraz danej odporności na katastrofy naturalne takie jak trzęsienia ziemi. Nowe stale wysokiej jakości, stosowane od 1990 roku, dzięki zastosowanym dodatkom posiadają podwyższoną wytrzymałość oraz odporność na korozję. Inną metodą podwyższanai odporności korozyjnej konstrukcji jest metalizacja, czyli pokrycie powierzchni stalowej warstwą cynkulub glinu, która stanowi zabezpieczenie antykorozyjne na wiele lat. Technologie naprawy i konserwacji Infrastruktura drogowa musi byc utrzymywana tak,aby nie ulegać poważniejszym uszkodzeniom z powodu długiego użytkowania lub nieprzyjaznej pogody. Innowacje technologiczne w materiałach konstrukcyjnych pozwalają na coraz większe przerwy między remontami drogi. Podstawowymi materiałami naprawczymi są różnego rodzaju lepiszcza i wypełniacze, przedłużające czas życia konstrukcji betonowych, asfaltowych lub stalowych. W tej roli używane sa głównie materiały polimerowe, np. kopolimer styren-butadien-styren (SBS) używany jest celem zwiększenia odporności na pękanie powierzchniowe.

4. I. Energetyka i Transport Paliwa petrochemiczne Paliwa pochodzące z przetwórstwa ropy naftowej Od 1913 roku chemicy wykorzystywali proces crakingu terminczego w celu rozłożenia dużych, ciężkich molekół organicznych na mniejsze, wchodzące w skład benzyn silnikowych. Jednakże, ze względu na fakt, iż w trakcie crakingu termicznego w wysokiej temperaturze powstaje dużą ilość związków pobocznych, od 1928 roku stosuje się proces próżniowej destylacji frakcji, który można przeprowadzać w niższych temperaturach. Dzięki temu unika się zanieczyszczenia frakcji niepożądanymi związkami. W roku 1963 r. został opracowany proces crakingu katalitycznego przez Eugene Houdry. W procesie tym wykorzystywany jest selektywny katalizator zamiast wysokich temperatur. Proces ten został komercyjnie wykorzystany po raz pierwszy w 1937 r. i szybko zrewolucjonizował proces destylacji ropy nafowej. Rafinerie Dodatki uszlachetniające do paliw Wczesnej silniki wydawały głośne dźwięki („stuki”) za każdym razem gdy użyto benzyn niskiej jakości. Od 1921 roku zaczęto stosować Tetraetyloołów jako dodatek do paliw by uczunić prace silnika cichszą i bardziej rówomierną. W 1926 roku wprowadzono skalę oktanową, która pozwala określic jakość paliw. Stosowanie zwiąków ołowiu jako dodatki do benzyn zostało zakończone w latach siedemdziesiątych ze względu na obawy o ich negatywny wpływ na środowisko naturalne i zdrowie ludzkie. Obecnie małe ilości związków organicznych, takich jak alkohole lub estry, są dodawane do benzyn w celu poprawienia ich liczby oktanowej. Stosuje sie również związki metali by poprawić właściwości paliwa oraz zaawansowane detergenty by obniżyć zużycie silnika, a tym samym przedłużyć okres jego eksploatacji. W niektórych krajach stosuje się dodatkowo uszlachetniacze w wybranych sezonach w roku, np. dodanie metanolu pozwala obniżyć temperaturę zamarzania paliwa. Katalizatory W 1975 roku została wprowadzona do użycia kataliza dwuetapowa w celu kontrolowania emisji tlenku węgla (II) oraz węglowodorów. W krótkim czasie zastosowano trzeci etap w celu zredukowania zawartości tlenków azotu w spalinach. Na powierzchni katalizatora metalicznego, najczęściej platynowego, zachodzi wiele reakcji chemicznych: związki azotu są konwertowane do gazowego azotu i tlenu, tlenek węgla (II) do tlenku węgla (IV), a pozostałe węglowodory są spalane do wody i tlenku węgla (IV). Katalizator trojetapowy

