13.13: Активізація хімічних реакцій та інтенсифікація процесів

Last updated
Save as PDF

Page ID: 18984

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Одним з найважливіших аспектів зеленої хімії є підвищення швидкості і ступеня завершення хімічних реакцій. Одним із способів цього є зниження енергії активації, необхідної для продовження реакції. Це те, що роблять каталізатори, як обговорювалося в попередньому розділі. Інший спосіб посилення реакції - додавання енергії, як обговорюється в цьому розділі.

Малюнок 13.7. Дія залізовмісної сполуки, модельованої на основі ферментів на основі заліза, як каталізатора для окислення алкенової вуглеводневої групи пероксидом водню

Найпростішим засобом додати енергії до реакції є нагрівання реакційної суміші. У промислових масштабах це зазвичай досягається за допомогою змійовиків труб, занурених в реакційну суміш, які нагріваються парою, що проходить через змійовики. Нагрівання шляхом пропускання струму електрики через електростійкі котушки також є засобом додавання енергії в хімічну систему. Значна частина зусиль у зеленій хімії була присвячена пошуку більш складних способів активізації хімічних систем.

Мікрохвильові печі можуть бути використані для додавання енергії до реакцій для підвищення швидкості реакції. Мікрохвильові печі - це електромагнітне випромінювання з довжинами хвиль від 1 см до 1 м (частота від 30 ГГц до 300 Гц). Щоб уникнути перешкод мікрохвильовим діапазонам, використовуваним у зв'язку, промислові та побутові мікрохвильові генератори зазвичай працюють на частоті 2,45 ГГц. Мікрохвилі поглинаються полярними молекулами, такими як молекули води, викликаючи швидко повторювану переорієнтацію молекул у мікрохвильовому полі. Результатом є високий надходження енергії безпосередньо в речовини, що піддаються мікрохвиль, тим самим додаючи енергію і прискорюючи реакції. Мікрохвильова енергія може бути введена безпосередньо у відносно невеликі обсяги реакційних середовищ, зменшуючи вимоги до матеріалу та мінімізуючи відходи. Мікрохвильові печі можуть бути використані для посилення реакцій у (1) водних середовищах, (2) полярних органічних розчинниках, таких як диметилформамід, і (3) реакціях без середовищ, таких як змішані тверді реагенти.

Sonochemistry додає енергію, піддаючи реакційне середовище ультразвуковій енергії на частотах від 20 до 100 кГц, що вводить дуже високі імпульси енергії в середовище. Зазвичай ультразвук виробляється п'єзоелектричним ефектом, завдяки якому кристали речовин, таких як титанат барію, просочений керамікою, піддаються швидкому реверсу електричних полів, перетворюючи електричну енергію в звукову енергію з ефективністю, яка може досягати 95%. Перевага сонохімії полягає в тому, що вона може вводити високу енергію в мікроскопічні області, що дозволяє реакції відбуватися без помітного нагрівання реакційного середовища.

Електрохімія шляхом проходження постійного струму електрики через реакційне середовище може спричинити як скорочення, так і окислення. Зменшення, додавання електронів, е -, відбувається на відносно негативно зарядженому катоді, а окислення, втрата електронів, на відносно позитивно зарядженому аноді. Електрохімічне окислення та відновлення можна контролювати застосованими електричними потенціалами, середовищами, в яких вони відбуваються, та використовуваними електродами. Оскільки додавання електронів до реакційного середовища (відновлення) і супутнє їх видалення (окислення) не додають речовини, електролітичні синтези відповідають цілям зеленої хімії. Електролітичне виробництво кисню та водню, екологічно чистого палива та цінної сировини, показано в розділі 13.15 та малюнку 13.10.

Фотохімічні реакції використовують енергію фотонів світла або ультрафіолетового випромінювання, щоб викликати реакції. Енергія, Е, фотона електромагнітного випромінювання частоти, ν, дорівнює E = h ν, де h - константа Планка. Оскільки фотон може бути поглинений безпосередньо молекулою або функціональною групою на молекулі, застосування електромагнітного випромінювання відповідної енергії до реакційного середовища може вводити велику кількість енергії в вид реагентів без значного нагрівання середовища. Фотохімічна енергія може бути використана для того, щоб реакції синтезу відбувалися ефективніше і з меншим виробництвом побічних продуктів відходів, ніж нефотохімічні процеси. Одним із прикладів є ацилювання бензохінону альдегідом для отримання ацильного гідрохінону, проміжного продукту, який використовується для виготовлення деяких спеціальних полімерів:

Ця реакція відбувається при 100% економії атомів. На відміну від стандартного типу реакції Friedel-Crafts, який використовує каталітичний ефект кислотних галогенідів кислотного типу Льюїса, зокрема хлориду алюмінію, AlCl ₃, фотохімічний процес не вимагає каталітичних речовин, які, як правило, реактивні та чутливі до вологи та повітря.

Учасник реакції не повинен поглинати фотон безпосередньо, щоб пройти фотохімічно індуковану реакцію. У деяких випадках фотохімічно реактивні форми додають в реакційну суміш для поглинання фотонів, потім виробляють реактивні збуджені форми або вільні радикали, які здійснюють додаткові реакції. Прикладом цього є перекис водню, яка поглинає фотони.

\[\ce{H2O2 + } h \nu \rightarrow \ce{ HO \cdot + HO \cdot}\]

виробляти реактивні гідроксильні радикали, які реагують з рядом інших видів.

Інтенсифікація процесу та підвищена безпека при меншому розмірі

Інтенсифікація процесу може бути використана з реакторами безперервного потоку (рис. 13.8), що використовуються для інтенсифікації хімічних процесів і забезпечення збільшення виходу продукту з меншим розміром апарату. Особливо це стосується випадків, коли безперервний потік поєднується з гетерогенним каталізом і введенням енергії. Великою перевагою таких реакторів з точки зору зеленої хімії є підвищена безпека. Якщо щось піде не так в реакторі великої партії, в гіршому випадку може статися така аварія, як вибух або пожежа з великою кількістю матеріалу. З реактором безперервного потоку проблема може бути обмежена невеликим об'ємом реактора, і процес може бути негайно зупинений шляхом зупинки припливу реагентів.