Περιβαλλοντικές απόψεις σχετικά µε την δηµιουργία κενού Περίληψη Πολλά στάδια εργασίας σε ένα εργαστήριο απαιτούν τη χρήση κενού. Για τη δηµιουργία κενού αφ ενός µπορεί να χρησιµοποιηθεί µια υδραεραντλία και αφ ετέρου αντλίες κενού (αντλίες ελαίου ή διαφραγµατικές) Το κενό πρέπει να χρησιµοποιείται µόνο όταν είναι πράγµατι αναγκαίο, λόγω της κατανάλωσης ενέργειας και υλικών και της συνεπαγόµενης ρύπανσης. Εάν πρέπει να χρησιµοποιηθεί κενό σε ένα στάδιο εργασίας δεν πρέπει πια να χρησιµοποιούνται υδραεραντλίες. Εάν το επιτρέπουν οι τεχνικές δυνατότητες της θέσης, είναι ευνοϊκότερη η χρήση αντλιών κενού. Από τη µεγάλη γκάµα των αντλιών κενού πρέπει να εκλέγονται αντλίες κενού µεταβλητής ταχύτητας. Η περιβαλλοντική µόλυνση από τη δηµιουργία κενού. Η χρήση του κενού είναι µια απολύτως αναγκαία διαδικασία για πολλά στάδια εργασίας στο εργαστήριο. Βρίσκει εφαρµογές στην απόσταξη και εξάχνωση υπό ελαττωµένη πίεση καθώς επίσης στις ξηράνσεις και τη διήθηση. Στο πεδίο της εργαστηριακής εργασίας το κενό εξασφαλίζεται µε τη χρήση υδραεραντλιών κενού ή µε διαφραγµατικές αντλίες ή αντλίες ελαίου. Όπως και στην περίπτωση των εφαρµογών ενέργειας (βλέπε σχετικά) θα µπορούσε να δειχθεί ότι λόγω της απαιτούµενης ενέργειας για τη δηµιουργία του κενού προκαλείται επίσης µια αξιοσηµείωτη ρύπανση. Εικ. 1: Παράδειγµα µιας υδραεραντλίας Εικ. 2: Παράδειγµα µιας αντλίας κενού 1
Σε αυτό το κείµενο δεν µπορεί και δεν πρέπει να λυθεί τελικά από µια καθαρή οικολογική άποψη ποιά µέθοδος δηµιουργίας κενού είναι περισσότερο ευνοϊκή. Για το ερώτηµα αυτό ένα έγκυρο συµπέρασµα µπορεί να προκύψει αναλύοντας διαφορετικά συστήµατα αξιολογώντας τα µε βάση µια ολιστική µεθοδο αποτίµησης. Αν και είναι απολύτως αναγκαία για αξιόπιστους ισχυρισµούς µια λεπτοµερής εξέταση, η πιο κατάλληλη µέθοδος δηµιουργίας κενού µπορεί να αξιολογηθεί µε βάση το είδος και την διάσταση των διαφόρων περιβαλλοντικών επιπτώσεων. Για την αξιολόγηση αυτή αναλύθηκαν µερικά εργαστηριακά όργανα δηµιουργίας κενού σε σχέση µε τα υλικά και την δαπανηθείσα ενέργεια και µε βάση τα δεδοµένα αυτά έγινε αµέσως µετά η αξιολόγησή τους. Η Εφαρµογή των Υδραεραντλιών Κενού Στην υδραεραντλία το νερό υπό πίεση εκφορτίζεται µέσω ενός οδηγού συνδέσµου που οδηγεί σε ένα ακροφύσιο. Το ρεύµα καθόδου στο ακροφύσιο µετατρέπει την στατική ενέργεια σε κινητική ενέργεια µέσω της οποίας αυξάνεται η ταχύτητα ροής. Πίσω από το ακροφύσιο δηµιουργείται µια ζώνη µε µειωµένη πίεση. Εικ. 3: Αρχή λειτουργίας υδραεραντλών Λόγω της τάσης ατµών του νερού οι