υνατότητες βελτιστοποίησης των εργαστηριακών αντιδράσεων- Βασικοί κανόνες για βιώσιµες συνθέσεις Στην πορεία της αναζήτησης µερικών αντιδράσεων για το ΝΟΡ έγινε δυνατόν αναγνωριστούν κάποια γενικά ασθενή σηµεία. Αυτά επηρρεάζουν ειδικότερα την κατανάλωση ενέργειας καθώς επίσης των πηγών των εργαστηριακών αντιδράσεων. Με τη βοήθεια µερικών «απλών» διαδικασιών τα υπάρχοντα προβλήµατα µπορούν να µειωθούν ή να αποφευχθούν κατά τον σχεδιασµό της αντίδρασης. Για το σκοπό αυτό αναπτύχθηκαν οι ακόλουθοι «βασικοί κανόνες για βιώσιµες συνθέσεις» [1]. Οι κανόνες µπορούν να συνεισφέρουν σε µια ολιστική σκέψη π.χ. περιλαµβάνοντας τις προκαταρκτικές και τις µεταγενέστερες διαδικασίες και βελτιώνοντας από οικολογική άποψη την βιωσιµότητα µιας αντίδρασης. Βασικοί κανόνες για βιώσιµες συνθέσεις ελαχιστοποιώντας την κατανάλωση ενέργειας Οι περιβαλλοντολογικές επιπτώσεις των εργαστηριακών αντιδράσεων επηρρεάζονται ουσιωδώς από την κατανάλωση ηλεκτρισµού κατά τη διάρκεια των πειραµατικών διαδικασιών και από τις επιδράσεις στο περιβάλλον από την τροφοδοσία µε την ενέργεια αυτή. Η µεγάλη κατανάλωση ενέργειας των εξεταζοµένων αντιδράσεων προκαλείται κατά κύριο λόγο στις µεγάλες απώλειες ενέργειας στο περιβάλλον κατά τη διαδικασία της σύνθεσης. Στους «βασικούς κανόνες για βιώσιµη σύνθεση» που ακολουθούν ορίζονται ποιές χρήσεις οδηγούν σε µείωση των απωλειών ενέργειας κατά τις εργαστηριακές αντιδράσεις. να Θερµική µόνωση Η πειραµατική διάταξη πρέπει να είναι µονωµένη µε τον καλύτερο δυνατό τρόπο Βασικός κανόνα 1: θερµική µόνωση Ο συντελεστής µεταφοράς θερµότητος (τιµή k) µπορεί να µειωθεί µε την κατάλληλη µόνωση. Αυτό οδηγεί σε µικρότερη µεταφορά θερµότητος και έτσι µειώνονται οι ενεργειακές απώλειες. Οι απώλειες αυτές µπορούν να µειωθούν περαιτέρω καθιστώντας µικρότερη την διαφορά θερµοκρασίας από το µέσο την αντίδρασης προς το περιβάλλον. Επειδή η ενεργειακή απώλεια εξαρτάται επίσης από το χρόνο, η διάρκεια του πειράµατος παίζει έναν σηµαντικό ρόλο στην ελαχιστοποίηση των απωλειών ενέργειας. Για το λόγο αυτό είναι ουσιώδους σηµασίας η ακριβής γνώση της διαδικασίας της αντίδρασης 1
Πειραµατικές συνθήκες Η θερµοκρασία της αντίδρασης καθώς επίσης και η διάρκειά της πρέπει να περιορίζεται στον αναγκαίο βαθµό. Βασικός κανόνας 2: πειραµατικές συνθήκες Ενας άλλος παράγοντας που επηρρεάζει τις ενεργειακές απώλειες είναι η επιφάνεια της συσκευής η οποία χωρίζει το µίγµα της αντίδρασης και το περιβάλλον. Όσο µικρότερη είναι η επιφάνεια τόσο µικρότερη είναι η ενεργειακή απώλεια µε θερµική αγωγή ή ακτινοβολία. Ο λόγος επιφάνεια προς όγκο πρέπει να επιλέγεται κατάλληλα. Επιλογή συσκευής Η πειραµατική διάταξη πρέπει να ταιριάζει στις προγραµµατισµένες ποσότητες. Βασικός κανόνας 3:επιλογή συσκευής Οι διαφορές στην κατανάλωση ενέργειας που προκύπτουν από τις διαφορετικές µεθόδους προσφοράς ενέργειας, µπορεί να καθοριστεί από τους δύο ήδη προαναφερθέντες βασικούς κανόνες µόνωση