sfondo
Le quantità atmosferiche naturali di anidride carbonica, un gas incolore, variano dallo 0 al 5%. È composta da tre atomi: una molecola lineare senza momento di dipolo netto è formata da due atomi di ossigeno legati a un atomo di carbonio. È formulata in questi modi: (1) le creature aerobiche come le persone e gli animali la producono principalmente durante la respirazione. Tuttavia, può anche essere generata durante la combustione o la decomposizione microbica dei rifiuti organici (2), bruciando combustibili fossili, tra cui carbone, petrolio, benzina e gas naturale produce la maggior parte delle emissioni antropiche e (3) a seconda del prodotto/i previsto/i, la CO2 può essere utilizzata direttamente convertendola in sostanze chimiche attraverso varie vie catalitiche oltre a essere utilizzata in processi industriali come la produzione di cemento o soda/e.
Metodi di utilizzo dell'anidride carbonica
È possibile convertire l'anidride carbonica in preziosi composti chimici utilizzando varie tecniche. Conversione termocatalitica che coinvolge alte temperature; conversione microbica utilizzando ceppi di batteri ingegnerizzati; riduzione elettrochimica diretta utilizzando fonti di energia rinnovabili; riduzione fotocatalitica utilizzando la luce solare; conversioni enzimatiche mediate dai mitocondri utilizzando enzimi estratti da cellule viventi; chimica organica sintetica utilizzando reagenti organometallici con metalli di base come catalizzatori rame o ferro; e reazioni assistite da enzimi utilizzando biocatalizzatori sono alcune di queste. Ogni tecnica ha vantaggi unici in base alle categorie di prodotto previste, al tasso di produzione, al consumo di energia, ecc.
L'applicazione diretta di elettricità alle molecole di CO2 fa sì che diventino ioni formiato, che possono interagire con altre molecole per generare composti preziosi come metanolo ed etanolo. Questo processo è noto come conversione elettrochimica diretta. Questo approccio elimina qualsiasi emissione di gas serra correlata al suo utilizzo utilizzando fonti di energia rinnovabili come l'energia eolica e solare al posto dei combustibili fossili convenzionali, rendendolo una scelta allettante, date le attuali preoccupazioni sui cambiamenti climatici globali. E questo metodo è più conveniente di altri metodi ora disponibili a causa dei suoi tassi di utilizzo prossimi al 100% e della bassa necessità di materiali catalizzatori. Tuttavia, alcuni problemi devono ancora essere risolti prima che l'opzione possa essere considerata commercialmente valida a causa delle lente velocità di reazione rispetto alle tecniche fotocatalitiche e dei limitati problemi di scalabilità correlati ai requisiti di dimensioni del reattore per raggiungere livelli di produzione su larga scala come richiesto dagli standard del settore odierni.
Riduzione fotocatalitica: Utilizzando energia luminosa e catalizzatori come nanocristalli di ossido di titanio drogati con vari ossidi di metalli di transizione, come argento, cobalto, ossido di zinco, ecc., la riduzione fotocatalitica converte le molecole di CO2 in ioni formiato, se applicati a un potenziale catodico, o radicali idrossilici, se applicati a un potenziale anodico. Entrambi questi prodotti hanno un'ampia gamma di utilizzi in vari settori, che vanno dai solventi a e poiché questo metodo necessita solo di una fonte di luce anziché del tradizionale riscaldamento termico, è un'opzione interessante per eseguire sintesi fotochimiche in contesti in cui non sarebbe altrimenti appropriato, come la produzione in piccoli lotti o laboratori in cui spazio e risorse sono limitati, rispettivamente. Questo metodo offre anche una flessibilità senza pari.
L'ingegnerizzazione di alcuni ceppi batterici per assorbire direttamente i gas disciolti dall'ambiente, come l'aria, e trasformarli in metaboliti preziosi, come gli acidi grassi, è nota come "conversione microbica". Senza substrati esterni aggiuntivi, questo metodo supera gli altri elencati qui in termini di costi perché non è necessario acquistare reagenti aggiuntivi; al contrario, colture specializzate possono essere coltivate a basso costo nella propria proprietà e utilizzate efficacemente nel contesto. E grazie ai miglioramenti nelle tecnologie di manipolazione genetica, anche complesse reazioni multi-step possono ora produrre composti target ai livelli desiderati in modo rapido e accurato, garantendo che le operazioni di controllo qualità vengano eseguite senza interruzioni per il prossimo futuro per i progetti successivi. I ricercatori utilizzano sempre di più le tecnologie di manipolazione genetica per creare nuovi farmaci e trattamenti. Per rimanere al passo con la concorrenza e mantenere un vantaggio competitivo nelle innovazioni dello sviluppo scientifico, il mercato mondiale in rapida crescita del settore sanitario ha bisogno di una quantità sempre maggiore di ricerca.
