Mae lleihau Carbon Monocsid (CO) mewn amgylcheddau heriol yn hollbwysig i gadw pobl yn yr amgylcheddau hynny'n ddiogel, boed hynny mewn amgylcheddau milwrol, mwyngloddio, neu wrth archwilio o dan y môr. Drwy wneud ymchwil sylfaenol ar y berthynas rhwng prosesau paratoi a pherfformiad catalyddion a ddefnyddir i dynnu CO o aer halogedig, mae ymchwilwyr yn Ysgol Cemeg Prifysgol Caerdydd wedi datblygu prosesau gwell ar gyfer dileu CO.

Mae carbon monocsid yn angheuol i fywyd dynol, yn enwedig mewn mannau caeedig fel mwyngloddio ac archwilio’r dyfnfor felly mae lleihau carbon monocsid yn yr amgylcheddau hyn yn hanfodol ar gyfer iechyd a diogelwch pobl.

O dan arweiniad yr Athro Stuart Taylor a’r Athro Graham Hutchings, mae ein hymchwilwyr nid yn unig wedi gwella effeithiolrwydd y prosesau hyn i ddiogelu bywydau, ond hefyd wedi cefnogi’r gwaith gan Molecular Products Group i fasnacheiddio'r deunyddiau hyn, gan arwain at gynhyrchion gwell, cyfleoedd i ehangu i farchnadoedd newydd, a swyddi newydd i gefnogi’r gwaith o’u gweithgynhyrchu a'u gwerthu.

Cyhoeddiadau

C. Jones, K. Cole, S.H. Taylor, M.J. Crudace, G.J. Hutchings, Copper manganese oxide catalysts for ambient temperature carbon monoxide oxidation: effect of calcination on activity. J. Mol. Catal. A: Chem., 2009, 305, 121-124.

C. Jones, S.H. Taylor, A. Burrows, M.J. Crudace, C.J. Kiely, G.J. Hutchings, Cobalt promoted copper manganese oxide catalysts for ambient temperature carbon monoxide oxidation. Chem. Commun., 2008, 1707-1709.

K.J. Cole, A.F. Carley, M.J. Crudace, M. Clarke, S.H. Taylor, G.J. Hutchings, Copper manganese oxide catalysts modified by gold deposition: the influence on activity for ambient temperature carbon monoxide oxidation. Catal. Lett., 2010, 138(3-4), 143-147.

Z. Tang, S.A. Kondrat, C. Dickinson, J.K. Bartley, A.F. Carley, S.H. Taylor, T.E. Davies, M. Allix, M.J. Rosseinsky, J.B. Claridge, Z. Xu, S. Romani, M.J. Crudace, G.J. Hutchings, Synthesis of high surface area CuMn2O4 by supercritical antisolvent precipitation for the oxidation of CO at ambient temperature. Catal. Sci. Technol., 2011, 1(5), 740-746.

Z. Tang, C.D. Jones, T.E. Davies, J.K. Bartley, A.F. Carley, S.H. Taylor, M. Allix, C.Dickinson, M.J. Rosseinsky, J.B. Claridge, Z. Xu, M.J. Crudace, G.J. Hutchings, New nanocrystalline Cu/MnOx catalysts prepared using supercritical antisolvent precipitation. ChemCatChem., 2009, 1(2), 247-251.

J.K. Aldridge, L.R. Smith, D.J. Morgan, A.F. Carley, M. Humphreys, M.J. Clarke, P.Wormald, S.H. Taylor, G.J. Hutchings, Ambient temperature CO oxidation using palladium–platinum bimetallic catalysts supported on tin oxide/alumina. Catalysts 2020, 10, 1223.

Mae grŵp ymchwil yr Athro Peter Edwards a Doctor Paul Newman o'r Ysgol Cemeg mewn cydweithrediad â Lucite International wedi datblygu dull newydd o gynhyrchu’r blociau adeiladu sy’n hanfodol ar gyfer creu Perspex®; dull sy'n lleihau costau a’r prosesau a gwastraff sy'n niweidiol i'r amgylchedd.

Mae poly(methyl methacrylate) - Perspex® yw’r enw mwy cyffredin arno, yn cael ei ddefnyddio'n eang mewn diwydiant. Fodd bynnag, mae'r cyfyngiadau diweddar o ran yr hyn y gellir ei ddefnyddio i gynhyrchu Perspex®, wedi golygu gostyngiad o ran faint yn union ohono y gellir ei gynhyrchu. Mae ymchwil dan arweiniad yr Athro Peter Edwards a Dr Paul Newman sy'n gweithio gyda Lucite International wedi creu rhagflaenydd Perspex®, Methyl Methacrylate (MMA) gan ddefnyddio dull newydd o'r enw proses ALPHA. Mae'r broses hon wedi lleihau'r costau sy'n gysylltiedig â gweithgynhyrchu MMA gan 40%, gan hefyd ddisodli proses amgylcheddol niweidiol.