και πειραµατικές συνθήκες. Επειδή η πλήρης µόνωση του µέσου θέρµανσης δεν είναι εφικτή, θα πρέπει να προτιµηθούν ευνοϊκές µέθοδοι παροχής ενέργειας. περοχή ενέργειας Προτιµάται για τη θέρµανσης τη χρήση µανδυών θέρµανσης αντί ελαιόλουτρου. Θετικά αποτελέσµατα µπορεί να έχουν νέες µέθοδοι προσφοράς ενέργειας (υπέρηχοι, µικροκύµατα). Βασικός κανόνας 4: προσφορά ενέργειας Εκτός από τις υψηλές ενεργειακές απώλειες µε τη µεταφορά θερµικής ενέργειας στο περιβάλλον υπάρχουν και άλλοι παράγοντες που συµµετέχουν στην κατανάλωση ενέργειας στα συνθετικά εργαστήρια. Έτσι άλλα βοηθητικά υλικά επηρρεάζουν την ενέργεια που απαιτείται για την θέρµανση και διατήρηση της θερµοκρασίας της αντίδρασης. c p βοηθητικών υλικών Τα βοηθητικά υλικά πρέπει να παρουσιάζουν την µικρότερη δυνατή ειδική θερµοχωρητικότητα (specific heat capacity) Βασικός κανόνας 5: ειδική θερµοχωρητικότητα (specific heat capacity) των βοηθητικών υλικών Μεταξύ των βοηθητικών υλικών ειδική προσοχή πρέπει να δίνεται στους διαλύτες, επειδή συνήθως συγκροτούν ένα µεγάλο µέρος του µίγµατος της αντίδρασης. Για το λόγο αυτό αφιερώνεται ειδικός κανόνας για τις απαιτήσεις που αφορούν τους διαλύτες. 2
c p διαλύτη Οι διαλύτες ελέγονται έτσι ώστε να έχουν µικρή ειδική θερµοχωρητικότητα και µικρή αναγκαία θερµοκρασία αντίδρασης. Βασικός κανόνας 6: Ειδική θερµοχωρητικότητα διαλύτη Η χρήση βοηθητικών υλικών µπορεί να βελτιστοποιηθεί σε σχέση µε την ενεργειακή κατανάλωση µε ακόµη έναν άλλον τρόπο Είναι πολύ σηµαντικός ο συσχετισµός της κατανάλωσης των πηγών τροφοδοσίας και της κατανάλωσης ενέργειας. Βασικοί κανόνες για βιώσιµες συνθέσεις ελαχιστοποιώντας την καταναλώσεις ενέργειας και πηγών τροφοδοσίας. Η εκτεταµένη χρήση των βοηθητικών υλικών κατά την αντίδραση και την διαδικασία επηρρεάζει αρνητικά την κατανάλωση των πηγών τροφοδοσίας. Επιπλέον η ποσότητα των χρησιµοποιούµενων βοηθητικών υλικών συνεισφέρει στην κατανάλωση ενέργειας για παράδειγµα η απαίτηση επιπρόσθετης ενέργειας για θέρµανση. Αυτό επηρεάζει τις πηγές τροφοδοσίας και την κατανάλωση ενέργειας στην παραγωγή, η οποία από µια ολιστική άποψη είναι σηµαντική. Συχνά τα βοηθητικά υλικά χρησιµοποιούνται σε περίσσεια. Ποσότητες των βοηθητικών υλικών Η ποσότητα του βοηθητικού υλικού πρέπει να µειωθεί στις απαραίτητα απαιτούµενες ποσότητες. Για τον προσδιορισµό των κατάλληλων ποσοτήτων απαιτούνται προκαταρκτικά πειράµατα. Εάν είναι δυνατόν η αποµάκρυνση των βοηθητικών υλικών να ολοκληρώνεται µέσα στην αντίδραση. Βασικός κανόνας 7: Ποσότητες βοηθητικών υλικών Το νερό ψύξης είναι µεγάλης σπουδαιότητας παρόµοιας µε τον διαλύτη που οφείλεται στο ότι αποτελεί µέρος της κατανάλωσης υλικού. Νερό ψύξης Η ροή του νερού ψύξης πρέπει να ρυθµίζεται στο ελάχιστο δυνατό. Η χρήση ανακυκλούµενου νερού µπορεί να επηρεάσει ευνοϊκά τις περιβαλλοντολογικές επιπτώσεις της αντίδρασης. 3