υδραεραντλίες κενού περιορίζονται σε χρήσεις κενού περιορισµένων απαιτήσεων ( 16 hpa). Ένα άλλο µειονέκτηµα των υδραεραντλιών κενού είναι ότι κατά την εργαστηριακή άσκηση τα πτητικά υπολείµµατα ουσιών (διαλύτες) περνούν αναπόφευκτα στο αποχετευτικό δίκτυο. Η απόδοση στη διήθηση υπό κενό µε υδραεραντλία είναι επίσης µειωµένη σε σχέση µε τις αντλίες κενού. Η θετική όψη της χρήσης 2
υδραεραντλιών κενού είναι το χαµηλό κόστος τους και η προφανώς χαµηλότερη οικολογική επιβάρυνση που προκαλούν. Για να δοθεί ένα πόρισµα σχετικό µε την προκαλούµενη ρύπανση από την χρήση υδραεραντλιών αναλύθηκαν διαφορετικές διατάξεις. Σε µια καταµέτρηση προσδιορίστηκε η µέση ενεργειακή κατανάλωση από την προµήθεια του πόσιµου νερού. Κατανάλωση νερού στη δηµιουργία κενού Για την αποτίµηση της κατανάλωσης νερού των υδραεραντλιών κενού συγκρίθηκαν τρεις υδρεραντλίες διαφορετικών κατασκευαστών. Η πειραµατική διάταξη που χρησιµοποιήθηκε δίνεται στην εικόνα 4: Εικ. 4: ιάταξη µέτρησης της κατανάλωσης νερού των υδραεραντλιών 1. µετρητής πίεσης περιοχής κενού, 2. µετρητής πίεσης περιοχής νερού, 3. υδραεραντλία κενού, 4. βάνα ελέγχου. Η εξεταζόµενη υδραεραντλία κενού φθάνει στην µέγιστη µείωση της πίεσης µετά από µερικά λεπτά. Κατά τη διάρκεια της µέτρησης η πίεση του ρέοντος υγρού είναι 4.8 bar. Στον Πίνακα 1 δίνεται η κατανάλωση νερού για τις διαφορετικού τύπου υδραεραντλίες. Υδραεραντλίες κενού Συνθετικό υλικό Γυάλινη 1 Γυάλινη 2 Έναρξη κενού 40 40 40 hpa Κενό µετά 20 λεπτά 26 36 34 hpa Κατανάλωση νερού 8.74 6.95 6.57 L/min Πίνακας 1: Κατανάλωση νερού των υδραεραντλιών κενού 3
Όπως αναφέρθηκε προηγουµένως δεν χρησιµοποιείται ηλεκτρική ισχύς για τη δηµιουργία κενού απο τις υδραεραντλίες αλλά για την παραγωγή και διάθεση του πόσιµου νερού. Υδραεραντλίες κενού - Κατανάλωση ενέργειας σε προκαταρκτικά στάδια Η ενέργεια που χρησιµοποιήθηκε για την παραγωγή και διάθεση του πόσιµου νερού για την λειτουργία των υδραεραντλιών κενού θα πρέπει να αποδοθεί άµεσα στην δηµιουργία κενού µε τη χρήση υδραεραντλιών. Πέραν τούτου θα πρέπει να ληφθούν υπόψη οι ροές υλικών και ενέργειας για την βιοµηχανική κατασκευή των προϊόντων τα οποία απαιτούνται στην επεξεργασία του πόσιµου νερού. Το ίδιο ισχύει και για τη βιοµηχανία παραγωγής χλωρίου ή των αντιδιαβρωτικών υλικών για τη συντήρηση του δικτύου διανοµής. Στον Πίνακα 2 περιέχονται δεδοµένα για την κατανάλωση υλικών και ενέργειας γαι τον εφοδιασµό µε πόσιµο νερό από διάφορους προµηθευτές. Μονάδα διάθεσης Παραγόµενη ποσότητα Ηλεκτρική ενέργεια Χλώριο (g/m 3 ) NaOCl (g/m 3 ) Αντιδιαβρωτικό (g/m 3 ) νερού πόσιµου νερού (kwh/m 3) 1 2655000 1.28 0,29 0.72 6.48 2 6852136 0.94 0.23 0.31 0.68 3 9813655 0.35 0.12 0.00 0.00 4 10970963 0.21 0.06 0.97 1.45 1236547 0.66 0.00 0.40 0/00 Πίνακας 2: Κατανάλωση ενέργειας και υλικών του πόσιµου νερού τροφοδοσίας Σύµφωνα µε τα δεδοµένα αυτά απαιτείται κατά µέσον όρο 670 Wh (1 Wh = 3.6 kj) ενέργειας ανά m 3 πόσιµου νερού. Με αυτό προκύπτει µια ενεργειακή κατανάλωση περίπου 5 Wh/min σαν επιπρόσθετη ρύπανση, εκτός από την κατανάλωση νερού που είναι κατά µέσον όρο περίπου 7 L/min για µια υδραεραντλία. Μετά τον προσδιορισµό της κατανάλωσης ενέργειας και υλικών των διαφορετικών στην επόµενη παράγραφο εξετάστηκε η χρήση των αντλιών κενού. Η χρησιµοποίηση αντλιών κενού 4
Οι αντλίες κενού λειτουργούν µε ηλεκτρικτρισµό και µπορούν να χρησιµοποιηθούν εναλλακτικά αντί των υδραεραντλιών κενού. Το µειονέκτηµα τους είναι γενικά η υψηλή τιµή προµήθειας σε σύγκριση µε τις υδραεραντλίες κενού. Επιπλέον µειονεκτήµατα είναι τα απόβλητα λάδια των αντλιών κενού και η ανάγκη της εγκατάστασης κρυοπαγίδων για την συµπύκνωση και την κατακράτηση των αποβλήτων ουσιών. Για σύγκριση εξετάστηκαν υδραεραντλίες και διαφορετικές αντλίες κενού σε σχέση µε την ενεργειακή του κατανάλωση Vacuubrand Model MZ 2C/1,7 Μια κλασσική διαφραγµατική αντλία είναι το µοντέλλο Vacuubrand MZ 2C/1,7 (απόδοση άντλησης 2.4 m³/h; τελική πίεση < 15 hpa). Εικ. 5: ιάταξη για τη µέτρηση της ενεργειακής κατανάλωσης µιας διαφραγµατικής αντλίας 1. µέτρηση ενέργειας, 2. οριζόµενη πίεση/έλεγχος, 3. διαφραγµατική αντλία Vacuubrand Model MZ 2C/1,7 Πείραµα 1013 hpa 60 hpa 1 3.08 2.58 2 3.10 2.52 3 3.06 2.61 4 3.07 2.53 5 3.04 2.51 Κατανάλωση (Wh/min) 6 3.07 2.63 7 3.03 2.56 8 3.04 2.60 5
Πίνακας 3: Κατανάλωση ενέργειας αντλίας κενού Vacuubran d MZ 2C/1,7 Με πλήρες αέριο φορτίο η αντλία καταναλώνει περίπου 3.1 Wh/min, χωρίς αέριο φορτίο η κατανάλωση είναι περίπου 2.6 Wh/min σε µια µέγιστη πίεση στα 60 ppa (πίνακας 3). Η κατανάλωση ενέργειας µε ή χωρίς αέριο φορτίο θεωρείται περίπου ισοδύναµη. Για το λόγο αυτό αποδίδεται µια µέση τιµή κατανάλωσης ενέργειας στα 2.8 Wh/min ανεξάρτητα από το φορτίο αερίου. Αντλία ελαίου Leybold/Heraeus Model trivac D2A H εξεταζόµενη περιστροφική αντλία ελαίου κενού Leybold/Heraeus Model trivac D2A (απόδοση άντλησης 2.0 m³/h) δείχνει κατά προσέγγιση ίδια κατανάλωση ενέργειας σε όλες τις πιέσεις που δοκιµάστηκαν. Αυτή είναι κατά µέσον όρο 5.4 Wh/min (πίνακας 4). Εικόνα 6: ιάταξη για τη µέτρηση της ενεργειακής κατανάλωσης περιστροφικής αντλίας κενού 1. µέτρηση ενέργειας, 2. οριζόµενη πίεση/έλεγχος, 3. περιστροφική αντλία, 4. τρίοδος βάνα Αντλία ελαίου Leybold/Heraeus Model trivac D2A Πείραµα 1010 hpa 600 hpa 200 hpa 1 hpa 1 5.28 5.36 5.52 5.52 2 5.12 5.36 5.50 5.55 Κατανάλωση (Wh/min) 3 5.28 5.35 5.52 5.60 4 5.24 5.34 5.51 5.69 5 5.23 5.35 5.53 5.53 6