Y Broses ALPHA

Mae'r broses ALPHA a ddatblygwyd gan Edwards a Newman yn fodd newydd ac effeithlon iawn o greu catalydd sy’n gwbl angenrheidiol ar gyfer cynhyrchu MMA, fodd bynnag; roedd y dull cychwynnol o’i greu, fodd bynnag, yn afresymol o ddrud. Gosododd Lucite International her i’r grŵp Edwards/Newman o ddatblygu dull cost-effeithiol o gynhyrchu'r gydran gatalytig hanfodol hon.

Y cam pwysicaf yn y broses hon oedd nodi'r porthiant (feedstock) delfrydol ar gyfer y broses. Bu’r tîm yn cymharu ethylen ac asetylen; y ddau’n fathau delfrydol o borthiant ar bapur. Fodd bynnag, dim ond un y bu’n bosib ei ddefnyddio mewn profion peilot ac yn y pen draw yn y gwaith cynhyrchu. Mewn profion nodwyd mai asetylen oedd y porthiant mwyaf effeithlon, oherwydd cost is a gwell sefydlogrwydd aer. Yn bwysicaf oll roedd mecanwaith yr adwaith a ddefnyddiwyd i'w droi'n MMA yn broses un cam. Fodd bynnag, roedd amhurdeb a ganfuwyd yn y porthaint asetylen, sef allene, yn gwenwyno'r catalyddion mewn ffordd nad oedd modd ei ddad-wneud, gan olygu eu bod yn anadweithiol. Roedd cael gwared o’r allene allan o’r asetylen yn anymarferol, ac o'r herwydd dewiswyd ethylen er bod gan i’w adwaith fecanwaith arafach, dau gam.

Gweithgynhyrchu effeithlonrwydd uchel

Gyda chefnogaeth barhaus gan Leucite international mireiniodd y tîm y broses i'r pwynt nad oedd modd cael gwell proses o blith y methodolegau eraill sy’n bodoli eisoes. Yr allwedd i'r broses yw effeithlonrwydd rhyfeddol y catalydd wrth ychwanegu carbon monocsid at fethylen; mae’n gyflym iawn. Gall gynhyrchu 13kg o gynnyrch o 1g o fetel palladiwm pob awr o weithredu. Mae hefyd yn gost effeithlon iawn o ran faint o fetel palladiwm a ddefnyddir, gyda 10,000kg o gynnyrch yn cael ei gynhyrchu ar gyfer 1g o fetel a ddefnyddir.

Mae Lucite yn amcangyfrif bod y gost o redeg proses ALPHA 40% yn rhatach i’w weithredu na’u costau gweithgynhyrchu blaenorol. Arweiniodd hyn at adeiladu Alpha 1 ac Alpha 2, yn Saudi Arabia. Dyma'r ffactrïoedd MMA mwyaf yn y byd, a grëwyd gyda buddsoddiad o US $ 1.1 biliwn. Ar hyn o bryd, maent yn cyflenwi 370,000 tunnell o holl MMA y byd, mae hyn tua 10% o'r hyn MMA a gynhyrchir yn flynyddol ledled y byd. Oherwydd eu llwyddiant mae Lucite wedi dechrau ar y gwaith o adeiladu Alpha 3 ar Gwlff Mecsico yn UDA, gyda chapasiti arfaethedig o 350,000 tunnell yn flynyddol. Y bwriad yw dechrau gweithrediadau yn 2025.

Galw mawr

Gyda'r galw mawr am Perspex® o ansawdd uchel wrth weithgynhyrchu ffonau symudol, sgriniau teledu a monitorau cyfrifiadurol, mae'r gallu i gynyddu'r cyflenwad mewn ffordd llai costus, a llai niweidiol yn amgylcheddol, o fudd mawr. Dywedodd Lucite: "Mae MMA sy'n deillio o’r broses ALPHA yn sicrhau cynnyrch terfynol sydd o’r ansawdd gofynnol, ac yn cael gwared ar y costau gweithgynhyrchu sylweddol sy'n gysylltiedig â'r cam ychwanegol hwn."

