tiết kiệm năng lượng trong hóa học phân tích

Các quy trình cần được thiết kế cho môi trường xung quanh nhiệt độ và áp suất, đểgiảm thiểu chi phí năng lượng kết hợp với điểm cực của nhiệt độ và áp suất.Tối đa hóa lượng - không gian

15 Tiết kiệm năng lượng trong hóa phân tích

15.1 Tiêu thụ năng lượng trong các phương pháp phân tích

Hóa học và công nghiệp hóa chất là trung tâm của các sáng kiến đa ngành hiệu quả nhất.Hóa học góp phần vào xây dựng cuộc sống, gia tăng tuổi thọ của chúng ta và phát triểnkinh tế, tìm ra vật liệu tốt hơn cho cuộc sống hàng ngày và chỗ ở, thuốc để chữa bệnh vànâng cao sức khỏe, cung cấp nước tinh khiết và các hoạt động khác của con người Quyđịnh mới về môi trường và ý thức xã hội ngày càng tăng để bảo vệ thiên nhiên, đã đẩycác ngành khoa học và công nghiệp hóa hướng tới một khuôn khổ mới, trong đó phòngngừa ô nhiễm và tiết kiệm năng lượng là những cân nhắc quan trọng Năng lượng và hóahọc là chủ đề chính trong các cuộc thảo luận về tương lai bền vững Tình trạng này là mộtthách thức công nghệ và khoa học t đòi hỏi sự phát triển sáng tạo các sản phẩm và công

cụ để giảm thiểu các tác động đến môi trường

Ngoài việc giảm ô nhiễm và các chất thải, tiết kiệm năng lượng đã trở thành một vấn đềquan trọng Các nguyên tắc của hóa học xanh [1] cung cấp những hướng dẫn tốt cho sựphát triển và đang được thực hiện trong các trường đại học và ngành công nghiệp

Những nguyên tắc này có thể được áp dụng để phân tích hóa học và các lĩnh vực khác củahóa học cũng như công nghệ hóa học Chủ yếu là mối quan tâm đến giảm thiểu chất thải

và giảm bớt việc sử dụng các dung môi hữu cơ và hóa chất độc hại; nhưng tiết kiệm nănglượng cũng không kém phần quan trọng và có tác động lớn đến sự phát triển trong hóaphân tích Điều này được thể hiện trong các nguyên tắc của kỹ thuật xanh bởi Anastas vàZimmerman đề xuất [2]

Thiết kế cho hiệu quả năng lượng - Các yêu cầu năng lượng của các quá trình hóa học nênđược giảm Đây là phần lớn, chịu ảnh hưởng của việc chuẩn bị và điều kiện phân tích

mẫu Các quy trình cần được thiết kế cho môi trường xung quanh nhiệt độ và áp suất, đểgiảm thiểu chi phí năng lượng kết hợp với điểm cực của nhiệt độ và áp suất.

Tối đa hóa lượng - không gian - và thời gian - Hiệu quả - Quy trình và các hệ thống cầnđược thiết kế để tối đa hóa lượng - không gian - và thời gian - hiệu quả Nếu một hệthống được thiết kế cho, sử dụng, hoặc áp dụng ít hơn hiệu quả tối đa, các nguồn tàinguyên đang bị lãng phí trong suốt chu kỳ cuộc sống

Bảo quản phức tạp - Các lựa chọn và tính phức tạp của việc thiết kế phải tính đến tái chế,tái sử dụng, hoặc bố trí có lợi trên tất cả các quy mô thiết kế

Đáp ứng sự cần, Giảm thiểu sự dư thừa - Giảm thiểu việc sử dụng các vật liệu sử dụngkhông đúng mức và không cần thiết để tăng hiệu quả và tiết kiệm năng lượng mà mục tiêuđặc trưng và nhu cầu của người sử dụng cụ thể cung cấp giải pháp thay thế cho việc đưa

ra các giải pháp cho điều kiện khó hoặc không thực tế

Tích hợp Vật liệu địa phương và dòng chảy năng lượng - Sản phẩm, quy trình và hệ thốngtích hợp và kết nối phải có dòng chảy năng lượng và nguyên liệu có sẵn Bằng cách lợidụng dòng chảy năng lượng và vật chất hiện có, sự cần thiết để tạo ra năng lượng và /hoặc tiếp thu và xử lý nguyên liệu thô sẽ được giảm thiểu Chiến lược này có thể được sửdụng trong quá trình sử dụng nhiệt sinh ra bởi các phản ứng tỏa nhiệt để điều khiển phảnứng khác với năng lượng hoạt hóa cao

Thiết kế vòng đời của một sản phẩm phải dựa trên các vật liệu và năng lượng đầu tư Cácthiết bị được sử dụng trong hóa phân tích có thể được tái chế Điều này sẽ mở rộng tuổithọ của một công cụ phân tích Để giảm thiểu chất thải, các thành phần còn duy trì chứcnăng và có giá trị có thể thu hồi để tái sử dụng / hoặc cấu hình lại Các thiết kế của thế hệsản phẩm tiếp theo, quy trình và hệ thống phải tính tái đến sử dụng giá trị của các thànhphần bị thu hồi

Cơ quan Bảo vệ môi trường EPA đã đề ra một chính sách tương tự như: kỹ thuật xanh l,thương mại hóa, và sử dụng các quy trình và các sản phẩm có tính khả thi và kinh tế trongkhi giảm thiểu; (1) ô nhiễm tại nguồn và (2) các nguy cơ đối với sức khỏe con người và

môi trường Kỹ thuật xanh bao trùm các khái niệm rằng các quyết định để bảo vệ sứckhỏe con người và môi trường có thể có ảnh hưởng lớn nhất và có hiệu quả nhất nếuchúng được áp dụng ngay từ đầu để thiết kế và phát triển của một quá trình hoặc sảnphẩm [3].