6 5.26 5.54 5.48 5.73 7 5.24 5.16 5.51 5.59 8 5.25 5.34 5.52 5.60 Πίνακας 4: Κατανάλωση ενέργειας αντλίας κενού Leybold/Heraeus Mo del trivac D2A Αντλία κενού Vacuubrand Pump stand Μοντέλλο CVC 2000 Η αντλία αυτή ((απόδοση άντλησης 1.6 m³/h τελική πίεση < 2 hpa) είναι µια αντλία ελαίου ελεγχόµενης ταχύτητας το οποίο σηµαίνει ότι δεν ρυθµίζεται µε εξαερισµό ως συνήθως αλλά ρυθµίζεται από την ταχύτητα περιστροφής. Εικόνα 7: ιάταξη για τη µέτρηση της ενεργειακής κατανάλωσης περιστροφικής αντλίας κενού 1. µέτρηση ενέργειας, 2. οριζόµενη πίεση/έλεγχος, 3 διαφραγµατική αντλία. Οι µετρήσεις δίνουν έναν µέσο όρο κατανάλωσης ενέργειας στα 0.94 Wh/min µε πλήρες φορτίο αερίου. Οι µετρήσεις σε χαµηλότερες πιέσεις είναι λιγότερο αντιπροσωπευτικές γιατί οι αντλίες σταµατούν φθάνοντας στην επιθυµητή πίεση. Έτσι θα θεωρηθεί ότι η κατανάλωση ενέργειας εν λειτουργία υπερβαίνει τις τιµές που δίνονται στον πίνακα 5, αλλά είναι µικρότερη από την κατανάλωση σε πλήρες φορτίο αερίου. Αντλία κενού ελεγχόµενης ταχύτητας Vacuubrand CVC 2000 Κατα νάλω ση Πείραµα 1010 hpa 600 hpa 200 hpa 3 hpa 1 0.65 0.15 0.23 0.18 7
2 0.96 0.12 0.11 0.16 3 0.95 0.12 0.12 0.19 4 0.94 0.12 0.12 0.18 5 0.93 0.13 0.11 0.19 6 0.93 0.12 0.12 0.17 7 0/94 0.12 0.11 0.17 8 0.92 0.13 0.12 0.18 Πίνακας 5: Κατανάλωση ενέργειας αντλίας κενού Vacuu brand CVC 2000 Αποτελέσµατα Σε µια σύνθεση όπως και στην λειτουργία της θέρµανσης (βλέπε σχετικά), η χρήση του κενού έχει επίσης άµεσα αποτελέσµατα στην κατανάλωση ενέργειας και υλικών και για το λόγο αυτό επηρρεάζει τη δυνατότητα ρύπανσης. Από το γεγονός ότι η δηµιουργία κενού συχνά απορροφά το µεγαλύτερο µέρος της ενεργειακής κατανάλωσης µιας αντίδρασης, το κενό χρησιµοποιείται µόνον όταν δεν έχουν τα αναµενόµενα αποτελέσµατα άλλες µέθοδοι. Η υψηλή κατανάλωση νερού και η ανάλογη κατανάλωση ενέργειας συγκρινόµενη µε τη χρήση αντλιών κενού έχει σαν αποτέλεσµα υψηλή ρύπανση µε τις υδραεραντλίες. Για το λόγο αυτό από οικολογική άποψη θα πρέπει να χρησιµοποιούνται αντλίες κενού αντί των υδραεραντλιών. Από τον µεγάλο αριθµό των διαθέσιµων αντλιών κενού από οικολογική άποψη πρέπει να χρησιµοποιούνται αντλίες κενού µε ρυθµιζόµενη ταχύτητα. 8