| Aplikasi Expanded membuat SCFs pelarut hijau dari abad ke-21. Amerika Serikat menghasilkan jutaan ton polusi setiap tahun dan menghabiskan miliaran dolar mengendalikannya. Data ini menunjukkan bahwa pertumbuhan ekonomi yang berkelanjutan akan membutuhkan lebih dari produk akhir pemantauan lingkungan dari proses industri yang ada. Sebaliknya, fokus pada pengembangan teknologi di seluruh dunia harus mencakup metode pengolahan baru industri yang mendukung pencegahan pencemaran pada sumbernya. Seperti perubahan dalam metodologi produksi akan membawa manfaat-termasuk segera dan jangka panjang banyak keuangan-sebagai investasi modal yang lebih sedikit akan diperlukan untuk perbaikan lingkungan di masa depan. US Environmental Protection Agency (EPA) baru-baru menciptakan Program Green Kimia untuk mendukung "jinak dengan desain" prinsip-prinsip dalam pembuatan, desain, dan penggunaan bahan kimia dan proses kimia. Ini Desain untuk Lingkungan (DFE) fitur program R & D upaya yang berhubungan dengan teknologi inovatif untuk membantu industri dengan pengembangan produk ramah lingkungan dan proses. Inisiatif ini selaras dengan UU Pencegahan Pencemaran 1990, yang diciptakan untuk fokus pada pengurangan sumber polutan-konsep yang sering diabaikan karena fokus industri pengelolaan limbah dan pengendalian pencemaran. Pada tahun 1992, EPA Kantor Pencegahan Polusi dan Toxics (OPPT) bekerja sama dengan National Science Foundation (NSF) untuk bersama-sama mendanai penelitian kimia di seluruh dunia hijau. Sejak dimulai pada tahun 1977, OPPT telah bertanggungjawab untuk memastikan bahwa bahan kimia digunakan atau dijual tidak menimbulkan efek buruk terhadap kesehatan manusia atau lingkungan. Untuk saat ini, OPPT-NSF kemitraan telah memberikan puluhan juta dolar dalam bentuk hibah untuk penelitian fundamental dalam kimia hijau untuk kelompok di seluruh dunia. Sebagian besar dana terakhir telah diarahkan pada penelitian yang memanfaatkan sifat unik dari cairan superkritis (SCFs) sebagai alternatif untuk pelarut tradisional. Di bawah Konservasi Sumber Daya Federal dan Recovery Act (RCRA), industri yang menggunakan pelarut organik harus sesuai dengan peraturan yang ketat mengenai di tempat penyimpanan, daur ulang dan pembuangan, dan off-site transportasi limbah. Seiring dengan Clean Air Act federal (CAA), peraturan ini dimaksudkan untuk menekan tanah, udara, dan polusi air yang bisa dihasilkan dari penguapan pelarut yang berlebihan atau pembuangan yang tidak tepat. Ini akan menjadi proposisi yang sangat menarik untuk memiliki media yang akan berfungsi sebagai pelarut serbaguna, tanpa sifat karsinogenik atau potensi kerusakan lingkungan. Memang, tujuan ini telah direalisasikan dengan munculnya teknologi SCF. | | GAMBAR 1: Tekanan-suhu diagram fase untuk zat murni |
|
SCFs memiliki sifat yang intermediate antara cairan dan gas. Fase unik diperoleh melalui pengerahan tenaga dari tekanan dan suhu lebih besar dari titik kritis (Gambar 1). Dekat titik kritis cairan, perubahan menit dalam tekanan atau suhu secara signifikan mengubah sifat fisikokimia dari SCF (misalnya, kepadatan, difusivitas, atau karakteristik kelarutan). Hal ini sangat penting untuk aplikasi sintetis, di mana reaksi kondisi (misalnya, selektivitas, harga, jalur) dapat dimanipulasi secara sensitif. Kontrol reaksi tersebut tidak mungkin menggunakan pelarut organik tradisional. Selanjutnya, karena efek buruk bahwa pelarut organik banyak memiliki terhadap lingkungan dan / atau kesehatan, media seperti hidrokarbon terhalogenasi (misalnya kloroform, diklorometana) sedang dihapus penggunaan dan penggantian jinak sedang dikembangkan. Karbon dioksida superkritis (sc-CO 2) adalah alternatif yang menarik karena murah dan tidak menimbulkan ancaman bagi lingkungan atau kesehatan manusia. Namun, tergantung pada aplikasi, berbagai SCFs lain mungkin lebih menarik; Tabel 1 (bawah) daftar cairan umum yang telah digunakan untuk aplikasi yang beragam seperti ekstraksi / kromatografi, sintesis anorganik dan organik, katalisis, pengolahan bahan, dan bahkan kering pembersihan. (Lihat juga "Kromatografi Pemersatu" April 2001 TCAW.) Ekstraksi dan kromatografi