Chiến lược để giảm việc sử dụng năng lượng trong các phòng thí nghiệm hiện nay rất phổbiến và các nguyên tắc nêu trên được áp dụng trong phân tích hóa học và các phòng thínghiệm phân tích

Có ít nhất ba lựa chọn để phát triển:

1 Các tiếp xúc các phương pháp thực tế: bảo tồn hoặc giảm sử dụng (ngắn và trung đếndài hạn);

2 Các phương pháp hành chính: giáo dục và đào tạo (trung hạn);

3 áp dụng công nghệ tốt : thay thế linh kiện quan trọng (dài hạn)

Theo lối cũ – phương pháp trung hạn để giảm tiêu thụ năng lượng trong một quá trình làgiảm thiểu và ngăn ngừa các chất thải Điều này có thể tiết kiệm đáng kể và có thể đượcxem như là một cách tiết kiệm thời gian trong khi phát triển các cách tiếp cận bền vữnghơn Tuy nhiên, nếu một sự đầu tư đáng kể đã được thực hiện trong một cụ thể giải pháp,

ví dụ, lò nhiệt tiên tiến, công nghệ này có xu hướng để tồn tại ngay cả khi tình hình đãthay đổi

Một số tiến bộ đã được thực hiện đối với các chiến lược trung hạn và tiết kiệm trong cácphòng thí nghiệm, chẳng hạn như kiểm soát máy tính của phòng thí nghiệm với các tòanhà Tuy nhiên, nhiều người trong số những cải tiến này chỉ thực sự hiệu quả nếu nhữngngười làm việc trong các phòng thí nghiệm Có nhiều cách có thể giảm tiêu thụ nănglượng trong phòng thí nghiệm và điều này có thể đạt được qua các chương trình giáo dục

và đào tạo trong thực tiễn Đó là một nhiệm vụ quan trọng cho các nhà quản lý phòng thínghiệm để giáo dục các nhà nghiên cứu trong phòng thí nghiệm trong những cách mà họ

có thể tiết kiệm năng lượng, và để họ tham gia vào việc giảm tiêu thụ năng lượng

Phương pháp thứ ba và dài hạn là mục tiêu của hóa học xanh - rằng hóa học chính nó sẽtạo ra không có chất thải và trở nên hiệu quả hơn trong việc sử dụng năng lượng Chìakhóa để phát triển bền vững là thiết kế các quá trình hóa học, thiết bị và dụng cụ sản xuấtmột số lượng tối thiểu chất thải và sử dụng năng lượng phù hợp với nhu cầu và lượng cầnthiết để đạt được các phản ứng giữa các thành phần Một cách nữa là thiết kế thiết bị vàquy trình hoạt động ở gần với điều kiện môi trường xung quanh (nhiệt độ phòng và ápsuất thường) Nó cũng bao gồm mô phỏng sinh học; mô hình hóa các sản phẩm và quytrình sau khi hệ thống sinh học Các loại năng lượng nhiệt thường được sử dụng là khôngphù hợp cho quá trình này; đó là nó không tác động vào các liên kết hóa học Phần lớnnăng lượng được 'lãng phí' trong nóng lên lò phản ứng, dung môi và cả môi trường xungquanh, thay vì tác động lên phân tử Điều này đưa chúng ta đến cách tiếp cận thứ hai; sửdụng các nguồn năng lượng khác, chẳng hạn như ánh sáng, lò vi sóng, và có thể, âmthanh.

Hóa phân tích hơi khác so với hoá học tổng hợp, mục đích của nó là để sản xuất vật liệu(mới) Các nhà phân tích phải cung cấp thông tin về sự tồn tại và lượng chất dựa trên tínhiệu nhất định Tín hiệu phân tích thu được là kết quả của sự tương tác giữa năng lượng

và các cấu tử của mẫu (ví dụ như nguyên tử, ion, phân tử) Thông thường, để thực hiện sựtương tác này có hiệu quả nhất, một hệ thống năng lượng bên ngoài (ví dụ như nănglượng hoá học, phóng xạ, nhiệt) phải được áp dụng thông qua một số phương tiện (dungmôi) Các tín hiệu được đo bằng lượng vật lý, chẳng hạn như thể tích, khối lượng và điệnlượng, và một trong những khác biệt về nhiệt độ và năng lượng bức xạ, mô tả và địnhlượng bằng bước sóng hay tần số và cường độ

Thiết bị phân tích nhận tín hiệu và chúng được biểu hiện dưới dạng (ví dụ như một tập tin

dữ liệu, quang phổ, sắc ký đồ, hoặc hình ảnh) để biết thêm xử lý thông tin

Nhiều sự phát triển trong hóa phân phù hợp công nghệ xanh, và kết quả trong tiết kiệmnăng lượng:

● Xử lý ướt - hóa học trong việc chuẩn bị và xử lý mẫu;

● Tìm kiếm các dung môi thay thế, và sử dụng các kỹ thuật không dung môi;

● Giảm sự cần thiết cho dẫn suất bằng phương pháp khác nhau của việc phát hiện và xử

lý tín hiệu;

● Thay thế năng lượng nhiệt bằng các năng lượng khác (chiếu xạ siêu âm, lò vi sóng,laser chiếu xạ);

● Sử dụng quang kích hoạt và kích hoạt cơ khí;

● Phân tích mẫu trực tiếp mà không cần xử lý, bằng cách sử dụng quang phổ học hay,phân tích bề mặt, chủ yếu là sử dụng tia laser như là nguồn ánh sáng;

● Giảm khối lượng của mẫu; thu nhỏ bằng cách sử dụng phòng thí nghiệm nhỏ để phântích, và cảm biến sinh học và xét nghiệm miễn dịch;

● Tự động hoá và sử dụng các kỹ thuật có gạch nối.(hyphenate)

Nói chung, sự phát triển của các phương pháp công cụ tạo ra một hiệu quả khi sử dụngnăng lượng, đặc biệt là khi phương thức này được tự động hóa cao và sử dụng một lượngtối thiểu của mẫu Dạng năng lượng khác, ví dụ, siêu âm và vi sóng, có thể thay thế nănglượng nhiệt lãng phí

Trong hóa học phân tích, những phát triển được theo hướng tăng độ nhạy và độ chọn lọc.Điều này có thể được thực hiện hiệu quả hơn với thiết bị hiện đại

Nhu cầu phát triển nhanh chóng với công cụ phân tích mới trong lĩnh vực hóa học phântích (FAC), trong đó, không giống như các phương pháp phòng thí nghiệm dựa trêntruyền thống Các tiêu chí quan trọng nhất đối với một phương pháp lý tưởng FAC là mộtyêu cầu tối thiểucho sức mạnh và hàng tiêu dùng, dẫn đến sự phát triển của hiệu quả vànhạy cảm bị đo cầm tay.Tăng hiệu quả trong quá trình giám sát được thúc đẩy bởi nhữngtiến bộ trong công nghệ và việc sử dụng các vật liệu mới và cũng là kết quả của nhữngthách thức liên quan đến các thiết bị giám sát mới và pháp luật nhằm giảm thiểu ô nhiễm

Để có hiệu quả và hiệu quả, phân tích nên được thực hiện trong thời gian thực, đó là, kếtquả sẽ được lấy 'ngay lập tức'

Một chủ đề có liên quan chặt chẽ là sàng lọc hóa chất, mà là kiểm tra một số lượng lớncủa các đối tượng (ví dụ, hàng hóa hoặc thậm chí người) để xác định những người có mộtvấn đề liên quan đến hóa học cụ thể hoặc tính năng Bởi vì thời gian và chi phí là vấn đềquan trọng của một phương pháp phân tích Quá trình chiết đơn giản có thể là thích hợphơn một hệ thống phức tạp với sự thu hồi cao hơn, hoặc một tập hợp các detector có chọnlọc có thể là thích hợp hơn một mô hình phổ quát Tìm kiếm giải pháp ít chi phí sẽ có lợicho quá trình định lượng, và các giải pháp hữu hiệu có thể tạo ra năng lượng quá trìnhđịnh lượng hiệu quả hơn.

