Possibili ottimizzazioni delle reazioni di laboratorio Regole di base per sintesi sostenibili

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1 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. 1

2 Condizioni sperimentali La temperatura e il tempo di reazione devono essere scelti 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. c p sostanze ausiliarie Le sostanze ausiliarie dovrebbero avere i valori di calore specifico più bassi possibili. Regola di base 5: calore specifico delle sostanze ausiliarie 2

3 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. c p 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. 3

4 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 4

5 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. 5

6 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; 6

7 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 cp sostanze ausiliarie 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. 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 di sostanze ausiliarie Acqua di raffreddamento Ghiaccio Tossicità dei solventi Tossicità delle sostanze ausiliarie Pre-produzione 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. 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. L utilizzo del ghiaccio per raffreddare l ambiente di reazione deve essere ridotto al minimo, compatibilmente con le richieste di sicurezza della reazione. Nella scelta di un solvente, è necessario considerarne anche la potenziale tossicità. Queste sostanze non devono assolutamente raggiungere l ambiente. 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. 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 7