Meskipun SCFs ditemukan lebih dari 100 tahun yang lalu, tidak sampai tahun 1970 bahwa mereka digunakan secara komersial-untuk Decaffeinate kopi. Sejak itu, media SCF telah berhasil digunakan untuk mengekstrak analit dari berbagai senyawa kompleks melalui manipulasi tekanan sistem dan suhu. Sebagai perbandingan, metode konvensional (misalnya, ekstraksi Soxhlet dan isolasi vakum) yang lebih rumit dan waktu dan energi yang intensif. Secara umum, metode konvensional memiliki kecenderungan untuk menghasilkan ekstrak kasar yang terdiri dari unsur memburuk atau prematur menghapus komponen yang mudah menguap. | Tabel 1: Perbandingan konstanta kritis untuk cairan yang biasa digunakan | | Cairan | Suhu Kritis (° C) | Tekanan Kritis (atm) | | Karbon dioksida (CO 2) | 31.1 | 72.8 | | Metana (CH 4) | -82.1 | 45.8 | | Etana (C 2 H 6) | 32.3 | 48.2 | | Propana (C 3 H 8) | 96.7 | 41.9 | | Argon (Ar) | -122.3 | 48.0 | | Nitrous oksida (N 2 O) | 36.5 | 72.5 | | Air (H 2 O) | 374.1 | 218.3 |
|
Properti membatasi sc-CO 2 adalah bahwa ia hanya mampu melarutkan nonpolar organik berbasis zat terlarut. Namun, penambahan sejumlah kecil seperti sebuah cosolvent sebagai aseton telah terbukti secara signifikan meningkatkan kelarutan zat terlarut relatif polar. Baru-baru ini, kelarutan senyawa ionik seperti garam logam cair telah ditingkatkan melalui pembentukan misel terbalik menggunakan surfaktan fluorinated. DeSimone dan rekan telah melakukan banyak penelitian yang berhubungan dengan desain surfaktan, yang telah dimanfaatkan untuk "pelarut bebas" dry-cleaning aplikasi ( 1 ). SCF ekstraksi juga telah diterapkan pada rehabilitasi lingkungan seperti menghapus PCB dan organik lainnya dari air dan tanah ( 2 ). Untuk mengekstrak logam kontaminan, agen chelating umumnya ditambahkan ke cairan, dengan kompleks logam larut dikeluarkan dari depressurization sistem SCF berikut. Katalisis
Penggunaan SCFs untuk proses katalitik telah terbukti mengatasi banyak bahan kimia, teknik, dan kesulitan lingkungan yang terkait dengan proses konvensional. Katalisis homogen umumnya lebih disukai untuk katalisis heterogen karena menawarkan tarif yang lebih besar dan selektivitas. Namun, kelemahan dari metode ini adalah kesulitan dalam memisahkan produk. Sebagai perbandingan, reaksi yang melibatkan SCFs menawarkan kesempatan terbaik untuk pemisahan produk reaksi dan penghilangan pelarut dari sistem-dicapai melalui depressurization sistem yang sederhana. Karena hidrogen dan substrat organik yang larut dalam SCFs, fase tunggal dibuat yang menghilangkan transfer massa pertimbangan. Para miscibility lengkap cairan superkritis dengan gas permanen, peningkatan transfer massa properti, dan keamanan tambahan yang disediakan oleh suatu pelarut tidak mudah menyala adalah aspek yang membuat SCFs, terutama sc-CO 2, sangat menarik sebagai pelarut jinak untuk hydrogenations dan proses katalitik lainnya. Bahkan katalisis biphasic telah menggunakan SCF teknologi, dengan penambahan co-garam organik yang dikenal sebagai cairan ionik untuk menjamin miscibility katalis. Bahan Sintesis
Nanometer serbuk logam diharapkan memiliki aplikasi sebagai pengubah kecepatan bakar dalam propelan dan komponen bahan peledak di udara bahan bakar, bahan struktural energik, dan high density bahan peledak ( 3 ). Bubuk dari beberapa logam transisi dan paduan mereka digunakan dalam teknologi film tebal untuk produksi pasta konduktif untuk sirkuit terintegrasi hibrida dan metalisasi dari keramik multilayer (MLC) kapasitor. Serbuk logam disusun oleh berbagai metode seperti bubuk pencampuran / kalsinasi, logam-organik dekomposisi dari solusi berair, dan curah hujan dari larutan air garam logam ( 4 ). Namun, metode ini umumnya memberikan distribusi ukuran seragam