Nghiên cứu định lượng tiếp tục xây dựng trên những tiến bộ trong máy tính ,công nghệ vànghiên cứu về cảm biến liên quan tiến hành trong phòng thí nghiệm trường đại học vàphòng nghiên cứu Những phát triển trong việc thu nhỏ, điện quang học, vật liệu mới, và

xử lý thông tin / cho thấy triển vọng bước đột phá bằng cách sử dụng vật liệu nano mớinổi, lượng tử ánh sáng, kỹ thuật xét nghiệm sinh học được cải thiện, và như thế Các lĩnhvực của ngành công nghệ nano đã có một tác động; vật liệu nano đang cải thiện đáng kểtrong khoa học tách và cảm biến và cung cấp vật liệu xây dựng tiềm năng cho các bộ cảmbiến mới Tương lai của công nghệ phân tích sẽ bị ảnh hưởng đáng kể bởi những đổi mớitrong vi-thiết bị đo đạc, và các hệ thống microanalytical đa năng sẽ cung cấp sự linh hoạtcần thiết để cải thiện và làm cho phòng thí nghiệm và kiểm soát quá trình hoạt động kinh

tế hơn và hiệu quả năng lượng

Nó là cần thiết để xem xét các nguyên tắc của hóa học xanh khi thiết kế các phương pháp

và công nghệ mới; tự động hóa và mô hình thu nhỏ để tăng sự thân thiện môi trường vàchính xác của các số liệu phân tích Đây là một khía cạnh quan trọng của hóa học phântích Quá trình phân tích được bao gồm một số bước sau: lấy mẫu hiện trường và xử lýmẫu, chuẩn bị mẫu phòng thí nghiệm và tách, định tính, lượng tử hóa, và sự đồng nhất.Tất cả các bước phải được thực hiện với hệ thống đo lường chất lượng Bất cứ khi nàothay đổi, cải tiến hoặc thay thế được thực hiện trong phương pháp phân tích, mục tiêu nênđược để cải thiện chất lượng của hệ thống Việc áp dụng các nguyên tắc hóa học xanh liênquan đến giảm chất thải và sử dụng hiệu quả năng lượng phải tăng chất lượng quá trìnhphân tích

15.2 Kinh tế và tiết kiệm năng lượng trong phòng thí nghiệm thực hành

Các phòng thí nghiệm tiêu thụ nhiều năng lượng Con người thoải mái không phải là việcxem xét chính là nó đang ở trong khu dân cư và hầu hết các tòa nhà thương mại Các yêucầu về sức khỏe và sự an toàn và điều kiện môi trường cho các nghiên cứu quan trọngkhông kém Các phòng thí nghiệm hoạt động phức tạp với nhiều yêu cầu dịch vụ Họ sửdụng một lượng lớn nước nóng và thông gió và thiết bị hút khói, điện để vận hành quạt,ánh sáng, nhiều thiết bị phòng thí nghiệm chuyên ngành, cũng như nước và quá trình làmlạnh nước Một số cơ sở phòng thí nghiệm cũng sử dụng một lượng đáng kể khí đốt tựnhiên Nhờ tỷ lệ cao không khí thay đổi, nhiều yêu cầu dịch vụ cơ khí và điện, và mứctăng nhiệt tạo ra bởi các thiết bị, các chiến lược hiệu quả năng lượng thường được sửdụng trong các tòa nhà thương mại không thể được dễ dàng hay dễ dàng áp dụng trongphòng thí nghiệm Tòa nhà phòng thí nghiệm là luôn luôn có thể tốn kém để hoạt động.Labs sử dụng 4-5 lần năng lượng hơn so với các phònghọc, văn phòng cho mỗi métvuông

Hữu cơ, các phòng thí nghiệm nghiên cứu hóa học vô cơ và tổng hợp sử dụng rộng rãitrong tủ hút Các cơ sở này có các yêu cầu thông gió cao để loại bỏ hơi dung môi và hơikhí Các phòng thí nghiệm phân tích ít có nhu cầu thông gió để ngăn chặn và an toàn Nhiệt độ và độ ẩm thường cần phải được kiểm soát chặt chẽ; kiểm soát việc gây ô nhiễmkhông khí đến mức thấp nhát Tăng nhanh và tăng đáng kể trong chi phí năng lượng dẫnđến việc càng tăng sự khan hiếm tài nguyên thiên nhiên đã dẫn đến việc phải quản lý cótrách nhiệm hơn về tài nguyên và phòng ngừa ô nhiễm, để giảm sử dụng năng lượng cóhiệu quả nhất Cải tiến cơ sở thiết kế, bao gồm điều khiển bằng máy tính, có thể dẫn đếntiết kiệm năng lượng đáng kể trong các tòa nhà phòng thí nghiệm Công nghệ tái tạo nhưmặt trời sưởi ấm nước nóng, năng lượng gió cục bộ hoặc các hệ thống quang điện cũngcần được xem xét Những đòi hỏi phải phân tích cẩn thận, bởi vì các phòng thí nghiệmcần năng lượng theo yêu cầu, chứ không phải là nguồn cung cấp liên tục và lan tỏa màthường kết hợp với các công nghệ này Một nguồn năng lượng phụ trợ sẽ được yêu cầu đểđáp ứng các yêu cầu chức năng của các phòng thí nghiệm Những biện pháp này phải

được kèm theo dịch vụ dọn phòng thí nghiệm tốt, mà còn góp phần đáng kể vào việc giảmtiêu thụ năng lượng.