Βασικός κανόνας 8: νερό ψύξης Η κατανάλωση νερού ψύξης µπορεί να ελαττωθεί χρησιµοποιώντας ένα κύκλωµα ψύξης ή έναν κρυοστάτη οποίος όµως αυξάνει την ενεργειακή κατανάλωση. Εάν χρειάζεται να χρησιµοποιηθεί πάγος για ψύξη των αντιδράσεων η χρήση του πρέπει επίσης να περιορίζεται λόγω της υψηλής κατανάλωσης ενέργειας που απαιτείται για την παραγωγή των απαιτουµένων ποσοτήτων. πάγος Ο πάγος πρέπει να χρησιµοποιείται για ψύξη µε τον οικονοµικότερο δυνατό τρόπο λαµβάνοντας υπόψη την ασφάλεια της αντίδρασης Βασικός κανόνας 9: πάγος Εκτός από την ποσότητα των χρησιµοποιούµενων υλικών τα χαρακτηριστικά τους έχουν επίσης µια σαφή επιρροή στις περιβαλλοντικές επιπτώσεις των εργαστηριακών συνθέσεων. Στη συνέχεια σχηµατοποιούνται γενικοί βασικοί κανόνες για την ελαχιστοποίηση των περιβαλλοντικών επιπτώσεων. Το ενδιαφέρον επικεντρώνεται στα βοηθητικά υλικά. Βασικοί κανόνες για βιώσιµες συνθέσεις ελαχιστοποιώντας τις τυχόν τοξικότητες Μέχρι τώρα δεν έχουν ληφθεί υπόψη κατά την ανάπτυξη κανόνων βελτιστοποίησης η ελαχιστοποίηση των ενδεχοµένων κινδύνων τοξικότητας των πρώτων υλών. Θα ήταν επιθυµητή µια βελτιστοποίηση προς γενικά µη τοξικά πρωτογενή υλικά, όµως για τη σύνθεση µιας ορισµένης ένωσης δεν είναι πάντα δυνατόν να υπάρχει µια ποικιλία πρώτων υλών. Τα προβλήµατα µε την επιλογή των χρησιµοποιούµενων βοηθητικών υλικών είναι λιγότερο σηµαντικά. Εδώ η εξέταση των υπαρκτών συνεπειών φαίνεται περισσότερο απλή. Τοξικότητα των διαλυτών Επιλέγοντας διαλύτες πρέπει να εξετάζεται η ενδεχόµενη τοξικότητά τους. Οι ουσίες δεν πρέπει να καταλήγουν στο περιβάλλον. Βασικός κανόνας 10: τοξικότητα των διαλυτών 4
Τοξικότητα των βοηθητικών υλικών Επιλέγοντας βοηθητικά υλικά πρέπει να εξετάζεται η ενδεχόµενη τοξικότητά τους. Μετά την χρησιµοποίησή τους αυτά τα υλικά πρέπει να ανακυκλώνονται ή να απορρίπτονται µε περιβαλλοντικά αποδεκτό τρόπο. Βασικός κανόνας 11:Τοξικότητα βοηθητικών υλικών Όπως προαναφέρθηκε σε προηγούµενα κεφάλαια οι υψηλές περιβαλλοντικές επιπτώσεις µπορεί να προέρχονται επίσης από προκαταρκτικές και επακόλουθες διαδικασίες της καθεαυτό αντίδρασης. Μια εξέταση της δυνατότητας προπαραγωγής των απαραίτητων πρώτων υλών και βοηθητικών υλικών µπορεί, από µια ολιστική άποψη, να βοηθήσει στην µείωση των περιβαλλοντικών επιπτώσεων. Βασικοί κανόνες για βιώσιµη σύνθεση εξέταση της προπαραγωγής Κατά την παραγωγή χηµικών ουσιών συχνά προκαλούνται διάφορετικές περιβαλλοντικές επιπτώσεις εξαρτώµενες από την πολυπλοκότητα του µορίου. Πολύ συχνά τα περιβαλλοντικά αυτά περιστατικά δεν είναι προβλέψιµα. Εν τούτοις ο πειραµατιστής µπορεί να µειώσει τις χρησιµοποιούµενες χηµικές ουσίες στην απαραίτητα για την αντίδραση ποσότητα. Τα τελευταία χρόνια έχουν αυξηθεί οι προσπάθειες για την πρόβλεψη ισοζυγίων στην ροή υλικών για διάφορες χηµικές ουσίες. Έτσι η ενδεχόµενη προπαρασκευή των πρώτων υλών και των βοηθητικών υλικών θα γίνει περισσότερο απλή στο µέλλον. Με την επιλογή υλικών µε µικρές περιβαλλοντικές επιπτώσεις είναι δυνατή στην προπαραγωγή τους η