Warum ist „gefährliches“ Vinylchlorid nicht verboten?

Kürzlich entgleiste im US-Bundesstaat Ohio ein mit gefährlichen Chemikalien beladener Zug und geriet in Brand, wodurch die gefährliche Chemikalie Vinylchlorid austrat. Aufgrund der krebserregenden und anderen Eigenschaften der betreffenden Substanzen hat der Vorfall weltweite Aufmerksamkeit erregt.

Da ich in der chemischen Forschung tätig bin, ist es unvermeidlich, dass Freunde mich nach meiner Meinung zu diesem Thema fragen. Hier muss ich allerdings darauf hinweisen, dass es leider an entsprechenden Testdaten mangelt. Auf Fragen, die alle beschäftigen, wie etwa „Wie schwerwiegend ist der Schaden?“, können wir keine genauen Antworten geben. Heute möchte ich mit Ihnen hauptsächlich über zwei andere Themen sprechen. Warum ist es in der chemischen Industrie notwendig, Vinylchlorid einzusetzen, obwohl es hochgiftig ist? **Kann es nicht durch etwas anderes ersetzt werden? Wie ist die aktuelle Situation der Produktion und Verwendung von Vinylchlorid in meinem Land?

Fotos vom Zugunglücksort am 6. Februar, Ortszeit

(Fotoquelle: People's Daily Overseas Edition)

Teil 1

Warnung vor „hohem Risiko“

Was genau ist Vinylchlorid? Warum bekommen die Leute solche Angst, wenn sie darüber reden? Wenn wir uns seine Strukturformel C2H3Cl ansehen, können wir erkennen, dass es eines der Wasserstoffatome in Ethylen durch ein Chloratom ersetzt.

Obwohl es nur einen Unterschied im Atom gibt, haben sich seine Eigenschaften dramatisch verändert.

Vinylchlorid

(Bildquelle: Veer-Fotogalerie)

Ethylen ist ein inerter Stoff und der Grundstein chemischer Rohstoffe. Mithilfe von Ethylen können viele hochwertige chemische Produkte synthetisiert werden.

Vinylchlorid ist der Grundrohstoff für die Herstellung des Kunststoffs Polyvinylchlorid (PVC). Es kann auch mit Vinylacetat, Butadien usw. polymerisiert werden. Es kann auch als Extraktor, Kühlmittel usw. verwendet werden. Es hat ein breites Anwendungsspektrum in der chemischen und chemischen Industrie.

Gleichzeitig ist Vinylchlorid aber auch eine sehr gefährliche und giftige chemische Substanz. Es wurde von der Internationalen Krebsagentur der Weltgesundheitsorganisation als Karzinogen der Klasse 1 eingestuft und kann offensichtliche Schäden an der menschlichen Leber und Lunge verursachen. Darüber hinaus entstehen bei der Verbrennung von Vinylchlorid noch mehr schädliche Giftgase wie Phosgen und Chlorwasserstoff. Beispielsweise kann Phosgen unter bestimmten Umständen zum sofortigen Tod führen.

Teil 2

Vinylchlorid: eine „gefährliche“ Chemikalie und ein wichtiger Bestandteil der Chlor-Alkali-Chemieindustrie

Wenn es so gefährlich ist, warum müssen wir dann Vinylchlorid herstellen? Ist ein vollständiges Verbot der Verwendung von Vinylchlorid möglich?

Die Antwort lautet: Zum jetzigen Zeitpunkt nicht möglich.

Neben seinem großen Anwendungshintergrund als Polymer-Polyvinylchlorid-Kunststoff (PVC) liegt dies auch daran, dass er in der Chlor-Alkali-Chemieindustrie eingesetzt wird. Aufgrund der nationalen Gegebenheiten meines Landes kann ein Material, das so eng mit praktischen Anwendungen verbunden ist, nicht einfach verboten werden.

Unter Chlor-Alkali-Chemie versteht man den Prozess der Herstellung von Natriumhydroxid und Chlor durch Elektrolyse von Natriumchlorid in der Industrie. Es handelt sich um die wichtigste industrielle Methode zur Herstellung von Natronlauge (Natriumhydroxid).

China ist der weltweit größte Hersteller von Natronlauge und produziert über 50 % der weltweiten Natronlauge. Das bestehende Verfahren zur Herstellung von Natronlauge ist hauptsächlich die Ionenmembranmethode zur Elektrolyse von Salzlake. Ätznatron wird hauptsächlich in verschiedenen Vorbehandlungs- und Absorptionsverfahren in der Industrie eingesetzt und macht mehr als 50 % der Gesamtproduktion aus. Etwa 25 % der Natronlauge wird in der Papierindustrie verwendet.

Daher spielt die Chlor-Alkali-Chemieindustrie eine äußerst wichtige Rolle.