15.2.1 quản lý tốt, kiểm soát và bảo trì

Các biện pháp tiết kiệm năng lượng liên quan đến việc sử dụng tiết kiệm thời gian và tối

ưu hóa thiết bị là kết nối chặt chẽ với thực hành phòng thí nghiệm tốt Một nơi quan trọng

để bắt đầu là với điều khiển và bảo trì.Các thiết bị phải hoạt động với thông số kỹ thuậtthiết kế, và nhiệt độ phải được tối ưu hóa Đây có thể dễ dàng được thực hiện bằng hệthống giám sát và điều khiển kỹ thuật số trên máy vi tính hiện đại được thiết kế để cảnhbáo sớm các sự cố hoặc hoạt động không hiệu quả

Quản lý tốt cũng là điều cần thiết và thường xuyên bảo trì và bôi trơn có thể cải thiệnnăng lượng hiệu quả và kéo dài tuổi thọ của thiết bị Chất bôi trơn hiệu quả cao và các bộphận chuyển động là tốt cách để giảm mức tiêu thụ năng lượng Rò rỉ van và đường ốngcần được sửa chữa Luồng không khí và nước phải được điều chỉnh để phù hợp với nhucầu Tủ đông cần phải được rã đông thường xuyên để loại bỏ sương build-up, và kiểm tra

để xử lý các mẫu cũ Máy rửa thủy tinh tự động hoặc nồi hấp nên được nạp đầy đủ Cácchiến lược hiệu quả cho các phòng thí nghiệm phải bao gồm ba lĩnh vực chính, đó là kếtnối với nhau chặt chẽ [4]:

1 Hệ thống thông gió;

2 sưởi ấm và làm mát hệ thống;

3 Hệ thống chiếu sáng

Các hoạt động hỗ trợ các chiến lược sau đây:

● Tối ưu hóa hệ thống thông gió và giảm thiểu các khu vực đòi hỏi tốc độ thông thoángcao; sử dụng hiệu năng cao / tủ an toàn

● Làm việc sử dụng tủ hút

● Hạn chế việc sưởi ấm và làm mát trong phòng thí nghiệm với thời gian tối thiểu cầnthiết, tối ưu hóa quá trình chạy và tránh trường hợp detector hoạt động quá mức

● Báo cáo nhiệt độ phòng không bình thường - nhiệt độ phòng quá nóng hoặc lạnh có thểgây ra bởi nhiệt bị lỗi hoặc điều khiển khác bị hư hỏng hoặc sai sót trong quá trình cài đặt.

● Sử dụng màu và rèm có thể giúp giữ cho nội thất mát vào những ngày nắng

● Kết hợp các loại năng lượng để xử lý và có một loạt các nguồn năng lượng để đápứngnhu cầu cụ thể của quá trình thực hiện trong phòng thí nghiệm

● cách nhiệt hiệu quả các quá trình đó phải duy trì sự khác biệt nhiệt độ bên trong

● Sử dụng trao đổi nhiệt để thu nhiệt được sản xuất trong một quy trình cho các quá trìnhkhác, hoặc để tối ưu hóanhiệt độ tại nơi làm việc

● Sử dụng thiết bị tiết kiệm năng lượng với giờ tự động tắt chúng đi khi không sử dụng(ví dụ vào ban đêm)

● Lựa chọn các thiết bị điện với logo Energy Star hoặc báo cáo khác chứng nhận rằng họđã

được thiết kế để bảo tồn năng lượng

● Cài đặt sự chiếm chỗ và cảm biến ánh sáng ban ngày để kiểm soát ánh sáng; tắt đèn vàthiết bị điện bất cứ khi nào chúng không cần thiết

● Sử dụng đèn khu vực nhỏ hơn là ánh sáng trên cao rọi toàn bộ phòng thí nghiệm

● Tối đa hóa việc sử dụng ánh sáng mặt trời nếu thiết kế của tòa nhà cho phép

● Xác định các thiết bị phân tích và quá trình có thể được tắt khi không sử dụng; xử lýhàng loạt

khi hoạt động liên tục là không cần thiết

● Sử dụng giờ để biến thiết bị và tắt Máy vi tính và thiết bị liên quan như màn hìnhtiêuthụ một lượng đáng kể của điện và cần được tắt qua đêm hoặc đặt ở chế độ chờtrong mộtthời gian ngắn hoạt động, chẳng hạn như khi người dùng đang tham dự các cuộc họp, hộithảo

An toàn là ưu tiên cao nhất trong thiết kế phòng thí nghiệm và hoạt động Các biện pháp

sử dụng hiệu quả năng lượng nên luôn luôn duy trì hoặc cải thiện an toàn liên quan đếntiêu chuẩn thực hành Hiệu quả năng lượng, mặt khác, cần phải có các chương trình đảmbảo chất lượng phòng thí nghiệm hơn với hóa học xanh Cách tiếp cận màu xanh có thểđược nhấn mạnh khi thực hiện tiết kiệm năng lượng đầy thử thách và có thể đo bằng cáchgiới thiệu, phương pháp phân tích nhiều năng lượng ít mới và thủ tục

Chương trình có sẵn để giúp cải thiện hiệu suất môi trường và năng lượng của các phòngthí nghiệm hóa học, chẳng hạn như Labs21® Đây là một chương trình hợp tác tự nguyệntài trợ bởi Cơ quan Bảo vệ Môi trường Hoa Kỳ và Bộ Năng lượng Mỹ [5] được dành đểnâng cao hiệu suất môi trường tại Mỹ các phòng thí nghiệm Việc áp dụng các phươngpháp tiếp cận Labs21 sẽ khuyến khích các phòng thí nghiệm: (1) làm cho các quyết địnhđầu tư dựa trên tiết kiệm chi phí vòng đời, (2) theo đuổi tiên tiến, HVAC tiết kiệm nănglượng (thống sưởi ấm, thông gió và điều hòa nhiệt độ) công nghệ, (3) Hệ thống thiết kếphục hồi và nhiệt thải trao đổi và các hình thức khác của năng lượng tự do, và (4) kết hợpcác hệ thống năng lượng tái tạo

Năng lượng tiêu thụ của việc sử dụng thiết bị (tủ lạnh, nồi hấp, máy ly tâm, vv) tạo thành

từ 10 đến khoảng 50% tổng số năng lượng sử dụng trong phòng thí nghiệm (không baogồm năng lượng kết hợp với làm mát) Tuy nhiên đã được để nâng cao hiệu quả củachúng , một phần là do thiếu thực tế và nhận thức của sự lựa chọn tiết kiệm năng lượngtrong các thiết bị phòng thí nghiệm, và một phần vì thiếu dữ liệu năng lượng tiêu thụ trênthiết bị phòng thí nghiệm Nhiều nhà khoa học, nhà quản lý phòng thí nghiệm và tư vấnthiết kế phòng thí nghiệm được bắt đầu sử dụng hiệu quả năng lượng như một tiêu chí lựachọn cho các thiết bị phòng thí nghiệm, và một số nhà sản xuất đang bắt đầu quảng cáocủa các đặc tính xanh "của các sản phẩm của họ Labs21 đã phát triển một bộ công cụ -Năng lượng-hiệu quả phòng thí nghiệm Thiết bị Wiki [6] - để chia sẻ thông tin về hiệuquả thiết bị thí nghiệm trong những người dùng, và khuyến khích các nhà sản xuất đểcung cấp nhiều dữ liệu hơn trên các đặc điểm sử dụng năng lượng tiêu thụ của các sảnphẩm của họ

