Possibili ottimizzazioni delle reazioni di laboratorio Regole di base

Possibili ottimizzazioni delle reazioni di laboratorio
Regole di base per sintesi sostenibili
Analizzando parte delle reazioni di NOP, sono stati individuati alcuni punti deboli: essi sono
legati principalmente al bilancio energetico dei processi di laboratorio e al consumo di materie
prime. Adottando accorgimenti molto “semplici”, tuttavia, i problemi evidenziati possono
essere facilmente ridotti o addirittura eliminati durante la pianificazione delle reazioni stesse.
Per questo motivo sono state create le “regole di base per sintesi sostenibili” indicate di
seguito [1]. Questi principi rientrano in una visione d’insieme del problema (che tiene conto
sia dei processi preliminari, che di quelli successivi) e possono contribuire ad accrescere la
sostenibilità di una reazione da un punto di vista ecologico.
Regole di base per sintesi sostenibili – minimizzare il consumo energetico
L’impatto ambientale delle reazioni di laboratorio dipende principalmente dall’elettricità
consumata durante il processo e dagli effetti che l’erogazione di tale energia ha sull’ambiente.
L’elevato consumo energetico da parte di alcune delle reazioni analizzate deve essere
ricercato principalmente nell’elevata dispersione di energia verso l’ambiente che ha luogo
durante la sintesi. Di seguito vengono enunciate le “regole di base per sintesi sostenibili”, la
cui applicazione porta ad una sensibile diminuzione degli sprechi energetici nell’ambito delle
reazioni di laboratorio.
Isolamento termico
L’apparecchiatura deve essere isolata nel miglior modo
possibile.
Regola di base 1: isolamento termico
Il coefficiente di trasferimento termico (indicato con “k”) può essere ridotto con un corretto
isolamento delle parti interessate: questa semplice modifica permette di ridurre il
trasferimento di calore e quindi la perdita di energia. Un ulteriore abbassamento può essere
realizzato riducendo il gradiente di temperatura presente tra l’ambiente di reazione e l’esterno
dell’apparecchio. Dal momento che abbiamo a che fare con un fenomeno dipendente dal
tempo, la durata dell’esperimento è un altro parametro molto importante. Per tutti i motivi
elencati finora, risulta quindi essenziale una conoscenza molto approfondita della reazione in
tutti i suoi aspetti.
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La temperatura e il tempo di reazione devono essere scelti
Condizioni sperimentali
correttamente, evitando gli eccessi.
Regola di base 2: condizioni sperimentali
È inoltre necessario tenere in considerazione la superficie totale della strumentazione, che
separa la miscela di reazione dall’esterno: minore è la sua estensione, infatti, e minore sarà la
perdita energetica per conduzione termica o irraggiamento. Il rapporto superficie-volume
dovrebbe essere scelto consapevolmente, in funzione delle caratteristiche della reazione.
Scelta della strumentazione
L’apparecchiatura
deve
essere
adatta
alla
scala
dell’esperimento prefissata.
Regola di base 3: scelta dell’apparecchiatura
A seconda delle modalità di somministrazione che vengono scelte, il consumo di energia a cui
si va incontro durante un processo è differente e può essere valutato sulla base di due delle
regole già abbozzate – quella sull’isolamento e quella sulle condizioni sperimentali. Dal
momento che l’isolamento completo del mezzo impiegato per scaldare non è normalmente
possibile, vanno comunque preferiti metodi di somministrazione dell’energia intrinsecamente
meno dispendiosi.
Somministrazione dell’energia
L’utilizzo di un mantello riscaldante è da preferire
rispetto all’impiego di una piastra dotata di bagno ad olio.
L’adozione di nuove tecnologie (micro-onde o ultrasuoni) può avere effetti positivi.
Regola di base 4: somministrazione dell’energia
Oltre alle possibili cause già menzionate, altri fattori possono incidere sul consumo energetico
delle sintesi di laboratorio. In questo senso, bisogna ricordare che tutte le sostanze presenti
nell’ambiente di reazione (e non solo i reagenti) incidono sull’energia necessaria per
raggiungere e mantenere la temperatura di reazione.
cp sostanze ausiliarie
Le sostanze ausiliarie dovrebbero avere i valori di calore
specifico più bassi possibili.
