Разработка более экологически безопасных растворителей

Современные химики всё больше обеспокоены воздействием растворителей и растворов на окружающую среду. Ежегодно миллиарды галлонов воды и органических растворителей используются в химическом производстве, окрашивании текстиля, промышленной очистке и переработке пищевых продуктов.

Эти материалы должны пройти дорогостоящие и энергоемкие процедуры обеззараживания, прежде чем их можно будет использовать повторно. Что еще хуже, случайный выброс органических растворителей и недостаточно очищенной воды в окружающую среду приводит к загрязнению грунтовых вод и увеличению выбросов парниковых газов. Ученые и инженеры активно ищут новые технологии, которые помогут сократить и заменить огромные объемы коммерческих растворителей, используемых в настоящее время.

Сверхкритическая флюидная экстракция CO₂ кофеина из кофейных зерен используется все большим числом компаний для производства «decaf» кофе. После того, как кофейные зерна замачиваются в воде, чтобы приблизить кофеин к поверхности, их помещают под давление CO₂ примерно 35 атм при комнатной температуре. Это позволяет выборочно извлечь более 98% кофеина из зерен с минимальным влиянием на вкус и аромат. Кофеин растворяется в сверхкритическом CO₂, но выпадает в осадок при понижении давления для преобразования сверхкритической жидкости в газообразный CO₂

Химчистка — это пример отрасли, которая адаптируется к более безопасным технологиям использования растворителей. В то время как большинство операций химчистки используют высокотоксичный перхлорэтилен в качестве чистящего растворителя, некоторые предприятия теперь применяют, казалось бы, неожиданную замену — углекислый газ. CO₂ можно сжижать при комнатной температуре, повышая давление до 650 фунтов на квадратный дюйм (44,2 атм).

Химчистка на основе углекислого газа предполагает обработку одежды специально разработанными моющими средствами в стиральной машине, находящейся под давлением CO₂ в 700 фунтов на квадратный дюйм (47,6 атм). В отличие от процессов с использованием перхлорэтилена, которые требуют нагрева, очистка CO₂ проводится при комнатной температуре, что минимизирует износ одежды и снижает энергозатраты. Когда цикл очистки завершен и большая часть жидкого CO₂, содержащего загрязнения, слита, одежда «сушится» простым возвращением стиральной машины к атмосферному давлению, что позволяет удалить остаточный углекислый газ в виде газа. Более 98% CO₂, используемого в каждом цикле очистки, восстанавливается для повторного использования. Этот процесс уже применяется сетью химчисток Hangers в Северной Америке и Европе.

Еще одной перспективной технологией является флюорус-фазовая экстракция, которая основывается на принципах «подобное растворяется в подобном» и «масло и вода не смешиваются». Нерастворимость неполярных органических растворителей в воде, наряду с предпочтениями большинства растворенных веществ к одной из этих двух сред, часто используется в химических синтезах для отделения продуктов реакции от нежелательных побочных продуктов и непрореагировавших реагентов.

Фторированные органические соединения, такие как перфторгексан (CF₃CF₂CF₂CF₂CF₂CF₃), часто не смешиваются как с органическими растворителями, так и с водой и могут образовывать третий жидкий слой (флюорус-фазу) в присутствии водных и неполярных растворов при комнатной температуре (см. рисунок). Растворенные вещества, содержащие большое количество атомов фтора в своей структуре, могут проявлять крайне избирательное предпочтение к флюорус-фазе. Это свойство можно использовать для эффективного отделения их от нефторированных материалов.

Типичный химический синтез с использованием флюорус-фазовой экстракции может включать объединение двух несмешивающихся растворов: первый — неполярный органический растворитель, содержащий реагенты, а второй — фторированный растворитель, содержащий катализатор, специально модифицированный для растворимости в флюорус-фазе.

Нагрев этой смеси приводит к временной смешиваемости двух растворов, что позволяет реагентам и катализатору взаимодействовать и протекать желаемой реакции. Когда смесь затем охлаждается, неполярная органическая и флюорус-фазы снова разделяются на отдельные слои, оставляя продукты реакции в неполярной органической фазе и избирательно удерживая катализатор (часто дорогой или экологически вредный материал) в флюорус-фазе, где его можно эффективно восстановить.

Растворители всегда будут необходимой частью промышленных процессов. Хотя их нельзя полностью исключить, исследователи и регуляторы могут работать над ускорением разработки и внедрения более «зеленых» и экологически безопасных технологий. Когда речь заходит о проблемах окружающей среды, химики прилагают все усилия, чтобы растворители однажды перестали быть частью проблемы, а стали — как в прямом, так и в переносном смысле — частью решения!