15.3 Các nguồn năng lượng cho các quá trình

Tín hiệu phân tích là kết quả của sự tương tác giữa các thành phần của mẫu (ví dụ nguyên

tử, ion, phân tử) và một số dạng năng lượng Sự tương tác này thường diễn ra trong mộtchất khí hoặc môi trường lỏng Các tín hiệu được đo bằng điện tích, sự khác biệt về nhiệt

độ, bước sóng hay tần số, cường độ và năng lượng bức xạ Thiết bị phân tích hiện đại tạo

ra và đo tín hiệu và trình bày chúng dưới dạng có thể sử dụng để biết thêm thông tin Để

có hiệu quả, năng lượng phải được áp dụng một cách chính xác tại thời điểm cần thiết vàchỉ có số lượng cần thiết để sản xuất ra các phản ứng giữa các thành phần Bởi vì phảnứng này phụ thuộc vào nhiệt độ, kiểm soát nhiệt độ thận trọng là cần thiết để tạo ra các tínhiệu phân tích hiệu quả Năng lượng nhiệt được sử dụng phổ biến không cụ thể để xử lý,

có nghĩa là, nó không phải là mục tiêu của các liên kết hóa học Phần lớn năng lượngđược 'lãng phí' trong quá trình làm nóng lò phản ứng, dung môi và cả môi trường xungquanh, thay vì chỉ nhắm mục tiêu phân tử trải qua phản ứng Trong nhiều trường hợp, nó

có thể sử dụng các nguồn năng lượng khác, chẳng hạn như ánh sáng, lò vi sóng, hoặc âmthanh, ở nơi xảy ra phản ứng

15.3.1 Sử dụng lò vi sóng ở vị trí của hệ thống sưởi nhiệt

Cách phổ biến nhất để ngăn ngừa nhiệt tỏa môi trường trường xung quanh là sử dụng lò

vi sóng

Lò vi sóng là 1 m đến 1 mm (0,3-300 GHz) trong bức xạ điện từ dài, và do đó có tần sốtương tự như các thiết bị radar và viễn thông Hộ gia đình và công nghiệp thiết bị đượcquy định và hoạt động trên tần số cố định (thường 2,45 GHz) Năng lượng vi sóng là mộtloại không ion hóa của bức xạ điện từ gây ra chuyển động phân tử thông qua sự di cư củacác ion và sự quay của các lưỡng cực mà không thay đổi cấu trúc phân tử Bởi vì cơ chế

mà năng lượng vi sóng được hấp thu là phức tạp và thay đổi đối với các chất khác nhau,

nó không phải là một thay thế phổ quát Các năng lượng hấp thụ được chuyển thành nănglượng động học phân tử và mẫu nóng lên gần như ngay lập tức Các chất không có mộtđiểm lưỡng cực (hoặc không thể được gây ra) không thể được làm nóng trực tiếp bằng lò

vi sóng Bởi vì các khoảng cách lớn giữa các phân tử, khí cũng có thể không được làmnóng bởi bức xạ vi sóng Tuy nhiên, lò vi sóng là một nguồn hiệu quả hơn sưởi ấm hơnnhiệt sưởi ấm thông thường bởi vì năng lượng được truyền trực tiếp vào môi trường

Việc sử dụng lò vi sóng trong phòng thí nghiệm là phổ biến và kỹ thuật chuẩn bị mẫu visóng được hỗ trợ được sử dụng trong các phòng thí nghiệm phân tích tất cả các nơi trênthế giới [7 8] Các tiến bộ mới nhất trong việc áp dụng kỹ thuật vi sóng đến các lĩnh vựckhác nhau của hóa học phân tích bao gồm: phân hủy mẫu để phân tích nguyên tố dungmôi chiết xuất, sấy mẫu, đo độ ẩm, giải hấp chất phân tích và hấp phụ mẫu sạch,phản ứngtạo màu “speciation and nebulization of simple solutions [9].”

15.3.1.1 chiết gia tốc

Nâng cao nhiệt độ sản xuất cho việc khai thác hiệu quả cao như là kết quả của việc tăng

độ khuyếch tán của dung môi vào bên trong và tăng cường giải hấp Hiệu quả của nănglượng vi sóng phụ thuộc rất nhiều vào bản chất của cả hai dung môi và chất nền Thôngthường, một dung môi chọn hấp thụ mạnh năng lượng vi sóng Tuy nhiên trong một sốtrường hợp (đối với hợp chất thermolabile) các lò vi sóng được hấp thu chỉ bởi chất nềnlàm nóng mẫu và giải phóng các chất tan vào dung môi lạnh

Các tính năng độc đáo của chiết MW là thành phần có thể được chiết xuất chọn lọc bằngcách làm nóng chọn lọc của một giai đoạn hoặc một thành phần duy nhất của một hệthống (ví dụ, các phân tử nước tự do trong tế bào thực vật) hoặc bằng cách chọn một dungmôi hữu cơ mà mục tiêu là một thành phần đặc biệt Áp lực là một yếu tố quan trọngtrong hệ thống khép kín; Tuy nhiên nó phụ thuộc trực tiếp vào nhiệt độ Nhiệt độ cao MWnhiệt có thể sản xuất trong hệ thống khép kín có thể thay đổi đáng kể các tính chất củanhiều loại dung môi và chúng thậm chí có thể đạt được điều kiện siêu tới hạn

Lò vi sóng chiết tăng tốc (MAE) sử dụng các dung môi hữu cơ hoặc hỗn hợp các dungmôi chiết Các điển hình nhất là methanol và isopropanol, và hỗn hợp của hexane vàacetone Sử dụng dung dịch nước và bề mặt không ion như chất chiết cũng có thể Chấtlỏng ion là phương tiện hấp dẫn đối với các quá trình bức xạ MW vì khả năng hấp thụnăng lượng bức xạ MW là rất cao MAE (chủ yếu là ở dạng năng lượng tập trung của nó)hiện đang được coi là một lựa chọn tốt để chiết Soxhlet truyền thống cho chất phân tíchkhác nhau trong mẫu rắn vì nó làm giảm thời gian khai thác (ví dụ từ 20-30 phút mỗi lônhư nhiều như 12 mẫu) sử dụng một lượng nhỏ của dung môi (30 ml trong MAE so với

300 ml trong khai thác Soxhlet) và cải thiện sản lượng chiết EPA đã phê duyệt MAE(Phương 3546) để chiết xuất các hợp chất hữu cơ từ các mẫu môi trường rắn [10].

