Atomų ekonomija, atliekos ir saugesnis sintezės projektavimas

Atomų ekonomija – teorinis stechiometrijos klausimas

Kai reakcijos lygtis subalansuota ir nurodytas norimas produktas, atomų ekonomija palygina šio produkto stechiometrinę masę su bendra stechiometrine reagentų mase. Ji nusako, kokia reagentų masės dalis pagal formalią bendrąją reakcijos lygtį gali patekti į norimą produktą. Ji skiriasi nuo išskirto produkto išeigos ir neapima faktiškai naudojamų reagentų perteklių, tirpiklių, pagalbinių gryninimo medžiagų ar energijos.

Simbolinėje bendrojoje reakcijos lygtyje C₂H₄O₂ + C₂H₆O → C₄H₈O₂ + H₂O norimu produktu laikykite esterį. Naudojant aiškiai nurodytas suapvalintas atomines mases C=12.011, H=1.008 ir O=15.999 g mol⁻¹, reagentų molinės masės yra 60.052 ir 46.069 g mol⁻¹. Norimo esterio molinė masė yra 88.106 g mol⁻¹, o vandens – 18.015 g mol⁻¹. Atomų ekonomija yra 88.106/106.121≈ 0.830241, arba 83.0241%.

Tai teorinis atomų įtraukimas į produktą pagal nurodytą suminę reakciją, o ne esterinimo receptas, faktinis pusiausvyros sąlygomis pasiektas reakcijos vyksmo laipsnis ar išskirto produkto išeiga. Net ir esant didelei atomų ekonomijai, gali būti sunaudojama daug tirpiklių, atgaunama mažai medžiagų, kyla pavojų arba reikia daug energijos.

PMI ir E reikia sutampančių masės apskaitos ribų

Čia proceso masės intensyvumą, PMI, apibrėžkime kaip bendros į apskaitą įtrauktos įėjimo medžiagų masės ir norimo produkto masės santykį. Įtraukite vandenį, tirpiklius, reagentus ir pagalbines medžiagas, patenkančius į nurodytas apskaitos ribas. E faktorių čia apibrėžkime kaip į apskaitą įtrauktos atliekų masės ir norimo produkto masės santykį, nurodant atliekų apskaitos taisyklę. Sujungiant operacijas į vienas apskaitos ribas, vidiniai tarpinių produktų perdavimai neturėtų būti skaičiuojami du kartus.

Tarkime, išgalvotame pilname balanse sunaudojama 4.00 kg vandens, 3.00 kg tirpiklio ir 3.00 kg reagentų bei pagalbinių medžiagų; bendra įėjimo medžiagų masė yra 10.0 kg. Norimo produkto masė yra 0.500 kg, o visą likusią 9.50 kg išėjimo srauto masę laikykime atliekomis. PMI=20.0 ir E=19.0. Esant šioms sutampančioms pilno balanso apskaitos riboms, kai nėra jokio kito atliekoms nepriskiriamo išėjimo srauto ar atsargų pokyčio, E=PMI−1.

Jei pagal atskirai nurodytą apskaitos taisyklę 4.00 kg vandens neįtraukiama į abi atitinkamas bendras mases, įėjimo medžiagų ir produkto bei atliekų ir produkto masių santykiai tampa atitinkamai 12.0 ir 11.0. Tokių verčių, apskaičiuotų neįtraukiant vandens, negalima tiesiogiai lyginti su vertėmis, apskaičiuotomis jį įtraukiant. Apskaitos taisyklė turi būti pateikta kartu su rezultatu, o ne nepastebimai pakeista siekiant pagerinti skaičių.

Įėjimo medžiagų ir produkto masių skirtumas ne visada yra atliekų masė

Kitame išgalvotame pavyzdyje, taikant atskiras apskaitos ribas, 10.0 kg įėjimo srautas pasiskirsto į 0.500 kg norimo produkto, 7.00 kg atgautų medžiagų, nelaikomų atliekomis, ir 2.50 kg atliekų. Pilnas masės balansas yra suderintas, o bendros įėjimo medžiagų masės ir produkto masės santykis PMI lieka 20.0. Faktinis į apskaitą įtrauktų atliekų ir produkto masių santykis E yra 5.00, o ne 19.0. Atėmus tik norimo produkto masę, numatytas atgautų medžiagų išėjimo srautas būtų klaidingai priskirtas atliekoms.

Priskyrimas ne atliekoms šiame uždavinyje yra aiški prielaida, o ne įrodymas, kad kokios nors realiai atgautos medžiagos tinka pakartotinai naudoti. Norint apskaitoje įskaityti pakartotinio naudojimo ar gyvavimo ciklo naudą, reikia atskirų duomenų, pagrindžiančių kokybę, atsargų apskaitą ir apskaitos ribas. Kaupimuisi, neužregistruotiems išmetimams ir papildomiems naudingiems šalutiniams produktams taip pat reikia platesnio balanso.

