یک شیوه گام به گام
حلال های طبیعی برای قرن ها در صنایع مختلفی به کار رفته اند، اما روش ها و ابزار های بکار رفته برای انتخاب حلال بهینه د عین به حداقل رساندن ابعداد زیان های محیط زیستی، سلامتی، ایمنی آنها هنوز در حال تحول است. قسمت عمده انتخاب مناسب حلال ها به کاربرد آنها وابسته است – به صورت خاص تر، اینکه چه چیزی قرار است تا حل شود و تحت چه شرایطی. این مقاله یک تخمین چهار مرحله ای را بر اساس مرجع شماره 1 برای انتخاب حلال ارائه می کند که خواننده می تواند فهرستی از منابع بیشتر در این زمینه را در آن بیابد.
شناسایی چالش پیش رو و خواص مشخصه حلال. دو گام ابتدایی عبارتند از: ۱) شناسایی مسئله واقعی و فناوری یا واحد مورد نیاز برای حل کردن آن؛ ۲) تعیین الزاماتی که باید استفاده از ظوابط مربوط به خواص فیزیکی و شمیایی از جانب حلال تامین شود (خواص حلال خالص مانند نقطه جوش نرمال، پارامتر حل شوندگی هیلدبراند (Hildebrand) در 300K، پارامتر حل شوندگی هنسن (Hansen)؛ خواص حلال-حل شونده مانندحل شوندگی حلال به عنوان تابعی از ترکیب مخلوط؛ و محدودیت های کاری مانند هدر رفت حل شونده در حل شونده).
بدست آوردن مقادیر قابل اعتماد از ویژگی ها حلال و محدود کردن انتخاب. جایگزین های متعددی برای این گام وجود دارد. به عنوان مثال، یک نفر می تواند از پایگاه های داده خواص مواد شیمیایی (یا حلال ها)، برای اندازه گیری ویژگی های مورد نظر استفاده کند، یا، با از مدل های خواص برای تخمین آنها استفاده کند. برای مسائل انتخاب حلالی که واکنش شیمایی در انها وجود ندارد، الگوی انتخاب حلال مناسب از مسیر بررسی حل شونده، نوع کاربرد، و محدودیت های دیگر پایه ریزی شده است.
هنگامی که این برقرار شد، یک پایگاه داده از حلال های شناخته شده می تواند برای تعیین حلال های مناسب که با الگوی لازم هماهنگ هستند به کار رود (جدول ۱). در دیگر سو، وقتی واکنش شیمایی وجود دارد، تخمین بر اساس تئوری حالت انتقال (Transition-State Theory) و نیازمند در نظر گرفتن انرژی های انحلال واکنش دهنده ها، محصولات و حالت های انتقال، و بنابراین، آگاهی از مکانیزم واکنش است.
وقتی مقادیر قطعی پیدا شده اند، جستجوی حلال می توانست به این صورت باشد که ابتدا خواص حلال خالص به کار رفته است، سپس با EHS حلال دنبال شده است، سپس حلال-حل شونده و نهایتا تابع حلال. لیست را به حذف ترکیباتی که با ویژگی های مورد نظر همخوانی ندارند محدود کنید.
پروتکلی از سوی بریتست با مسئولیت محدود (www.britest.co.uk) به دنبال این است تا با استفاده از اصول مکانیکی به انتخاب حلال کمک کند (شکل). هدف دنبال کردن فلش ها بر اساس تعراف مسئله و جستجوی محدودیت ها تا رسیدن به نقطه پایان و درنتیجه بدست آوردن خواص مشخصه حلال های کاندیدا شده است. این خواص مشخصه برای شناسایی گروهی که حلال به آن تعلق دارد با استفاده از پایگاه داده حلال ها است (جدول ۲ را ببینید). گروه-نوع های مربوطه ارزیابی شده و یک انتخاب نهایی صورت می گیرد.
تطبیق انتخاب. گام چهارم بررسی عملکرد مطابق انتظار حلال با اجرای یک اعتبارسنجی محاسباتی با استفاده از شبیه سازی است. اعتبارسنجی تجربی یک حلال کاندیدا در تمام مراحل پیشرفت فرآیند انتخاب ضروری است.
حلال های طبیعی برای قرن ها در صنایع مختلفی به کار رفته اند، اما روش ها و ابزار های بکار رفته برای انتخاب حلال بهینه د عین به حداقل رساندن ابعداد زیان های محیط زیستی، سلامتی، ایمنی آنها هنوز در حال تحول است. قسمت عمده انتخاب مناسب حلال ها به کاربرد آنها وابسته است – به صورت خاص تر، اینکه چه چیزی قرار است تا حل شود و تحت چه شرایطی. این مقاله یک تخمین چهار مرحله ای را بر اساس مرجع شماره 1 برای انتخاب حلال ارائه می کند که خواننده می تواند فهرستی از منابع بیشتر در این زمینه را در آن بیابد.