Regola di base 5: calore specifico delle sostanze ausiliarie
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Tra tutte le sostanze ausiliarie, quella cui spetta l’attenzione maggiore è sicuramente il
solvente, visto che normalmente è il componente principale della miscela di reazione. Per
questo motivo, ai solventi spetta una regola specifica.
cp del solvente
I solventi devono essere scelti per il loro basso calore specifico
e per la bassa temperatura di reazione richiesta.
Regola di base 6: calore specifico del solvente
L’utilizzo di sostanze ausiliarie può essere ulteriormente ottimizzato: oltre al consumo
energetico, infatti, sarebbe opportuno tenere in considerazione anche il consumo di materie
prime.
Regole di base per sintesi sostenibili – minimizzare il consumo energetico e
quello di materie prime
L’uso estensivo di sostanze ausiliarie durante le diverse fasi che costituiscono un processo
reattivo incide negativamente sul consumo di materie prime. La loro quantità, inoltre,
contribuisce anche al consumo energetico (ad esempio: richiedendo maggiore energia per il
riscaldamento); tra l’altro, molto spesso le sostanze ausiliarie vengono impiegate in largo
eccesso. Questi aspetti ricadono sui consumi energetici e di materie prime nelle fasi
precedenti la reazione considerata: il fatto di tenere conto anche dei processi preliminari,
tuttavia, è un’esigenza fondamentale per avere una visione d’insieme del problema, che sia il
più aderente possibile alla realtà.
Quantità di sostanze ausiliarie
La quantità di sostanze ausiliarie deve essere ridotta al
valore
effettivamente
necessario;
esperimenti
preliminari possono aiutare molto in questo senso. Se
possibile, sarebbe meglio integrare anche la rimozione
di queste sostanze nel progetto di reazione.
Regola di base 7: quantità di sostanze ausiliarie
L’acqua di raffreddamento – alla pari del solvente – è di estrema importanza, in quanto
rappresenta una porzione significativa del consumo di materiale.
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Acqua di raffreddamento
Il flusso dell’acqua di raffreddamento deve essere ridotto al
minimo necessario. Il recupero e il riutilizzo di quest’acqua
possono incidere positivamente sull’impatto ambientale di una
reazione.
Regola di base 8: acqua di raffreddamento
Il consumo dell’acqua di raffreddamento può essere ridotto utilizzando un circuito refrigerante
o un criostato; questa soluzione, tuttavia, aumenta il consumo energetico. Allo stesso modo,
anche l’utilizzo del ghiaccio (laddove richiesto) dovrebbe essere ridotto al minimo, visto
l’elevato consumo energetico legato alla sua produzione.
Ghiaccio
L’utilizzo del ghiaccio per raffreddare l’ambiente di reazione
deve essere ridotto al minimo, compatibilmente con le richieste
di sicurezza della reazione.
Regola di base 9: ghiaccio
Oltre alla quantità, anche le caratteristiche dei materiali usati hanno un’importanza non
trascurabile nell’ambito dell’impatto ambientale delle sintesi di laboratorio. Di seguito,
riportiamo una serie di regole volte a minimizzare tale parametro, rivolgendo un occhio di
riguardo alle sostanze ausiliarie.
Regole di base per sintesi sostenibili – minimizzare la (potenziale) tossicità
Volendo formulare delle regole che minimizzino la potenziale tossicità, bisognerebbe iniziare
ad affrontare il problema dei reagenti; in termini generali, sarebbe auspicabile ricorrere a
materie prime non tossiche, tuttavia non è sempre possibile sostituire i reagenti di una certa
sintesi. Nell’ambito dei materiali ausiliari, invece, questo problema viene notevolmente
ridimensionato e risulta molto più semplice affrontare i potenziali effetti di una sostituzione.
Tossicità dei solventi
Nella scelta di un solvente, è necessario considerarne anche la
potenziale tossicità. Queste sostanze non devono assolutamente
raggiungere l’ambiente.
Regola di base 10: tossicità dei solventi
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Tossicità delle sostanze ausiliarie
Nella scelta delle sostanze ausiliare, è necessario
considerarne anche la potenziale tossicità. Conclusa
la reazione, questi composti devono essere riciclati
oppure smaltiti, senza creare danni all’ambiente.
Regola di base 11: tossicità delle sostanze ausiliarie
Come già sottolineato, elevati impatti ambientali possono essere causati anche da processi
precedenti o posteriori rispetto alla reazione in sé. Prendendo in considerazione la produzione
di reagenti e materiali ausiliari, quindi, è possibile diminuire l’impatto ambientale di una
reazione (intesa nel senso più ampio del termine).