Mažesnė masė gali reikšti didesnes energijos sąnaudas

Panagrinėkime dviejų sintezės kelių visiškai išgalvotus sąnaudų duomenis, tenkančius vienam kilogramui norimo produkto. X keliu sunaudojama 8.00 kg medžiagų ir 15.0 MJ energijos; Y keliu sunaudojama 10.0 kg medžiagų ir 5.00 MJ energijos. X masių santykis mažesnis, o Y energijos sąnaudos mažesnės. Vien šių pastebėjimų nepakanka norint nustatyti, kuris kelias visais atžvilgiais pranašesnis aplinkosaugos ar saugos požiūriu.

Ribotam mokomajam dviejų dėmenų rodikliui priskirkime išgalvotą medžiagų poveikio koeficientą 0.200 kg CO₂ ekvivalento vienam kg medžiagų ir energijos koeficientą ε, išreikštą kg CO₂ ekvivalento vienam MJ. Rodiklio vertės, išreikštos kg CO₂ ekvivalento vienam kg produkto, yra X=1.60+15.0ε ir Y=2.00+5.00ε. Kai ε=0.100, X=3.10 ir Y=2.50; kai ε=0.0200, X=1.90 ir Y=2.10. Jos sutampa, kai ε=0.0400.

Šie koeficientai ir sąnaudų duomenys nėra išmatuoti gyvavimo ciklo duomenys, o dviejų dėmenų rodiklis nėra išsamus gyvavimo ciklo vertinimas. Žaliavų kilmė, poveikis vandeniui, išmetimai, pavojingumas ir kitos kategorijos nėra kiekybiškai įvertinti. Pasikeitusi kelių rikiuotė rodo jautrumą prielaidoms, o ne pagrindžia teiginį apie tikrąjį poveikį klimatui.

Kelio vertinimui reikia įrodymų, o ne vien žymos

Atliekų prevencija, mažiau nereikalingų virsmų, tinkamas selektyvumas ir veiksmingas išteklių naudojimas gali padėti geriau kurti procesą. Funkcinių grupių apsauga prideda operacijų ir medžiagų, tačiau bendras jos poveikis priklauso nuo suderinamų alternatyvų. Katalizinis kelias gali padėti, kai išmatuotomis sąlygomis jis iš tiesų sumažina sąnaudas ar poveikį; taip pat svarbu katalizatoriaus gavimas, susigrąžinimas, deaktyvacija ir proceso energija.

Fotocheminiams ir elektrocheminiams metodams reikia šviesos ar elektros energijos ir atskirų medžiagų balansų. Nei žyma „žalias“, nei vienas palankus rodiklis neįrodo mažesnio pavojingumo ar mažesnio bendro poveikio. Peržiūrai tinkamame kelių palyginime nurodomos jo ribos, funkcinis rezultatas, įrodymai, neapibrėžtis ir neišmatuotos kategorijos, kad kitas skaitytojas galėtų įvertinti kompromisus.

Išnagrinėti pavyzdžiai

Pabandykite patys

1. Ar atomų ekonomija yra tas pats, kas išmatuota išskirto produkto išeiga?

   Rodyti atsakymą ir paaiškinimą

   Ne.

   Pirmoji yra teorinis stechiometrinis atomų įtraukimas į produktą; antrajai reikia faktiškai išskirto tikslinio produkto kiekio, nustatyto pagal nurodytą skaičiavimo pagrindą.

2. Ar PMI, apskaičiuotą neįtraukiant vandens, galima tiesiogiai lyginti su PMI, apskaičiuotu įtraukiant vandenį, nenurodžius apskaitos ribų skirtumo?

   Rodyti atsakymą ir paaiškinimą

   Ne.

   Jų medžiagų apskaitos taisyklės skiriasi.

3. Ar lygybė E=PMI−1 galioja automatiškai, kai atskiras atgautų, atliekomis nelaikomų medžiagų srautas išeina už tos pačios bendros įėjimo masės apskaitos ribos?

   Rodyti atsakymą ir paaiškinimą

   Ne.

   Tuomet iš įėjimo medžiagų masės atėmus produkto masę lieka ne tik atliekų masė, bet ir atgautų medžiagų masė.

4. Ar žyma „katalizinis“ ar „elektrocheminis“ patvirtina, kad sintezės būdas visais atvejais yra saugesnis ir daro mažesnį poveikį?

   Rodyti atsakymą ir paaiškinimą

   Ne.

   Reikia faktinių medžiagų apskaitos duomenų, informacijos apie pavojus ir energiją bei rezultatus pagrindžiančių duomenų.

Ką verta įsidėmėti

• Apskaičiuokite teorinę atomų ekonomiją pagal subalansuotą suminės reakcijos lygtį.
• Su kiekvienu rodikliu nurodykite medžiagų ir atliekų apskaitos ribas.
• Aiškiai apskaitykite atgautus išvesties srautus ir atsargų pokyčius.
• Atskirai lyginkite energiją, masę ir poveikį.
• Vertindami sintezės būdo kompromisus, atsižvelkite į įrodymus ir neapibrėžtį.