شناسایی چالش پیش رو و خواص مشخصه حلال. دو گام ابتدایی عبارتند از: ۱) شناسایی مسئله واقعی و فناوری یا واحد مورد نیاز برای حل کردن آن؛ ۲) تعیین الزاماتی که باید استفاده از ظوابط مربوط به خواص فیزیکی و شمیایی از جانب حلال تامین شود (خواص حلال خالص مانند نقطه جوش نرمال، پارامتر حل شوندگی هیلدبراند (Hildebrand) در 300K، پارامتر حل شوندگی هنسن (Hansen)؛ خواص حلال-حل شونده مانندحل شوندگی حلال به عنوان تابعی از ترکیب مخلوط؛ و محدودیت های کاری مانند هدر رفت حل شونده در حل شونده).
| جدول ۱. تعدادی از پایگاه های داده و ابزارهای انتخاب حلال معتبر | |
|---|---|
| پایگاه داده | نشانی و توضیحات |
| ChemFinder | داده های قابل جستجو و ایندکس ابرمتنی: http://chemfinder.cambridgesoft.com |
| پایگاه های حلال ها | پایگاه داده سیستم های جایگزینی حلال در http://es.epa.gov/ssds/ssds.html ؛ «هندبوک حلال ها» از سوی www.chemtec.org/cd/ct_23.html ؛ و SOLVDB در http://solvdb.ncms.org/index.html |
| NIST Webbook DIPPR و TAPP | منبع داده های فیزکی و شیمیایی در http://webbook.nist.gov ؛ www.aiche.org/TechnicalSocieties/DIPPR/About/Mission.aspx ؛ و www.chempute.com/tapp.htm |
| پایگاه CAPEC | دادهها ویژگی های مواد خالص و ترکیبات شامل پایگاه داده حلال-حل شونده: www.capec.kt.dtu.dk/Software/ICAS-and-its-Tools |
| ابزارهای انتخاب | نشانی و توضیحات |
| SMSwin | نرم افزار اختصاصی برای تخمین خواص و دسته بندی حلال ها: www.capec.kt.dtu.dk/documents/software/SMSWIN.htm |
| NRTL-SAC و eNRTL-SAC | متد ضریب فعالیت بر اساس مشارکت اجزا. قابل پیش بینی بر اساس مجموعه کوچکی از داده های انحلال پذیری. مناسب برای حلال های کریستالیزاسیون و قابل تعمیم به تعادل های مایع-مایع(LLE) و بخار-مایع (VLE): www.aspentech.com |
بدست آوردن مقادیر قابل اعتماد از ویژگی ها حلال و محدود کردن انتخاب. جایگزین های متعددی برای این گام وجود دارد. به عنوان مثال، یک نفر می تواند از پایگاه های داده خواص مواد شیمیایی (یا حلال ها)، برای اندازه گیری ویژگی های مورد نظر استفاده کند، یا، با از مدل های خواص برای تخمین آنها استفاده کند. برای مسائل انتخاب حلالی که واکنش شیمایی در انها وجود ندارد، الگوی انتخاب حلال مناسب از مسیر بررسی حل شونده، نوع کاربرد، و محدودیت های دیگر پایه ریزی شده است.
| جدول ۲. حلال های شناخته شده همراه با ویژگی هایشان | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|
نام حلال
|
نوع مولکول
|
نوع گروه
|
بار الکتریکی
|
(NPB (K
|
(NMP (K
|
(Sol. Par. (MPa1/2
|
| ۱-متیل ۲-پایرولیداینون |
آمید
|
۱
|
NE/EPD
|
475.15
|
249.15
|
23.16
|
| استونیتریل |
نیتریل
|
۱
|
E/NPG
|
354.75
|
229.35
|
24.05
|
| دیمتیل سولفوکساید |
اس-اوکساید
|
۱
|
E/NPG
|
462.15
|
291.65
|
26.75
|
| دیمتیل فرم آمید |
آمید
|
۱
|
NE/EPD
|
426.15
|
212.75
|
23.95
|
| دیمتیل استامید |
آمید
|
۱
|
NE/EPD
|
438.15
|
253.15
|
22.35
|
| دیایزوپروپیل اتر |
اتر
|
۲
|
NE/EPD
|
341.65
|
181.35
|
14.45
|
| دیمتیل اتر |
اتر
|
۲
|
NE/EPD
|
248.35
|
131.65
|
15.12
|
| متیل ترت بوتیل اتر |
اتر
|
۲
|
NE/EPD
|
328.35
|
164.55
|
15.07
|
| تتراهیدروفوران |
اتر
|
۲
|
NE/EPD
|
335.15
|
164.85
|
18.97
|
| کلوروبنزن |
کلوراید
|
۳
|
NE/P
|
632.35
|
404.9
|
19.35
|
| ام-زایلن (همچنین او- و پی-) |