Allerdings ist diese Zubereitungsmethode nicht „perfekt“. Bei der Elektrolyse von Natriumchlorid entstehen neben dem gewünschten Produkt Natronlauge auch Wasserstoff und Chlor. Diese beiden unerwünschten Produkte werden oft als „Nebenprodukte“ bezeichnet.

Die Gesamtreaktionsformel lautet wie folgt:

Unter diesen ist Chlor ein extrem starkes Oxidationsgas und sehr ätzend. Wenn Chlor austritt, entstehen unter Sonneneinstrahlung hochgiftige Substanzen wie Phosgen, die ein enormes Sicherheitsrisiko darstellen und in der Industrie nur schwer über längere Zeit in großen Mengen gelagert werden können.

Wenn Chlor nicht rechtzeitig und kostengünstig verbraucht oder gelagert werden kann, wirkt sich dies erheblich auf die Produktionskosten von Chloralkalichemikalien aus. Da Ätznatron ein äußerst wichtiger Industrierohstoff in der chemischen Industrie ist, werden sich die steigenden Produktionskosten kontinuierlich auf alle Aspekte der Branche auswirken.

Importierte Flüssigchlorkompressoren und kleine Flüssigchlortanks sind die teuerste Ausrüstung in einer Chlor-Alkali-Anlage.

(Bildnachweis: Foto vom Autor aufgenommen)

In den 1990er Jahren kam es in China aufgrund des geringeren Chlorverbrauchs zu Versorgungsengpässen bei Natronlauge und einem Preisanstieg, der für viele Chemieunternehmen zu erheblichen Verlusten führte. Zudem stiegen die Preise entsprechender Produkte, was sich ebenfalls entsprechend auf die Volkswirtschaft auswirkte.

Um die Chlor-Alkali-Industrie zu stabilisieren, die Chlorlagerung zu reduzieren und Unternehmenskosten zu sparen, muss die Chlornutzung daher optimiert werden. Chlor wird in der Chemie-, Landwirtschafts-, Medizin- und Gesundheitsbranche häufig verwendet. Zu seinen Hauptanwendungen zählen die Herstellung von Salzsäure, organischen Lösungsmitteln, Pestiziden, Desinfektionsmitteln, anorganischen Salzen und chemischen Reagenzien usw. Diese Anwendungen verbrauchen etwa zwei Drittel der Chlorproduktion.

Sind Sie nach der Lektüre etwas ungeduldig? Wir haben so viel geredet, was hat das mit Vinylchlorid zu tun? Keine Sorge, oft ist nicht alles auf der Welt so einfach, wie es auf den ersten Blick scheint. Dinge, die Sie scheinbar nicht tun möchten, können tatsächlich untrennbar miteinander verbunden sein, ganz zu schweigen von „Chlor“ und „Vinylchlorid“, die sehr verwandt zu sein scheinen! Als nächstes kam Vinylchlorid auf den Markt.

Eine weitere kostengünstige Möglichkeit, große Mengen Chlor zu speichern, besteht in der Synthese von Vinylchloridmonomer und der Herstellung von Polyvinylchlorid-Kunststoff.

Polyvinylchlorid hat gute mechanische Eigenschaften und Hitzebeständigkeit. Es kann zu Rohr- und Kabelisolationsmaterialien verarbeitet werden und findet breite Anwendung. Es handelt sich um ein Gut, das in großem Maßstab produziert werden kann. Im Jahr 2014 betrug die nationale Produktion von Natronlauge 31,8 Millionen Tonnen und die Chlorproduktion 28,22 Millionen Tonnen, wovon etwa 10 Millionen Tonnen Chlor für Polyvinylchlorid-Kunststoffe verwendet wurden.

Daher ist die Verwendung von Chlor zur Herstellung von Vinylchlorid für die Entwicklung der Chloralkaliindustrie von entscheidender Bedeutung. Anstatt es gänzlich zu verbieten, sollten wir weitere gründliche Forschungen zu entsprechenden Produktionstechnologien durchführen, um deren Entwicklung zu fördern.

Teil 3

Tun Sie es nicht nur, sondern finden Sie auch Ihren eigenen Weg, es zu tun

Derzeit gibt es zwei Hauptmethoden zur Herstellung von Vinylchlorid: die Ethylenoxychlorierung und die Acetylenhydrochlorierung.

Bei der Ethylenoxychlorierung werden hochkonzentriertes Ethylen und Chlor als Ausgangsstoffe verwendet. Durch die Zugabe von Sauerstoff werden einige Wasserstoffatome entfernt und durch Chloratome ersetzt. Diese Methode eignet sich eher für Länder und Regionen mit reichlich Schiefergas, wie beispielsweise die Vereinigten Staaten.