Những lợi ích của dung môi chiết xuất lò vi sóng hỗ trợ bao gồm:

● Quá trình chiết nhanh có thể hoàn thành trong vòng vài phút;

● sử dụng dung môi thấp hơn, làm giảm chi phí mua và xử lý dung môi;

● sự thu hồi chất phân tích cao;

● Đơn giản ,ngăn cản sự cần thiết phải thay đổii hóa học hiện có;

● Điều khiển bằng máy vi tính chính xác của tất cả các thông số quá trình, cho phép táilặp;

● Sử dụng lò vi sóng để chiết xuất hữu cơ nâng cao

Tuy nhiên MAE không có một số nhược điểm: chiết xuất phải được lọc sau khi khai thác

và hầu như luôn luôn đòi hỏi phải sạch-up (vì MAE là rất hiệu quả) dung môi phân cực làcần thiết và các thiết bị là tương đối đắt Áp dụng năng lượng vi sóng đối với các hợp chấthữu cơ dễ cháy có thể gây ra mối nguy hiểm nghiêm trọng; do đó nó được khuyến khíchmạnh mẽ rằng chỉ các thiết bị đã được phê duyệt cho các phòng thí nghiệm được sử dụng

15.3.1.2 Hổ trợ thủy phân

Phương pháp ướt thông thường để phân hủy mẫu rắn để phân định lượng các kim loạithường được thực hiện trong các bình có chứa các mẫu và một khối lượng lớn các chấtphản ứng thủy phâ , thường 15-100 ml axit nitric, tinh khiết hoặc kết hợp với HCl hoặcaxit flohydric, được nung nóng trong một thời gian dài sử dụng một tấm nóng, lớp mỏnggia nhiệt, hoặc lò nướng Đây là loại bình thủy phân mở có nhiều hạn chế, bao gồm cảviệc sử dụng khối lượng lớn (và nhiều bổ sung) của thuốc thử, một tiềm năng đáng kể choviệc ô nhiễm của các mẫu bằng vật liệu khác và môi trường phòng thí nghiệm, và tiếp xúccủa người phân tích và các phòng thí nghiệm với khói chất ăn mòn

Lò vi sóng đóng sử dụng một công nghệ khác nhau đáng kể để phân hủy mẫu [11] Hầuhết các mẫu rắn có thể được phân hủy sử dụng với số lượng gần tỷ lượng của thuốc thử,thông thường là 10 ml và thường có thể được hoàn thành trong 10-15 phút Giảm thờigian chuẩn bị mẫu này có thể là do áp lực cao trong bình kín và làm nóng nhanh chóngcủa hỗn hợp mẫu Nhiệt độ cao hơn, đạt được gần như ngay lập tức, cung cấp cho lò visóng thủy phân một lợi thế động học trên thủy phân đĩa nóng Trong một hệ thống bìnhkín, có thể giữ lại các yếu tố thậm chí dễ bay hơi.

Thủy phân hoàn chỉnh hơn vì nhiều axit có khả năng oxy hóa cao hơn ở nhiệt độ cao.Hiệuquả quá trình phân hủy phụ thuộc vào các thông số nhiệt độ cụ thể và các thuốc thử Điềunày quan trọng không chỉ đối phân hủy hoàn toàn, cũng như cho khai thác tái sản xuất(lọc),có thể dùng cho các chất phân tích dễ hòa tan,chất phân tích dễ bay hơi, phươngpháp này ổn định và quan trọng nhất, an toàn Các chất thủy phân thường được sử dụngnhất là axit nitric, axit clohydric, hydrofluoric axit, axit sulfuric, acid percloric vàhydrogen peroxide Các nhà phân tích phải đánh giá phản ứng của axit với mỗ chất nên cụthể vì mỗi chất nền có các tương tác hóa học riêng.Một sửa đổi có hiệu quả tương tự nhưbiện pháp sử dụng lò vi sóng được sử dụng trong các bước giới thiệu mẫu phổ nguyên tử.Thermospray (TSP) gần đây đã thu hút sự chú ý nhiều hơn bởi vì nó tạo ra sol khí nóng

và nhỏ, cho phép một tỷ lệ phần trăm cao của chất phân tích để đạt được các hạt sương.TSP do đó thực hiện tốt hơn nhiều so với phun sương khí nén thông thường về độ nhạy vàgiới hạn phát hiện cho hầu hết các yếu tố Khi TSP với nhiệt thích nghi được sử dụng đểlàm nóng một thạch anh hoặc mao mạch thép không gỉ để tạo sol khí, một gradient nhiệtxảy ra từ các thành mao mạch đến trung tâm của dòng chất lỏng Nếu chất lỏng có chứamột số lượng tương đối lớn các chất phân tích, hoặc nhiệt độ không được kiểm soát mộtcách chính xác, chất phân tích sẽ được tẩm trên thành mao mạch Vì lý do này, rất khó để

sử dụng một kỹ thuật thermospray để phân tích bùn hoặc dung dịch mẫu có hàm lượngmuối cao Nếu các mao mạch thạch anh được đun nóng với bức xạ vi sóng, không cógrađien sức nóng từ các thành đến trung tâm của dòng chất lỏng và một số lượng tối thiểucủa chất phân tích sẽ được tẩm lên thành Hơn nữa, hơi dung môi sẽ kết hợp với các chấtlỏng còn lại, và về mặt lý thuyết, sự phân bố đường kính giọt sol khí sẽ hẹp hơn nhiều.Trong hầu hết các nghiên cứu của TSP, đường kính mao quản phải rất nhỏ (25-200 mm)

để tránh nhiệt tập trung, trong khi với lò vi sóng, đường kính mao quản có thể lên đến 1

mm Do đó, lò vi sóng thermospray (MWTN) có hiệu quả ở áp suất chất lỏng thấp hơn, và

có thể được sử dụng để phân tích các dung dịch mẫu với hàm lượng muối cao hoặc thậmchí bùn [12]

