PFTBA een gevaarlijk broeikasgas? Zeker, nou en?
http://freebigpictures.com
In de Volkskrant van 12 december 2013 en in andere media stonden alarmerende berichten over PFTBA. Het zou een broeikasgas zijn dat 7000 keer sterker is dan CO2 .Goede reden dus om PFTBA niet in de atmosfeer te lozen.
Afgezien van het feit dat we in principe niets in de atmosfeer moeten lozen, vraag ik me af waarom al die ophef gemaakt wordt. PFTBA is niet iets speciaals wat broeikasgassen betreft.
Maar eerst even dit. Wat is het voor een stof?
PFTBA is een afkorting van perfluortributylamine. In de naamgeving van stoffen betekent ‘per’ zoveel mogelijk waterstofatomen vervangen door iets anders. Hier dus zoveel mogelijk door fluoratomen. Dus het is tributylamine waar alle waterstofatomen vervangen zijn door fluoratomen.
De structuurformule van PFTBA wordt daarmee:
Het is een drie-dimensionaal molecuul, een N-atoom waar de drie groepen ‘onder hangen’.
De C-F binding is een goede absorbeerder van warmte-straling. (Hoe absorptie werkt is in het cursieve gedeelte beneden beschreven). Alle stoffen die C-F bindingen hebben zijn daarom gevaarlijke broeikasgassen als ze in de atmosfeer komen. Zo is tetrafluormethaan (CF4) ook een gevaarlijk broeikasgas. Net zoals de CFK's (chloor-fluor-koolwaterstoffen) die jaren geleden in de ban zijn gedaan, maar dat was toen vooral vanwege het chloor, dat de ozonlaag aantast.
Een extra probleem met stoffen met fluoratomen in de atmosfeer is de stabiliteit ervan. De C-F binding krijg je niet zo gemakkelijk kapot. En hoe meer C-F bindingen er aan een koolstofatoom zitten hoe sterker die wordt*. Kijk bv. naar teflon dat bestaat uit hele grote moleculen met heel veel C-F bindingen. Het wordt gebruik als anti-aanbaklaag in koekenpannen. Dergelijke grote moleculen zijn overigens geen potentiele broeikasgassen omdat ze niet verdampen, ook niet in koekenpannen.
CF4 schijnt een levensduur van tienduizenden jaren in de atmosfeer te hebben terwijl dat voor PFTBA 500 jaar zou zijn. Dat is niettemin erg lang. Een van de problemen hiermee is dat de hoeveelheid dus eigenlijk alleen maar groter kan worden als er gebruik van gemaakt wordt. Kan je er 100% zeker van zijn dat er niks gemorst wordt?
Grote terughoudendheid is dus wel degelijk geboden. Hoewel enige nuancering wel mag. CF4 heeft een kookpunt van -128oC en PFTBA heeft een kookpunt van 178 oC. Dat is 300 graden hoger. Dus als er wat CF4 ontsnapt zit meteen alles in de atmosfeer. PFTBA kan je nog opruimen voordat er veel verdampt is. Let wel dat een vloeistof niet hoeft te koken om te verdampen. Een plasje water verdampt ook gewoon. Zelfs een bevroren plasje water verdampt, al noem je dat eigenlijk niet verdampen maar sublimeren.
Fluorhoudende stoffen worden veel in de elektronica-industrie als koelmiddel gebruikt. Ze zijn chemisch stabiel en isolerend voor elektriciteit. De lager kokende stoffen zoals CF4 worden vooral in ijskasten gebruikt, ook weer omdat ze chemisch stabiel zijn. Maar dit chemisch stabiel-zijn is juist een probleem als ze in de atmosfeer terecht komen, zoals boven reeds opgemerkt.
Wanneer is een broeikasgas een gevaarlijk broeikasgas?
De straling die van de zon komt bestaat voor het grootste deel uit zichtbaar licht, met daarnaast UV (ultraviolet) en IR (infrarood) licht. In het plaatje hieronder stelt de rode lijn het licht voor dat van de zon in de atmosfeer komt. Daar wordt een groot gedeelte van het UV-licht geabsorbeerd door zuurstof en ozon, en een groot gedeelte van het infraroodlicht door waterdamp. Ook wordt een gedeelte verstrooid of teruggekaatst door stofdeeltjes en waterdruppeltjes. Wat overblijft en het aardoppervlak bereikt is het rood ingekleurde gebied.
Image created by Robert A. Rohde / Global Warming Art
De straling die de zon naar de aarde stuurt, wordt geabsorbeerd door bv. alles wat kleur heeft*** en verwarmt zo het aardoppervlak. De geabsorbeerde energie kan gebruikt worden bij bepaalde processen zoals de fotosynthese. Bij de zo opgewarmde aarde voegt zich de warmte die de aarde zelf produceert door kernreacties in de aardkorst en waar bv. vulkanen en lava door ontstaan en natuurlijk ook de warmte die we met zijn allen produceren door verbranding van bv. fossiele brandstoffen (maar dat schijnt relatief weinig te zijn). De aarde zendt al die warmte uit als IR-straling, dat ook wel warmtestraling wordt genoemd.