Conversione termocatalitica: La termocatalisi è l'applicazione di calore a una miscela che contiene sia idrogeno che monossido di carbonio per produrre idrocarburi liquidi simili alle frazioni di petrolio ma molto più puri in termini di qualità rispetto al petrolio greggio standard ottenuto oggi dai siti di estrazione di combustibili fossili. Rendendo possibile l'accesso a preziosi prodotti finali che il settore della raffinazione troverebbe difficile da ottenere altrove. E la sintesi dei polimeri è abilitata tramite la termochimica: polioli, materie plastiche, gomma, schiuma, adesivi, sigillanti, colla e rivestimenti. Tessuti, fibre e materiali compositi hanno vari usi in vari settori, tra cui cosmetici, imballaggi, lavorazione alimentare, ingegneria automobilistica, edilizia, agricoltura e aerospaziale. Ecco perché stanno rapidamente guadagnando popolarità e sono leader nel settore tecnologico su scala globale. Le conversioni enzimatiche mediate dai mitocondri comportano l'estrazione di enzimi da cellule viventi, in particolare mitocondri, e il loro trasferimento in un altro mezzo in cui trasformano intermedi reattivi, formando infine un prodotto finale punto designato percorso predeterminato derivante dalla generazione di preziosi metaboliti intermedi composti commensali multipli. Acido lattico, acetoina, glicerolo e alcol Acetico succinico piperonilico succinico malico tartarico fumarico glutaraldeide, 2-idrossibenzoato, acido fenossiacetico e 2-metilfenossietanolo sono solo alcuni dei composti che possono essere estratti con una precisione e una purezza ancora maggiori a prezzi ridotti come valore aggiunto.
Tuttavia, a differenza del metodo elettrochimico diretto, conversioni mitocondriali hanno una cinetica più lenta, il che significa che ci vuole più tempo perché il ciclo si completi prima di raggiungere l'endpoint. Ciò potrebbe ridurre la capacità di throughput effettiva. In determinate circostanze, sono necessari tempi di risposta più rapidi. Assicurati che il prodotto finale venga consegnato entro la data prevista e nei tempi promessi ai clienti. Prima di iniziare il progetto, questo è un fattore cruciale per evitare delusioni che potrebbero causare ritardi che potrebbero costare denaro all'organizzazione o causare danni a lungo termine alla sua reputazione, consapevolezza del marchio e quota di mercato.
Chimica organica sintetica: La creazione di reagenti organometallici costituiti da metalli di transizione, ligandi e strutture di supporto per produrre una stereoselettività favorevole è nota come chimica organica sintetica o "Organometallici". Rispetto ad altri parametri delle materie del corso, ogni caso deve essere considerato per identificare adeguatamente le migliori condizioni ottimali che operano nel contesto, garantendo la massima efficienza. La chemioregioselettività durante le trasformazioni consente di realizzare facilmente e in poco tempo formazioni di gruppi funzionali selettivi in posizioni specifiche delle molecole. Ridurre al minimo gli sprechi di manodopera, materiali e risorse, dando al contempo la massima priorità alle attrezzature del personale di sicurezza. Ricorda, in ogni fase della fase di esecuzione del progetto, inclusa la consegna ai clienti nel modo più efficace possibile, nonostante gli ostacoli incontrati e le circostanze impreviste.
Esempi di sintesi chimica dall'anidride carbonica (CO2)
- Sintesi del metanolo: il metodo Monsanto, che include l'interazione dell'anidride carbonica con l'idrogeno gassoso in presenza di un catalizzatore rame-zinco, può creare metanolo dall'anidride carbonica. La produzione di metanolo dall'anidride carbonica può essere realizzata miscelandola con idrogeno su un catalizzatore adatto ad alte temperature e pressioni (ad esempio, 400-430 °C e 10-20 bar). Il termine "metanazione" si applica anche a questo processo.
- Produzione di acido formico: utilizzando una cella elettrochimica e un catalizzatore al palladio-rame, l'acido formico può essere prodotto da anidride carbonica e idrogeno.
- Conversione in sali di ossalato: attraverso processi chimici che coinvolgono composti di boro e alluminio come il borace o l'idrato di allumina e altri acidi, tra cui l'acido cloridrico o l'acido solforico, anche l'anidride carbonica può essere trasformata in sali di ossalato.
- I policarbonati si ottengono combinando il fosgene con alcoli diidrici come l'etilenglicole in presenza di catalizzatori come il tetracloruro di stagno o il cloruro di zinco. Ciò provoca reazioni di polimerizzazione che danno origine a polimeri costituiti principalmente da molecole di anidride carbonica unite da atomi di ossigeno (ad esempio, policarbonati).
- Sintesi dell'acido carbonico: in un catalizzatore come l'acido solforico o l'acido fosforico, l'anidride carbonica e l'acqua si combinano per formare acido carbonico. Il risultato può creare composti come l'urea e i formati.
- Sintesi del dimetiletere: il dimetiletere (DME) è un altro composto significativo che può essere prodotto dall'anidride carbonica utilizzando catalizzatori per la sintesi del metanolo e un agente di reforming, come una miscela di CO2/H2O o CO/H2, a temperature comprese tra 350 e 400 °C e pressioni fino a 20 bar per la conversione del gas di sintesi in DME.
- Produzione di policarbonato: grazie alla loro resistenza, durevolezza, trasparenza, resistenza al calore e qualità di isolamento elettrico, i policarbonati sono spesso impiegati in applicazioni industriali. Sono comunemente realizzati transesterificando il bisfenolo con fosgene, creato quando l'anidride carbonica reagisce con gas di cloro o una soluzione di acido cloridrico ad alta temperatura (200–300 °C).
- La sintesi del dimetil carbonato (DMC) è un processo utilizzato per produrre il composto chimico dimetil carbonato. Comporta la reazione del metanolo con fosgene o anidride carbonica in presenza di un catalizzatore di base come idrossido di potassio o idrossido di sodio. La reazione produce dimetil carbonato e cloruro di idrogeno, che viene poi rimosso dalla miscela tramite distillazione. Il dimetil carbonato può essere utilizzato come alternativa al glicole etilenico nelle formulazioni antigelo per autoveicoli e aeromobili, nonché per numerose altre applicazioni tra cui solventi, plastificanti, propellenti e carburanti.
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