5. I. Energetyka i Transport I.5. Przemysł motoryzacyjny Zaawansowane materiały – komfort i bezpieczeństwo Samochody w XXI wieku mają nie wiele wspólnego ze swoimi poprzednikami. Zmianom uległo wzornictwo, wzrósł komfort podróży i poziom bezpieczeństwa pasażerów. Wysokosprawne lampy halogenowe pozwalają na doskonałe oświetlanie drogi w czasie nocnej podróży. Korozja elementów metalowych została znacznie ograniczona dzięki zastosowaniu specjalistycznych powłok ochronnych. Nośniki gazowe stosowane w klimatyzacji są recyrkulowane dzięki czemu znajdują się praktycznie w obiegu zamkniętym. W roku 1914 zotała wprowadzona szyba ochronna. Obecnie stosowane są specjalistyczne polimerowe powłoki ochronne obniżające masę stosowanego szkła, chroniące przed czynnikami zewnętrznymi oraz obniżające dostęp promieniowania ultrafioletowego i refleksów. Do innowacyjnych rozwiązań należą również włókna polimerowe stosowane w pasach bezpieczeństwa (obowiązkowe od lat sześćdziesiątych XX wieku) oraz poduszki powietrzne (obowiązkowe od roku 1996). Elementy plastikowe Osiągnięcia chemikówpozwoliły na graniczenie masy pojazdu dzięki zamianie elementówmetalowych na lżejsze kompozyty i materiały polimerowe. Po II Wojnie Światowej producencie samochodówrozpoczęli stosowanie polimerów ropopochodnych jako wykończenie wnętrz ze względu na ich twardość, wytrzymałość i odporność na warunki atmosferyczne. Po kryzysie energetycznym w roku 1970 poszukiwano lżejszych sybstytutów dla metali w celu zmniejszenie konsumpcji paliwa. Zmiany w projektowaniu samochodów obejmowały: produkowanie nadwozi o skomplikowanych kształtach dzięki formowaniu wtryskowemu, termoplastyczne zderzaki, polipropylenowe włókna któe nie zmieniają kolorówi wytrzymałe na działanie promieniowania ultrafioletowego oraz specjalne farby, lakiery i powłoki ochronne. Włna polipropylenowe Technologia opon Produkty z naturalnego kauczuku były dostępne już na początku XIX wieku, jednakże były niepraktyczne ze względu na kruchość lub mięknienie przu niskiej lub wysokiej temperaturze. W roku 1839 amerykański odkrywca, Charles Goodyear, opracował process wulkanizacji polegający na łączeniu poszczególnych łąńcuchów węglowych za pomcą mostków siarkowych. Proces ten jest stosowany do dni dzisiejszych z wykorzystaniem zaawansowancych katalizatorów i stabilizatorów chemicznych. Od roku 1945 guma jest produkowana komercyjnie. W raz ze wzrostem zapotrzebowania na opony zmieniła się technologia wytwarzania opon z bezdętkowych na dętkowe. Wprowadzono dodatkowe zmiany w postaci wzmocnień z nalutralnych lub syntetycznych włókien, materiałów obniżających zużycie opon i ich podatność na zniszczenie.

6. I. Energetyka i Transport Aeronautyka Balony na ciepłe powietrze Od roku 1783, kiedy to po raz pierwszy człowiek odbył podróż balnem, w którym powietrze było podgrzewane bezpośrednio płomieniem, miało miejsce wiele rewolucyjnych zmian. Ciepłe powietrze szybko zastąpiono lżejszymi, łatwymi do kontroli, gazami. Baloniarstwo stało się popularnym sportem – obecnie w samych Stanach Zjednoczonych zarejestrowanych jest ponad 5000 pilotów. Nauki chemiczne przyczyniły się do rozwoju tego sportu oferując tanie, wytrzymałe, odporne na działanie wysokich temperatur włókna nylonowe oraz technologie skraplania propylenu stosowanego jako paliwo do podgrzewania gazu nośnego balonów Hel Pomimo faktu, iż sterowce wypełnione wodorem, jak na przykład sławny Hindenburg (1937), posiadały zamkniętą konstrukcję, palność wodoru zawsze oznaczałą duże ryzyku dla bezpieczeństwa załogi i pasażerów. W roku 1905, dwoch chemików odkryło naturalny hel w szybie gazowym Kansas i nagle ten jak dotąd żadki pierwiastek stał się nagle wszechobecny w życiu człowieka. W czasie I Wojny Światowej chemicy wydzielili, zmagazynowali i byli wstanie transoportować duże ilości helu. Natomiast w czasie II Wojny Światowej wypełnione helem sterowce bezpiecznie eskortowały żołnierzy oraz zapewniały zaopatrzenie pomiędzy statkami morskimi i łodziami podwodnymi. W latach pięćdziesiątych XX wieku hel był wykorszystywany jako obojętne środowisku dla budowy rakiet oraz jak gaz nośny przy ładowaniu zbiorniów paliwowych. Katastrofa Hindenburga (1937) Paliwo rakietowe Od wczesnych prób wystrzelenie rakiety w latach dwudziestych XX wieku, przez satelity telekomunikacyjne ulokowane na orbcie okołoziemskiej w latach pięćdziesiątych, po stałą stacje kosmiczną w latach osiemdziesiątych, ekspansja człowieka w kosmosie jest niesamowitym osiągnięciem technologicznym. Warunkiem powodzenia misji kosmicznej jest osiągnięcie prędkości pozwalającej pokonać przyciąganie grafitacyjne Ziemi. Pierwsza rakieta kosmiczna została wystrzelona 1926 roku wykorzystując do napędu ciekłe paliwo oraz skroplony tlen. W konsekwencji próbi eksperymentówdo napędzania rakiet kosmicznych stosowano paliwo w fazie stałej jak i ciekłej. Obecnie wachadłowce kosmiczne wykorzystują jako paliwo wodór ciekły, lecz rakiety wynoszące je na orbitę spalają mieszankę sproszkowanego aluminium i chloranu (VII) amonu. Materiały konstrukcyjne dla samolotów rakiet Ponieważ samoloty przeistoczyły się z prostych, drewnianych konstrukcji w zaawansowane technologicznie majstersztyki techniczne, chemia i technologia chemiczne miała za zadanie dostarczyć specjalistyczne materiały, które były w stanie wytrzymać nawet najbardziej wymagające warunki. Stopy aluminium i tytanu oferowały wytrzymałość, niską wagę i wytrzymałość termiczną oraz odporność na korozję. Rakiety mają szczególne wymagania ze względu na ekstremalne warunki, w jakich działają. Przykładem może być ceramiczna powłoka wachadłowców kosmicznych, które muszą wytrzymać ogromne temperatury w czasie powtórnego wchodzenie wachadłowca do atmosfery. Próby dopasowania w tym celu odpowiedniego materiału dotyczyły nawet egzotycznego stopu cyrkonu, lecz ostatecznie wykorzystywane są włókna krzemowe otrzymywane z popularnego piasku.