Zunächst reagiert Ethylen mit Chlor zu Ethylendichlorid (Formel 1), dann wird Ethylendichlorid thermisch in Vinylchlorid und Chlorwasserstoff gespalten (Formel 2) und schließlich entsteht aus Ethylen, Sauerstoff und Chlorwasserstoff Ethylendichlorid (Formel 3). Die Gesamtreaktion ist in Formel 4 dargestellt.

Beim Ethylenoxychlorierungsverfahren wird das Chlor vollständig genutzt und es werden keine hochgiftigen Katalysatoren auf Quecksilberbasis eingesetzt.

Allerdings sind in meinem Land die Preise für Ethylen und Ethan relativ hoch, während Kohlevorkommen relativ reichlich vorhanden sind, sodass wir nach anderen Rohstoffen suchen können, die Ethylen und Acetylen ersetzen können.

In kohlereichen Gebieten wird Calciumcarbid (CaC2) durch Sintern von Kohle mit Calciumoxid (CaO) in einem Elektroofen hergestellt. Anschließend wird es zu einem Chloralkali-Unternehmen transportiert, um durch Reaktion mit Wasser Acetylengas zu erzeugen (Formel 5), und das gereinigte Acetylen reagiert mit Chlorwasserstoff, um Vinylchlorid zu erzeugen (Formel 6).

Dadurch sind die Kosten der Acetylenhydrochlorierung wesentlich niedriger als die der Ethylenoxychlorierung. Zudem bietet sie die Vorteile geringer Investitionen und hoher Erträge. Daher wird in China die Herstellung von Vinylchloridmonomeren noch immer hauptsächlich über das Acetylenverfahren durchgeführt.

In China werden jährlich etwa 13 Millionen Tonnen Polyvinylchlorid-Kunststoffe im Acetylenverfahren hergestellt, was mehr als 80 % der Gesamtproduktion von Polyvinylchlorid-Kunststoffen entspricht.

Ist diese Methode also „perfekt“, nachdem die Kosten- und Ertragsprobleme gelöst sind?

Die Antwort ist immer noch nein.

Der Unterschied zur Herstellung von Natronlauge besteht darin, dass das Problem diesmal nicht von den „Nebenprodukten“ herrührt, sondern vom berühmten „Katalysator“.

Derzeit erfordert das industrielle Verfahren zur Hydrochlorierung von Acetylen den Einsatz von Quecksilberchlorid-Katalysatoren , und jedes Jahr werden Zehntausende Tonnen Quecksilber verbraucht. Auch bei strenger Kontrolle gelangt eine kleine Menge in die Umwelt. Wie wir alle wissen, kann Quecksilber der Umwelt und der Ökologie ernsthaften Schaden zufügen. Daher besteht dringender Bedarf an der Entwicklung neuer Katalysatoren und neuer katalytischer Prozesse, die Quecksilber ersetzen können.

Zu den derzeit für die Acetylenhydrochlorierung geeigneten quecksilberfreien Katalysatoren zählen hauptsächlich Edelmetallkatalysatoren, Nichtedelmetallkatalysatoren und metallfreie Katalysatoren. Bei Edelmetallkatalysatoren wird hauptsächlich Gold (Au) als Katalysator verwendet, da es eine hervorragende Leistung und Stabilität aufweist. Im Unternehmen wurde ein industrielles Demonstrationsprojekt mit einer Dauer von über 8000 Stunden bei stabilem Betrieb durchgeführt. Allerdings sind Edelmetalle teuer und die Chlor-Alkali-Industrie selbst erzielt nur geringe Gewinne, so dass die großindustrielle Anwendung begrenzt ist. Typische Nichtedelmetallkatalysatoren, wie beispielsweise Katalysatoren auf Kupferbasis, müssen hinsichtlich ihrer Stabilität noch weiter optimiert werden.

Ist ein Verzicht auf Metall möglich?

Die Antwort ist ja.

Verschiedene Katalysatortypen für die Acetylenhydrochlorierung

(Bildquelle: vom Autor erstellt)

Teil 4

Günstiger und einfach zu verwendender Katalysator, wirklich gut!

Das Team unter der Leitung von Akademiemitglied Bao Xinhe und Forscher Pan Xiulian vom Dalian Institute of Chemical Physics der Chinesischen Akademie der Wissenschaften hat einen neuen Typ eines metallfreien Katalysators auf Basis eines Stickstoff-Kohlenstoff-Materials aus Siliziumkarbid (SiC) entwickelt, der die Hydrochlorierung von Acetylen zur Herstellung von Vinylchlorid katalysieren kann.