Mae'r Athro Graham Hutchings o'r Ysgol Cemeg wedi bod yn gweithio tuag at leihau’r peryglon amgylcheddol ynghlwm wrth weithgynhyrchu polyfinyl clorid (PVC). Mae canlyniad ei waith wedi ei gwneud hi'n bosibl cael gwared ar fercwri sy’n gatalydd wrth weithgynhyrchu'r cemegau y mae eu hangen cyn cynhyrchu PVC. Dyma'r tro cyntaf ers mwy na 50 mlynedd i ddull llunio catalyddion gael ei ailwampio’n llwyr er mwyn cynhyrchu nwydd cemegol.

Ers 2007, bu'r cwmni cemegol rhyngwladol Johnson Matthey PLC yn cydweithio â Phrifysgol Caerdydd i ddatblygu'r gyfres newydd hon o gatalyddion sy’n seiliedig ar aur i gynhyrchu finyl clorid monomer (VCM). Ar ôl mwy na 10 mlynedd o ymchwil a datblygu a gostiodd filiynau o bunnoedd, datblygodd y cwmni PRICAT™ MFC (sef Catalydd Difercwri).

Defnyddio aur yn lle mercwri

Dangosodd ymchwil yr Athro Hutchings y gallu enfawr sydd gan aur i gataleiddio’r broses o weithgynhyrchu VCM. Fodd bynnag, roedd pris uchel aur yn golygu bod angen gostwng lefel yr aur er mwyn i'r catalydd arfaethedig fod yn bosibilrwydd yn fasnachol. Oherwydd hanes yr Athro Hutchings ym maes creu catalyddion sy’n seiliedig ar aur, cysylltodd Johnson Matthey â’r Brifysgol i gymhwyso ei ymchwil i fasnacheiddio'r broses hon.

Dechreuodd y prosiect, a ariannwyd gan Johnson Matthey a Chyngor Aur y Byd, drwy ymchwilio i’r ffordd roedd gwanhau'r aur yn effeithio ar effeithiolrwydd aur i fod yn gatalydd yn y broses hon. Canfu tîm Caerdydd fod gwanhau'r aur yn arwain at weithgarwch catalytig anghynaliadwy o isel ym mhob achos. Dangosodd hefyd nad oedd y broses o gymysgu aur â metelau eraill yn cynhyrchu catalyddion hyfyw.

Dangosodd yr astudiaethau hyn fod catalyddion ag aur yn unig yn well na chyfansoddion cymysg eraill, gan gynnwys catalyddion â mathau cymysg o fetel. Roedd hefyd yn peri i’r tîm ddeall yn well y mecanwaith adweithio y gwnaethon nhw seilio eu catalyddion newydd arno. Ar ben hynny, dangosodd bwysigrwydd manteisio i’r eithaf ar wasgaru aur i gynyddu arwynebedd y catalydd aur y gellir ei ddefnyddio.

Gwneud y broses yn ddiogel ac yn gost-effeithiol

Yn seiliedig ar yr ymchwil, datblygodd Johnson Matthey system gatalytig sy’n cynnwys craidd carbon sydd wedi'i orchuddio mewn haen denau o aur o'r enw PRICAT™ MFC (sef Catalydd Difercwri). Arweiniodd hyn at gatalydd â chymhareb aur ag arwynebedd mawr o’i gymharu â màs. Pan gafodd ei brofi mewn treialon maint, canfuwyd bod y catalydd aur tra gwasgaredig newydd, a gafodd ei ddatblygu i gymryd lle’r catalydd clorid mercwrig, sef safon y diwydiant yn ystod y 60 mlynedd diwethaf, yn llawer gwell.

Y cam nesaf yn y broses ddatblygu oedd datblygu dull mwy diogel a mwy hyfyw yn fasnachol i gynhyrchu’r catalydd. Paratowyd y dull gwreiddiol a’r catalyddion aur â chymorth carbon drwy adneuo aur gan ddefnyddio'r aqua regia sy’n asid anhygoel o gryf. Goresgynwyd yr her hon drwy ddatblygu llwybr dŵr newydd sy'n defnyddio cymhlygion sylffwr aur sydd â moleciwlau bach. Astudiwyd canlyniadau'r broses hon ymhellach i gadarnhau natur safle gweithredol y catalyddion. Roedd hyn yn golygu bod modd deall hyn ar y lefel atomig, ac felly roedd modd datblygu'r catalyddion ymhellach at ddibenion masnacheiddio.

Roedd ymchwil Prifysgol Caerdydd yn ganolog o ran deall sut mae catalyddion aur yn gweithio ac mae wedi helpu i'w dylunio, gan gynyddu’n fawr eu potensial i’w hecsbloetio’n fasnachol drwy fodloni'r mathau allweddol o arloesi y mae eu hangen i ddefnyddio ymchwil ym maes gweithgynhyrchu PVC.