Regole di base per sintesi sostenibili – considerazioni sui processi
preliminari
Nell’ambito della produzione di sostanze chimiche, si ha a che fare con impatti ambientali
molto diversi tra loro, in funzione della complessità della molecola in esame: molto spesso,
inoltre, questi parametri non possono essere influenzati in alcun modo. In ogni caso,
l’operatore può ridurre l’utilizzo di una determinata sostanza al quantitativo necessario per la
reazione. Gli sforzi per determinare i bilanci dei flussi di materiale associati alla produzione di
diversi reattivi sono aumentati notevolmente negli ultimi anni: molto presto, quindi, la
valutazione dei processi preliminari riguardo reagenti e sostanze ausiliarie diventerà più
semplice. L’ottimizzazione di una reazione, infatti, passa anche attraverso la scelta di
materiali la cui preparazione sia caratterizzata da un basso impatto ambientale.
Pre-produzione
I costi derivanti dai processi preliminari devono essere tenuti in
considerazione nella scelta di un reagente o di una sostanza
ausiliaria.
Regola di base 12: considerazione dei processi preliminari
Nella tabella riportata alla fine di questo articolo (Tabella 1), vengono riportate e riassunte
tutte le “regole per sintesi sostenibili”. Ciascuna norma è corredata da un semplice disegno, il
cui compito è quello di semplificarne l’applicazione, in analogia a quanto accade con i
simboli di pericolo.
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Tenendo conto di queste regole di ottimizzazione, è possibile ridurre non solo il consumo
energetico e di materie prime delle reazioni di laboratorio, ma anche il loro impatto
ambientale. Per finire, l’applicazione dei punti presentati in ambito didattico può essere
un’occasione per sensibilizzare le future figure professionali nei confronti dello sviluppo
sostenibile.
[1] Diehlmann, A., Kreisel, G., Gorges, R. (2003). Contribution to “Developing
Sustainability” in Chemical Education. The Chemical Educator, 8;
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Isolamento termico
L’apparecchiatura deve essere isolata nel miglior modo possibile.
Condizioni sperimentali
La temperatura e il tempo di reazione devono essere scelti
correttamente, evitando gli eccessi.
Scelta della
strumentazione
L’apparecchiatura deve essere adatta alla scala dell’esperimento
prefissata.
Somministrazione
dell’energia
L’utilizzo di un mantello riscaldante è da preferire rispetto
all’impiego di una piastra dotata di bagno ad olio. L’adozione di
nuove tecnologie (micro-onde o ultra-suoni) può avere effetti
positivi.
cp sostanze ausiliarie
Le sostanze ausiliarie dovrebbero avere i valori di calore
specifico più bassi possibili.
cp del solvente
I solventi devono essere scelti per il loro basso calore specifico e
per la bassa temperatura di reazione richiesta.
Quantità
ausiliarie
di
sostanze La quantità di sostanze ausiliarie deve essere ridotta al valore
effettivamente necessario; esperimenti preliminari possono
aiutare molto in questo senso. Se possibile, sarebbe meglio
integrare anche la rimozione di queste sostanze nel progetto di
reazione.
Acqua di raffreddamento
Il flusso dell’acqua di raffreddamento deve essere ridotto al
minimo necessario. Il recupero e il riutilizzo di quest’acqua
possono incidere positivamente sull’impatto ambientale di una
reazione.
Ghiaccio
L’utilizzo del ghiaccio per raffreddare l’ambiente di reazione
deve essere ridotto al minimo, compatibilmente con le richieste
di sicurezza della reazione.
Tossicità dei solventi
Nella scelta di un solvente, è necessario considerarne anche la
potenziale tossicità. Queste sostanze non devono assolutamente
raggiungere l’ambiente.
Tossicità delle sostanze Nella scelta delle sostanze ausiliare, è necessario considerarne
ausiliarie
anche la potenziale tossicità. Conclusa la reazione, questi
composti devono essere riciclati oppure smaltiti, senza creare
danni all’ambiente.
Pre-produzione
I costi derivanti dai processi preliminari devono essere tenuti in
considerazione nella scelta di un reagente o di una sostanza
ausiliaria.
Tabella 1: Regole di base per sintesi sostenibili
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