هیدروکربن آروماتیک
|
۳
|
NE/P
|
412.27
|
225.3
|
18.05
|
| تولوئن |
هیدروکربن آروماتیک
|
۳
|
NE/P
|
383.95
|
178.25
|
18.32
|
| استیک اسید |
اسید
|
۴
|
PG
|
391.05
|
289.81
|
19.01
|
| پروپاینیک اسید |
اسید
|
۴
|
E/PG
|
414.25
|
252.45
|
19.41
|
| سولفوریک اسید |
اسید
|
۴
|
E/PG
|
610
|
283.46
|
28.41
|
| پروپانول |
الکل
|
۵
|
E/N
|
370.35
|
147.05
|
24.45
|
| اتانول |
الکل
|
۵
|
E/N
|
351.35
|
159.05
|
26.13
|
| بوتانول |
الکل
|
۵
|
E/N
|
390.81
|
183.85
|
23.35
|
| اتیلن گلایکل |
الکل
|
۵
|
E/N
|
470.45
|
260.15
|
33.7
|
| دیکلرومتان |
کلوراید
|
۶
|
NE/PED
|
313.15
|
178.05
|
20.37
|
| هپتان |
آلکین
|
۷
|
NE/I
|
371.65
|
182.55
|
15.2
|
| هگزان |
آلکین
|
۷
|
NE/I
|
341.85
|
177.85
|
14.9
|
| پنتان |
آلکین
|
۷
|
NE/I
|
309.22
|
143.42
|
14.4
|
| متانول |
الکل
|
۴و۵
|
E/N
|
337.85
|
175.47
|
29.59
|
| آب |
آبی
|
۴و۵
|
E/N
|
373.15
|
273.15
|
47.81
|
NBP= نقطه جوش نرمال؛ NMP= نقطه ذوب نرمال؛ Sol. Par.= پارامتر حل شوندگی هیلدبرند در K300؛ NE= غیرالکتریک؛ E= الکتریک؛ P= قطبی؛ EPD= اهدا کننده جفت الکترون؛ I= بی اثر؛ PG= پروتوژنیک (اهداکننده پروتون)؛ N= بی طرف (اهدا کننده و پذیرنده)؛ NPG= ناپروتوژنیک (پذیرنده پروتون)؛
|
||||||
هنگامی که این برقرار شد، یک پایگاه داده از حلال های شناخته شده می تواند برای تعیین حلال های مناسب که با الگوی لازم هماهنگ هستند به کار رود (جدول ۱). در دیگر سو، وقتی واکنش شیمایی وجود دارد، تخمین بر اساس تئوری حالت انتقال (Transition-State Theory) و نیازمند در نظر گرفتن انرژی های انحلال واکنش دهنده ها، محصولات و حالت های انتقال، و بنابراین، آگاهی از مکانیزم واکنش است.
وقتی مقادیر قطعی پیدا شده اند، جستجوی حلال می توانست به این صورت باشد که ابتدا خواص حلال خالص به کار رفته است، سپس با EHS حلال دنبال شده است، سپس حلال-حل شونده و نهایتا تابع حلال. لیست را به حذف ترکیباتی که با ویژگی های مورد نظر همخوانی ندارند محدود کنید.
پروتکلی از سوی بریتست با مسئولیت محدود (www.britest.co.uk) به دنبال این است تا با استفاده از اصول مکانیکی به انتخاب حلال کمک کند (شکل). هدف دنبال کردن فلش ها بر اساس تعراف مسئله و جستجوی محدودیت ها تا رسیدن به نقطه پایان و درنتیجه بدست آوردن خواص مشخصه حلال های کاندیدا شده است. این خواص مشخصه برای شناسایی گروهی که حلال به آن تعلق دارد با استفاده از پایگاه داده حلال ها است (جدول ۲ را ببینید). گروه-نوع های مربوطه ارزیابی شده و یک انتخاب نهایی صورت می گیرد.
تطبیق انتخاب. گام چهارم بررسی عملکرد مطابق انتظار حلال با اجرای یک اعتبارسنجی محاسباتی با استفاده از شبیه سازی است. اعتبارسنجی تجربی یک حلال کاندیدا در تمام مراحل پیشرفت فرآیند انتخاب ضروری است.
References
1. Gani, R., et al., A Modern Approach to Solvent Selection, Chem. Eng., Vol. 113, No. 3, pp. 30–43, Mar. 2006.
Author E-mail: rag@kt.dtu.dk
1. Gani, R., et al., A Modern Approach to Solvent Selection, Chem. Eng., Vol. 113, No. 3, pp. 30–43, Mar. 2006.
Author E-mail: rag@kt.dtu.dk
Original Article Information
Solvent Selection Methodology, by Rita L. D'Aquino
Chemical Engineering Magazine, June2007
Solvent Selection Methodology, by Rita L. D'Aquino
Chemical Engineering Magazine, June2007
