Kemianteollisuudessa tietyt reaktiot toimivat monien tuotantoprosessien, kuten muovin valmistuksen, perustana.
Sisällysluettelo
Kuten voidaan kuvitella, niiden kehityksen muuttaminen merkitsee huomattavaa muutosta merkittävän osan teollisuuden perustan tuotantotavoissa.
Nämä muutokset vaikuttavat paitsi kemiantehtaiden tuotantoon ja tehokkuuteen myös suoraan prosessien kustannuksiin, kestävyyteen ja turvallisuuteen. Näiden reaktioiden optimointi voi johtaa kestävämpiin materiaaleihin, puhtaampiin prosesseihin ja pienempään energiankulutukseen, mikä puolestaan vaikuttaa alan kilpailukykyyn. Lisäksi kaikki näiden reaktioiden innovaatiot avaavat oven uusille tuotteille ja sovelluksille, biohajoavista pakkauksista edistyneisiin komponentteihin teknologiateollisuudelle.
Kemian teknologian instituutti, Consejo Superior de Investigaciones Científicas -tutkimusneuvoston ja Universitat Politècnica de València -yliopiston yhteinen tutkimuslaitos, esitteli menetelmän, joka lähestyy tätä reaktiota tavanomaisesta poikkeavalla tavalla. Työ keskittyy menettelyn optimointiin ja riippuvuuden poistamiseen aineista, joita on tähän asti pidetty välttämättöminä.
Kuinka he ovat onnistuneet valmistamaan muoveja pelkästään hapella tai ilmalla?
Tutkimus keskittyy alkeenien epoksidointiin, kemialliseen reaktioon, joka muuttaa nämä orgaaniset molekyylit (jotka koostuvat vain hiilestä ja vedystä) epoksideiksi. Nämä yhdisteet ovat välttämättömiä muovien ja epoksihartsien tuotannossa sekä lääkkeiden, pesuaineiden, hajusteiden ja makuaineiden valmistuksessa.
Perinteisesti alkeenien epoksidointi vaatii metallikatalyyttejä, kuten vanadiinia tai titaania, sekä hapettimia, kuten vetyperoksidia. Tämä lähestymistapa edellyttää liuottimien ja yhdisteiden käyttöä, jotka paitsi lisäävät kustannuksia myös tuottavat jätteitä ja aiheuttavat ympäristöriskejä.
Työ julkaistiin Nature Communications -lehdessä otsikolla Uncatalyzed aerobic epoxidation of liquid alkyl alkenes. Sen kirjoittajiin kuuluvat muun muassa Susi Hervàs-Arnandis, Francisco Garnes-Portolés, Sergio Rodríguez-Nuévalos, Antonio Leyva Pérez ja Judit Oliver sekä muita ITQ:n tutkijoita.
ITQ:n kehittämä uusi menetelmä mahdollistaa reaktion ilman katalyyttejä. Tätä varten käytetään vain happea tai ilmaa, jolloin raskasmetalleja, myrkyllisiä liuottimia tai lisäaineita ei tarvita.
Miten uusi muovinvalmistusmenetelmä toimii?
ITQ:n tiimin kehittämässä järjestelmässä on kolme vaihtoehtoa:
- Ilman käyttö kohtuullisessa paineessa: 3–5 bar.
- Spontaani reaktio huoneenlämmössä: suorassa kosketuksessa ilman kanssa.
- Hapen ja lämmön käyttö: lämpötila 100–200 °C.
Tämä lähestymistapa tarjoaa jopa 90 %:n selektiivisyyden, mikä tarkoittaa, että reaktio suosii selvästi halutun epoksidin muodostumista muiden sivutuotteiden sijaan. Tutkimuksen tietojen mukaan tämä suorituskyky on verrattavissa joihinkin olemassa oleviin katalyyttisiin menetelmiin tai jopa parempi.
Lisäksi prosessi voisi alentaa tuotantokustannuksia yli 50 %:lla, koska kalliit reagenssit ja ylimääräiset puhdistusvaiheet voidaan eliminoida.
Tämän espanjalaisen tutkimuksen vaikutukset teollisuuteen
Edistyminen avaa mahdollisuuksia useilla aloilla. Eniten hyötyä siitä on rakentamisessa, autoteollisuudessa ja tietotekniikassa käytettävien polymeerien sekä voiteluaineiden ja lääkkeiden valmistuksessa.
Tekniikka mahdollistaa myös biomassasta peräisin olevien alkeenien käytön, mikä mahdollistaisi uusiutuvien raaka-aineiden integroimisen tavanomaisiin teollisiin prosesseihin.
Toinen etu on skaalautuvuus: menetelmä voidaan ottaa käyttöön olemassa olevissa tuotantolinjoissa ilman merkittäviä rakenteellisia muutoksia, ja se soveltuu yksivaiheiseen synteesiin (one-pot), jossa kaikki reagenssit yhdistetään yhdessä reaktorissa.
Alkeenien epoksidoinnin mahdolliset sovellukset
Tämän menetelmän merkittävimpiä käyttötarkoituksia muovien ja muiden materiaalien valmistuksessa ovat:
- Epoksi-hartsien tuotanto pinnoitteisiin ja liimoihin.
- Ympäristövaikutuksiltaan vähäisempien pesuaineiden valmistus.
- Farmaseuttisten vaikuttavien aineiden synteesi.
- Tuoksujen ja makuaineiden lisäaineiden luominen.
- Erikoislubrikanttien valmistus.Metallikatalyyttien ja vaarallisten liuottimien käytöstä luopuminen vähentää jätteiden syntymistä ja helpottaa yhä tiukentuvien ympäristövaatimusten noudattamista Euroopan unionissa.Tämäntyyppiset edistysaskeleet sijoittuvat perustutkimuksen ja teollisen soveltamisen risteyskohtaan, sillä niissä käsitellään paitsi kemiallista toteutettavuutta myös kustannustekijöitä, skaalautuvuutta ja yhteensopivuutta jo vakiintuneiden prosessien kanssa.