yang memerlukan penggilingan bubuk diaglomerasi. Pirolisis semprot juga telah digunakan untuk menghasilkan partikel paduan logam dengan diameter dalam kisaran 100-1000 nm ( 5 ). Namun, hanya dalam dua tahun terakhir telah peneliti mulai menggunakan SCFs sebagai media untuk pertumbuhan nanopartikel. Setelah komponen dilarutkan dalam cairan superkritis, partikel mudah dapat diisolasi dari cairan dengan mengurangi tekanan sistem. Jika media adalah sc-CO 2, CO 2 gas dilepaskan dari sistem (sering didaur ulang), dan komponen terlarut disimpan sebagai partikel sangat halus karena ekspansi yang cepat dari solusi superkritis (RESS). Metode lain untuk pembentukan nanopartikel menggunakan mikroemulsi, dimana garam larutan logam cair, mengurangi agen, dan surfaktan yang ditambahkan ke SCF. Nanopartikel logam yang dihasilkan disimpan oleh RESS setelah SCF ini dibuang dari sistem. Partikel ini dibentuk melalui prosedur sederhana yang terbukti bebas dari penggabungan atom dan sangat homogen dalam ukuran ( 6 ). Baru-baru deposisi uap kimia (CVD) juga telah menggunakan teknologi SCF untuk pertumbuhan film tipis. Supercritical cairan transportasi CVD (SFT-CVD) memungkinkan prekursor relatif nonvolatile untuk diperkenalkan ke dalam ruang deposisi, selama mereka larut dalam SCF ( 7 ). Sebagai perbandingan, tradisional CVD termal metode hanya dapat menggunakan prekursor volatile. Film yang kompleks seperti BaTiO 3 dan YBCO telah berhasil disimpan menggunakan SFT-CVD dengan melarutkan sejumlah stoikiometri dari logam  -Diketonate prekursor dalam SCF. Pengendapan film-film ini menggunakan proses tradisional CVD adalah jauh lebih kompleks karena lebih dari satu padat atau cair prekursor sering harus digunakan, masing-masing memiliki volatilitas yang unik. Keselamatan dan Masa Depan
Aspek tidak menarik jelas berurusan dengan SCFs adalah kondisi relatif tinggi-tekanan yang harus digunakan. Namun, masalah ini telah dielakkan dengan penggunaan reaktor aliran yang sesuai dengan yang dilaporkan oleh kelompok penelitian Poliakoff di University of Nottingham ( 8 ). Reaktor aliran juga mengimbangi masalah dibuat dengan mengubah suhu kritis cairan dengan pembubaran zat terlarut, yaitu dengan reaktor batch, suhu kritis dari campuran reaksi dapat berubah secara signifikan sebagai hasil reaksi. Selanjutnya, jika menggunakan autoklaf, biasanya kecil untuk mengurangi bahaya yang terkait dengan volume besar pada tekanan tinggi. Untuk meningkatkan reaksi dilakukan dalam reaktor aliran, reaktor hanya berjalan untuk jangka waktu lebih lama dengan in situ, real-time monitor spektroskopi, jika diinginkan. Oleh karena itu, tidak bisa lagi mengklaim bahwa reaksi di SCFs ada yang sangat berbahaya dan / atau mahal untuk melaksanakan. Penyesuaian di kedua daerah telah memungkinkan metodologi SCF untuk meningkatkan proses-proses penting dan akan terus membuka pendekatan ini untuk berbagai daerah yang belum dijelajahi kimia. Referensi - Carson, T.; Wells, SL; DeSimone, JM Surfaktan Sci. Ser 2001,. 100, 129.
- Wagner, J. Baru dan Teknologi Inovatif untuk Pengolahan Limbah Campuran; EPA Kantor Limbah Padat, U-915074-01-0, Agustus 1997; www.epa.gov/radiation/mixed-waste/mw_pg11.htm .
- Gurganus, TB Adv. Mater. Proses 1995,. 148, 57.
- Hayashi, A.; Ushijima, A.; Nakamura, Y. Proses untuk produksi perak-paladium paduan bubuk halus. US Patent 4.776.883, tahun 1988.
- Pluym, TC; Kodas, TT; Wang, LM; Glicksman, HD J. Mater. Res 1995,. 10, 1661.
- Fulton, JL J. Am. Chem. Soc 1999,. 121, 2631-2632 .
- Fernandes, NE; Fisher, SM; Poshusta, JC; Vlachos, DG; Tsapatsis, M.; Watkins, JJ Chem. Mater 2001,. 13, 2023.
- Banister, JA; Lee, PD; Poliakoff, M. organometallics 1995, 14, 3876.
Bradley D. Fahlman adalah direktur Laboratorium Lanjutan di University of California, Irvine. Kirim komentar atau pertanyaan tentang artikel ini tcaw@acs.org atau Kantor Editor 1155 16th St NW, Washington, DC 20036. |
Tidak ada komentar:
Posting Komentar