15.3.1.3 sấy, hỗ trợ giải hấp và hấp phụ

Làm khô vi sóng là một phương pháp đơn giản để loại bỏ các hợp chất dễ bay hơi từ mộtmẫu mà là nhanh hơn và tiêu thụ ít năng lượng hơn so với sấy bằng không khí nóng.Nước thường là các hợp chất dễ bay hơi chính loại bỏ từ mẫu Bởi vì năng lượng bức xạ

vi sóng được hấp thụ trực tiếp bởi nước, làm nóng và bốc hơi xảy ra nhanh hơn nhiều sovới điều kiện tiêu chuẩn Khi hết hơi ẩm, giảm nhiệt và nhiệt độ của những giọt mẫu,ngăn ngừa sự quá nhiệt Làm khô vi sóng hỗ trợ cũng có thể được thực hiện ở áp suấtthấp; nước (hay dung môi lò vi sóng hấp thụ khác) bay hơi ở nhiệt độ thấp hơn, do đó ítphân hủy hoặc mất mát của các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi và sự hình thành các điểmnóng tập trung Làm khô vi sóng cũng đã được sử dụng để làm khô kết tủa trong phântích trọng lựơng Những lợi thế của làm khô bằng lò vi sóng trong điều kiện chân không ởnhiệt đọ nhỏ, hơi nước được loại bỏ nhanh chóng hơn, giảm thời gian phân tích, và sựbiến chất hoặc quá trình oxy hóa của các mẫu được giảm thiểu Kỹ thuật lò- hoặc máy sấykhô truyền thống làm tốn nhiều thời gian (8 giờ đến vài ngày), trong khi sấy chân không

vi sóng của các chất cặn mất ít thời gian và xử lý nhiều mẫu Cùng loại của các phươngpháp có thể được thực hiện sau khi thủy phân, làm bay hơi dung môi và làm giàu các mẫu

để phân tích thêm Trong những năm gần đây, sấy lò vi sóng đã trở nên phổ biến như làmột phương pháp thay thế để sấy trầm tích biển và một loạt các sản phẩm thực phẩm,chẳng hạn như trái cây, rau quả, thực phẩm ăn nhẹ và các sản phẩm từ sữa Một số biệnpháp an toàn phải được thực hiện với phương pháp làm khô lò vi sóng vì các tương tác cóthể có giữa năng lượng vi sóng và mẫu

Bức xạ vi sóng không được sử dụng rộng rãi để chuẩn bị mẫu cho mẫu phân tích sinh học

và nó có một số nhược điểm Cho đến khi các cơ chế theo đó bức xạ sóng ngắn làm trunggian phản ứng xúc tác thay thế được hiểu tốt hơn, rất khó để dự đoán các quá trình sinhhóa và phân tích sẽ được hưởng lợi từ năng lượng vi sóng

15.3.2 Sử dụng siêu âm trong xử lý mẫu

Siêu âm chiếu xạ cũng có thể tiết kiệm một lượng đáng kể thời gian và năng lượng trongmột số quy trình xử lý mẫu Siêu âm (US) được sử dụng chủ yếu trong các phòng thínghiệm phân tích để cải thiện hoặc tăng tốc các bước sơ bộ của quá trình phân tích US hổtrợ trong việc điều hòa các mẫu (ví dụ trộn hoặc hòa tan) và chuyển nó đến đầu dò (ví dụ:với US khí dung hóa, bay lên hoặc hình thành bùn) [13] Thiết bị siêu âm hoạt động trongphạm vi 20-100 kHz là tương đối rẻ tiền và sẵn có Một số thiết bị tần số cao (500 kHz)cũng đã được sử dụng nghiên cứu cơ bản

Năng lượng siêu âm gây ra lỗ hổng âm thanh - hình thành bọt khí và sự nổ - trong cácdung dịch Sự nổ của những bọt khí này tạo ra áp lực rất cao và nhiệt độ tại giao diện giữacác bọt khí và các pha khác Hơn nữa, hiệu ứng nhiệt đọ rất cao và áp suất tại các giaodiện giữa một dung dịch nước và một chất nền rắn, kết hợp với năng lượng oxy hóa củacác gốc hydroxyl và hydrogen peroxide được tạo ra trong các sonolysis nước, tăng cường

độ phản ứng hóa học cavitation Acoustic do đó cung cấp một sự tương tác giữa nănglượng và vật chất và năng lượng chiết hơn thu được từ các dung môi

15.3.2.1 chiết gia tốc và ngâm chiết

bức xạ siêu âm là một thay thế cho việc thúc đẩy một số bước trong xử lý mẫu rắn, nhưhòa tan, nung chảy và ngâm chiết Sự tạo ra lỗ hổng từ rung động âm thanh tạo điều kiệncho việc loại bỏ các chất phân tích từ các bề mặt chất nền và tạo môi trường lớn với nhiệt

độ cao và áp suất Sonication hỗ trợ chiết (SAE) là nhanh hơn (5-30 phút cho mỗi mẫu)hơn so với chế độ Soxhlet và cho phép một số lượng lớn các mẫu được chiết xuất với tiêuthụ năng lượng thấp hơn Cùng một loạt các dung môi phù hợp cho SAE như chiếtSoxhlet DSAE có nhiều lợi thế hơn chế độ liên tục thông thường, cải thiện động lực họcchiết Hơn nữa, lọc sau chiết và rửa được loại bỏ và tiêu thụ dung môi và các rủi ro về mấtmát và / hoặc ô nhiễm của các chất chiết trong thao tác được giảm Ngâm chiết siêu âmcủa các kim loại từ các trầm tích, mặc dù chưa được khai thác đầy đủ, có thể là một thaythế hấp dẫn thông thường, bom axit và thủy phân vi sóng; trừ thời gian cần thiết cho thủyphân, tháo liệu phản ứng nhanh hơn khi không có nhiệt độ cao và áp lực Các loại và

nồng độ axit trong chiết xuất chất lỏng là tham số quan trọng nhất để lọc siêu âm Thậtkhông may, SAE sử dụng nhiều dung môi như chiết Soxhlet và lọc là cần thiết sau khichiết Hơn nữa, nó khá tốn sức vì ngoài sự phân cực của dung môi, hiệu quả của chiết làphụ thuộc vào bản chất và tính đồng nhất của nền mẫu, tần số siêu âm và thời giansonication EPA đã phê duyệt chiết sonication hỗ trợ như Phương pháp 3550C [14].

15.3.2.2 Assisted matrix solid-phase dispersion

Matrix pha rắn phân tán (MSPD) là một hình thức của microextraction cho cả chất lỏng

và chất rắn Đối với các mẫu chất lỏng, chất hấp thụ được phân tán trong mẫu để hấp thụcác chất phân tích sau đó các chất hấp thụ được tách ra khỏi chất lỏng và chuyển đến mộtcột và sau đó chất phân tích được hấp thu nhiệt để phân tích thêm Đối với rắn hoặc mẫunửa rắn, một loại vật liệu thích hợp pha rắn (silica ví dụ dẫn xuất, gel silica, cát hoặcFlorisil) là tự pha trộn với mẫu Các hỗ trợ vững chắc và mẫu này sau đó được chuyểnđến một cột và tách rửa với một dung môi thích hợp Trong MSPD, phá vỡ các mẫu vàphân tán vào các hạt của sự hỗ trợ nguyên liệu diễn ra trong một bước duy nhất Các yếu

tố quan trọng nhất cho các loại hình khai thác phân tán là những đặc điểm của vật liệu rắngiai đoạn (ví dụ như kích thước hạt), tỷ lệ mẫu để hỗ trợ vật chất, việc sử dụng các bộđiều chỉnh hóa học (ví dụ như axit, bazơ, hoặc các chất tạo phức), các dung môi rửa giải

và khối lượng các MSPD Kỹ thuật này đặc biệt rất thích hợp với các mẫu sinh học vànguồn gốc thực vật Lợi thế chính của nó là khả năng xử lý một lượng rất nhỏ các mẫu, vàtiêu hao dung môi thấp.Ultrasonic hỗ trợ nền mẫu pha rắn phân tán (UA-MSPD), là mộtphương pháp đã được phát triển để giải nén và loại bỏ thuốc trừ sâu (OPPS) và triazines

từ nhiều loại trái cây [17] năng lượng siêu âm đã được tìm thấy để tăng tốc và nâng caohiệu quả khai thác trong khai thác rắn-lỏng của thuốc trừ sâu