βελτιστοποίηση των σχετικών αντιδράσεων. προπαραγωγή Κατά την επιλογή των υλικών εξετάζονται στις προκαταρκτικές διαδικασίες τα φορτία από πρώτες ύλες και βοηθητικά υλικά Βασικός κανόνας 12: Εξέταση των προκαταρκτικών διαδικασιών Στον επόµενο πίνακα (Πιν. 1) παρουσιάζονται πάλι και συνοψίζονται όλοι οι «βασικοί κανόνες για τη βιώσιµη σύνθεση». Επιπλέον κάθε βασικός κανόνας συνοδεύεται από ένα εικονογράφηµα το οποίο θα απλοποιήσει την εφαρµογή του, όπως τα σύµβολα επικινδυνότητας. 5
Η εξέταση των κανόνων αυτών βελτιστοποίησης των εργαστηριακών αντιδράσεων µπορεί να βοηθήσει στην ελάττωση της κατανάλωσης ενέργειας και πηγών τροφοδοσίας καθώς επίσης και από τις περιβαλλοντικές τους επιπτώσεις. Επιπλέον οι µελλοντικοί αρµόδιοι στην εκπαίδευσή τους µπορούν ήδη να ευαισθητοποιηθούν για τα ενδιαφέροντα της βιώσιµης ανάπτυξης µε µια συνεπή εφαρµογή των «βασικών κανόνων για βιώσιµη σύνθεση». Θερµική µόνωση Η πειραµατική διάταξη πρέπει να είναι µονωµένη µε τον καλύτερο δυνατό τρόπο. Πειραµατικές συνθήκες Η θερµοκρασία της αντίδρασης και η διάρκειά της πρέπει να περιορίζεται στον αναγκαίο βαθµό Επιλογή της συσκευής Επιλέγεται συσκευή κατάλληλου µεγέθους. Παροχή ενέργειας c p βοηθητικών υλικών Η χρήση θερµαινόµενων µανδυών προτιµάται κατά το στάδιο της θέρµανσης από ένα ελαιόλουτρο. Θετικά αποτελέσµατα µπορεί να έχουν νέες µέθοδοι παροχής ενέργειας (π.χ. υπέρηχοι, µικροκύµατα). Τα βοηθητικά υλικά πρέπει να εµφανίζουν την µικρότερη δυνατή ειδική θερµοχωρητικότητα. c p διαλύτη Οι διαλύτες πρέπει να εµφανίζουν µικρή ειδική θερµοχωρητικότητα και χαµηλή θερµοκρασία αντίδρασης. Ποσότητες βοηθητικών υλικών Νερό ψύξης Πάγος Τοξικότητα διαλυτών Οι ποσότητες των βοηθητικών υλικών πρέπει να µειώνονται στο ποσό που απαιτείται πραγµατικά. Η ακριβής ποσότητα βρίσκεται µε προκαταρκτικά πειράµατα. Η αποµάκρυνση βοηθητικών υλικών εάν είναι δυνατόν να γίνεται κατά τη διάρκεια της αντίδρασης. Η ροή του νερού ψύξης ρυθµίζεται στο ελάχιστο δυνατό. Η χρήση ανακυκλούµενου νερού ψύξης µπορεί να επηρεάσει ευνοϊκά την περιβαλλοντική επίπτωση της αντίδρασης. Ο πάγος σαν ψυκτικό µέσο της αντίδρασης πρέπει να χρησιµοποιείται µε τον οικονοµικότερο δυνατό τρόπο, λαµβάνοντας υπόψη την ασφάλεια της αντίδρασης. Κατά την επιλογή των διαλυτών πρέπει να εξετάζεται η δυνητική τοξικότητά τους. Οι ουσίες δεν πρέπει να καταλήγουν στο περιβάλλον. 6
Τοξικότητα βοηθητικών υλικών προπαρασκευή Κατά την επιλογή των βοηθητικών υλικών πρέπει εξετάζεται η δυνητική τοξικότητά τους. Μετά την χρήση τα υλικά αυτά πρέπει να ανακυκλώνονται ή να απορρίπτονται µε τον κατάλληλο τρόπο για το περιβάλλον. Τα φορτία από πρώτες ύλες και βοηθητικά υλικά των προκαταρκτικών διαδικασιών πρέπει να εξετάζονται κατά την επιλογή των υλικών. Πιν. 1. Βασικοί κανόνες για διαρκείς συνθέσεις [1] Diehlmann, A., Kreisel, G., Gorges, R. (2003). Contribution to Developing Sustainability in Chemical Education. The Chemical Educator, 8 7