In de atmosfeer wordt een gedeelte van die IR-straling geabsorbeerd door waterdamp en koolstofdioxide en gedeeltelijk weer teruggestuurd naar de aarde. Daarnaast geven de waterdamp en koolstofdioxide die extra energie door botsingen ook af aan de zuurstof- en stikstofmoleculen. De lucht wordt warmer. Het is overigens best fijn dat dit gebeurt want daardoor is het op aarde gemiddeld zo’n 15 oC. Anders zou het -18 oC zijn. Waterdamp en kooldioxide zijn dus eigenlijk ook broeikasgassen. Vermeld moet nog worden dat een gedeelte van de straling ook teruggekaatst wordt op de waterdruppeltjes in de wolken.
Nu even naar de blauwe lijn in de bovenste tekening. Dat is de energie van de uitstraling door de aarde uitgesplitst naar golflengte van de straling. Het is dus vooral IR-straling.
Daarover is het nog belangrijk om te weten dat die absorptie van energie ook heel erg afhankelijk is van de soort stof of, nog beter, afhankelijk van de soorten atomen die met elkaar trillen. Terwijl het hele infraroodgebied over trillen gaat, is er per klein golflengte gebiedje maar één of maximaal een paar soorten trillingen die energie absorberen. Een uitzondering is water dat dat over een breed gebied doet.
Het blauwe ingekleurde gedeelte is een venster waardoorheen het infrarode licht ongehinderd door de atmosfeer kan.
Als er gassen bijkomen die juist in dat venster het licht absorberen, dan is er een probleem. PFTBA absorbeert juist daar. En dat komt omdat de C-F binding dat doet. En daar zitten er veel van in PFTBA. Alle stoffen waar C-F bindingen in zitten en verdampbaar zijn, zijn dus gevaarlijk broeikasgassen die precies in dat venster warmtestraling absorberen.Voeg daarbij dat het stabiele stoffen zijn en je hebt een groot probleem.
Samenvattend: Dat PFTBA gevaarlijk is, is volstrekt voorspelbaar. De ophef erover komt op mij in eerste instantie over als een waarschuwing voor bv. een nieuwe toren: zorg dat je er niet van afvalt, want dan ben je hartstikke dood.
Maar, er verder over nadenkend, moet de ophef ermee te maken hebben dat er een zorg is over onvoorzichtig gebruik ervan. En zo’n onvoorzichtigheid zal mede veroorzaakt worden door een gebrekkige kennis. Ik moet in dit verband denken aan iemand die een filmpje van zichzelf op YouTube heeft gezet waarin hij laat zien hoe hij aardappelchips frituurt in een dergelijke stof. Brrrrrr.
Wat gebeurt er bij absorptie van licht door een molecuul?
Licht is energie. Dus er verandert op energiegebied iets in het molecuul. In het UV en zichtbare licht is dat iets met de elektronen en in het IR is dat iets met het trillen van de atomen in het molecuul ten opzichte van elkaar. Belangrijk daarbij is dat het wel of niet absorberen van straling afhankelijk is van de frequentie (of golflengte**) van de straling: van alle frequenties wordt er slechts één geabsorbeerd.
Licht is energie. Dus er verandert op energiegebied iets in het molecuul. In het UV en zichtbare licht is dat iets met de elektronen en in het IR is dat iets met het trillen van de atomen in het molecuul ten opzichte van elkaar. Belangrijk daarbij is dat het wel of niet absorberen van straling afhankelijk is van de frequentie (of golflengte**) van de straling: van alle frequenties wordt er slechts één geabsorbeerd.
Waarom dat is, komt op het volgende neer. Het trillen van de atomen ten opzichte van elkaar heeft een frequentie die vooral afhankelijk is van welke atomen erbij betrokken zijn. Zo trilt de C-F binding met een lagere frequentie dan de C-H binding. Er wordt alleen lichtenergie opgenomen als de frequentie van het licht even groot is als de frequentie van de trilling.
Je hebt dat mogelijk wel eens opgemerkt bij geluid. Een glazenruit gaat meetrillen met een bepaald geluid van bv. een langs denderende vrachtwagen. Het neemt dan energie op. Dat gebeurt alleen als de frequentie van het geluid precies hetzelfde is als de frequentie waarmee de ruit uit zichzelf al (onmerkbaar) trilt. Je noemt dat resonantie.
Om de elektronen energie op te laten nemen is de frequentie van het infra rode licht weer te klein. Daarvoor heb je weer zichtbaar licht of UV-licht nodig.
Nog een punt van aandacht is dat de trillingen die energie hebben opgenomen, die energie ook weer loslaten. Enerzijds doen ze dat door botsingen met andere moleculen (wat tot opwarming leidt) en anderzijds door het licht weer met dezelfde frequentie uit te stralen. Dat gebeurt naar alle kanten, dus ook naar waar het vandaan kwam.
------------------------
*Door de sterke elektronenzuigende werking van het fluoratoom wordt de positieve lading op het centrale C-atoom groter naarmate er meer fluoratomen aanzitten. Naast de gewone atoombinding komt er ook meer elektrostatische binding. Zo is de binding in CF4 1,2 keer zo sterk als in CH3F. Dit thema zie je ook bij de sterkte van de O-H binding in bijvoorbeeld water (zie mijn blog Water-2: een trendbreuk in het periodiek systeem)
** Golflengte (λ) en frequentie (f) zijn beide even goed om de kleur van licht aan te geven. Er geldt: c = f. λ waar c de snelheid van het licht is die voor alle golflengtes/ frequenties hetzelfde is.
***Het is eigenlijk andersom. Alles wat niet spierwit is, absorbeert bepaalde frequenties van het licht. Bv. bladeren absorberen rood licht. Wat erover blijft is groen licht dat teruggekaatst wordt.
---------------------
Reacties
Een reactie posten