Bei diesem Verfahren werden chlorhaltiges Gas und Ammoniak bei hohen Temperaturen auf SiC eingewirkt, so dass die darin enthaltenen Si-Atome SiCl4-Gas erzeugen und die verbleibenden C-Atome in situ mit Ammoniak reagieren und eine stickstoffhaltige Kohlenstoffschicht bilden. Während des gesamten Prozesses wurden die gute Wärmeleitfähigkeit und die einfachen Formungseigenschaften von SiC geschickt genutzt, um das Stickstoff-Kohlenstoff-Material zu unterstützen.

Dieser Katalysator erreichte eine Acetylenumwandlungsrate von etwa 80 % und eine Selektivität von 98 % bei einer Geschwindigkeit nahe der industriellen Raumgeschwindigkeit und seine Stabilität kann mehrere hundert Stunden betragen.

Schematische Darstellung der SiC@NC-Materialvorbereitung

(Bildquelle: Nat. Commun., 2014, 5, 3688.)

Basierend auf den oben genannten Forschungsergebnissen entwickelte das Team ein neues poröses Bornitridmaterial und stellte fest, dass es über hervorragende Fähigkeiten zur Katalyse der Acetylenhydrochlorierungsreaktion verfügt.

Poröse Bornitridmaterialien haben eine große spezifische Oberfläche, eine reiche Porenstruktur (Mikroporen und Mesoporen) sowie zahlreiche Defekte und Grenzen.

Überraschenderweise kann unter optimalen Bedingungen die Aktivität 99 % erreichen, die Selektivität 99 % und die kontinuierliche Reaktionszeit beträgt etwa 1.000 Stunden! Darüber hinaus behält dieses Material seine Aktivität über einen langen Zeitraum, verliert seine Aktivität relativ langsam und seine Gesamtleistung ist besser als die von Kohlenstoff-Stickstoff-Materialien. Dies bietet auch neue Möglichkeiten für metallfreie Katalysatorsysteme.

Durch poröses Bornitrid katalysierte Acetylenhydrochlorierung

(Bildquelle: Acs Catal., 2017, 7, 8572-8577.)

Obwohl die metallfreien Katalysatoren wie die oben genannten Kohlenstoff-Stickstoff-Materialien und Bornitrid-Materialien hinsichtlich der Ausbeute nicht mit Edelmetallkatalysatoren mithalten können, müssen ihre Katalysatormaterialien nur herkömmliche Elemente wie Kohlenstoff, Stickstoff und Bor verwenden. Theoretisch können die Kosten auf ein sehr niedriges Niveau gesenkt werden, wodurch ein neuer Weg für die quecksilberfreie Produktion der Acetylenhydrochlorierung geschaffen wird. Es ist davon auszugehen, dass dieser Weg weiterentwickelt und für industrielle Anwendungen gefördert wird.

Dieses System hat auch bei in- und ausländischen Kollegen hohe Anerkennung gefunden und gilt als innovative Leistung mit großem Potenzial.

Expertenbewertung auf diesem Gebiet

(Bildquelle: ACS Sustainable Chem. Eng. 2019, 7, 17979)

Teil 5

Ich glaube, dass die durch Technologie verursachten Probleme durch bessere Technologie gelöst werden können.

Wenn sich in den letzten Jahren ähnliche Unfälle mit gefährlichen Chemikalien ereigneten, hatten diese oft relativ große Auswirkungen. Immer wenn dies geschieht, stellt sich uns möglicherweise die Frage: Muss die Herstellung gefährlicher Chemikalien aus Sicherheitsgründen verboten werden?

In diesem Zusammenhang möchte ich sagen, dass die chemische Industrie eine wichtige Stellung in der Volkswirtschaft einnimmt und unser Leben untrennbar mit chemischen Produkten verbunden ist. Sie zu verbieten ist nicht die Lösung des Problems. Die chemische Produktion ist eine Kette von Gliedern, und jede Änderung eines Schlüsselglieds kann sogar Auswirkungen auf die Entwicklung der gesamten Volkswirtschaft haben. Die durch die Technologie verursachten Probleme können letztendlich durch Technologie gelöst werden. Durch die Einführung effizienter Schutzmaßnahmen und die Entwicklung und Optimierung alternativer Strategien können sicherere und effizientere Ziele erreicht und gleichzeitig ein höherer Wert geschaffen werden. Dies ist die Richtung, in die Wissenschaftler arbeiten, und die Bedeutung der Technologie, die das Leben verbessert.

Produziert von: Science Popularization China

Autor: Fang Guangzong und Li Xueyang (Dalian Institute of Chemical Physics, Chinesische Akademie der Wissenschaften)

Hersteller: China Science Expo

Der Artikel gibt nur die Ansichten des Autors wieder und repräsentiert nicht die Position der China Science Expo

Dieser Artikel wurde zuerst in der China Science Expo (kepubolan) veröffentlicht.

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