So với MSPD thông thường, phương pháp đề xuất nâng cao hiệu quả khai thác, giảm sựphân tán của kết quả và hoàn thành xử lý mẫu trong vòng vài phút Những kết quả, đặctrưng với giới hạn thấp của phát hiện (LODs), chỉ ra rằng các quá trình thích hợp để xácđịnh chính xác các mục tiêu chất phân tích ở mức quy định trong pháp luật hiện hành đốivới các khoản của mẫu nhỏ như 100 mg [18]

15.3.3 ánh sáng như một nguồn năng lượng

Ánh sáng là một thuốc thử sạch mà không để lại dấu vết; do đó, quang hữu cơ được coi làmột phương pháp hóa học xanh [19] Các nguồn cung cấp dồi dào nhất của năng lượngtrên trái đất xuất phát từ bức xạ mặt trời - cho tất cả các mục đích thực tế, một nguồn lâunăm sẽ tiếp tục vượt quá mọi nhu cầu của nhân loại (25 000-75 000 kWh mỗi ngày vàha) Con người chỉ sử dụng trực tiếp một phần nhỏ của năng lượng này Cây xanh sửdụng năng lượng mặt trời và quang xúc tác chiếm một vị trí quan trọng trong cân bằngsinh thái Một loạt các phương pháp tổng hợp nhân tạo đã được phát triển trong đó photonđược sử dụng như một thuốc thử hóa học, nhưng những không có kết nối trực tiếp với cácquá trình xảy ra trong tự nhiên Photon đóng vai trò tương tự như thuốc thử và / hoặc chấtxúc tác trong tổng hợp hữu cơ Hơn nữa, trái với tác nhân khởi động là hóa chất, ánh sáng

là thuốc thử tiêu hao hết hoặc phần còn lại đưa vào hỗn hợp phản ứng và như vậỵ quátrình được đơn giản hóa.quang hữu cơ tổng hợp đã bị lờ đi bởi các ngành công nghiệp hóachất, chủ yếu là bởi vì hầu hết các nguồn sáng nhân tạo đòi hỏi một lượng lớn năng lượng

để tạo ra ánh sáng Tuy nhiên, đi - ốt phát sáng ( Dây dẫn ) có thể cải thiện tình huống này

và họ sẵn sàng đưa vào nhiều bước sóng phát ra, tạo điều kiện thuận lợi lựa chọn của phùhợp nhất giữa nguồn và thuốc thử hấp thụ Nhà nghiên cứu hiện đang nghiên cứu nguồngốc cuối thế kỷ thứ 19 của quang hoá học hữu cơ, khi ánh sáng mặt trời là nguồn có hiệulực của phát xạ duy nhất [ 20 ] Ngược lại với các thiết bị thường được ứng sớm, các phảnứng quang hóa năng lượng mặt trời đang được thực hiện với các lò phản ứng năng lượngmặt trời hiện đại và vừa phải để ánh sáng mặt trời tập trung cao độ, sản xuất ra sản lượngthời gian-không gian cao [21] Điều này do đó có thể được coi là một quá trình tiết kiệmnăng lượng Tuy nhiên, năng lượng mặt trời không được sử dụng trực tiếp trong cácphương pháp phân tích vì các cường độ khá thấp và cửa sổ quang phổ rộng.Ánh sáng vàcác nguồn khác của bức xạ điện từ là phương tiện chính Để sản xuất các tín hiệu tronghóa phân tích Các nguồn khác của ánh sáng hơn mặt trời được sử dụng rộng rãi trongphân tích hoá học; phương pháp trắc phổphổ biến nhất được lựa chọn để phát hiện và xácđịnh các chất Ánh sáng laser dựa trên đã ảnh hưởng đến một cuộc cách mạng lớn trongquang phổ Nó được dẫn đến các kỹ thuật phân tích mới dựa trên plasma laser gây ra thế

hệ và các kỹ thuật liên quan phân tích quang phổ.Năng lượng được bảo toàn bằng cách

nung nóng một lượng rất nhỏ chất mẫu trong một thời gian rất ngắn Khi một xung laserngắn thời gian với mật độ năng lượng hiệu quảtập trung trên bề mặt của một vật, nhiệt độ

bề mặt lên tới 5000-6000 K trong một thời gian ngắn extremelyn (~7 ns), dẫn đến sự hìnhthành các khối lượng rất nhỏ của huyết tương (microplasma) trong đóbẻ liên kết hóa họctạo ra các nguyên tử bằng điện tử kích thích và ion, bất kể loại và hình dạng của vật liệu[22] Những sự kích thích trong huyết tương hầu như tất cả có thể được sử dụng cho mụcđích phân tích phổ plasma Laserinduced, hoặc laser gây ra sự cố phổ (libs), vì nó đượcbiết đến nhiều hơn, có những ưu điểm sau đây: (1) chuẩn bị mẫu đơn giản (2) tiêu thụ tốithiểu và tiêu hủy mẫu, (3) có độ nhạy cao và chọn lọc cho DelaGuardia_c15.indd 301DelaGuardia_c15.indd 301 2012/02/01 09:20:21 2012/02/01 09:20:21 302 Sổ tay Hóahọc Xanh phân tích dấu vết phân tích, (4) phân tích nhanh chóng, (5) phân tích phần tử-

đa, và (6) ứng dụng cho nhiều hợp chất.Trong phép đo libs điển hình, nhiều xung laserđược hình thành Libs được thực hiện bằng một bắn laser duy nhất, làm cho nó lý tưởngcho các ứng dụng đòi hỏi phân tích hóa học nhanh chóng và / hoặc các phép đo khôngphá hủy Trong libs single-shot, một xung laser tạo ra plasma duy nhất để phân tích quangphổ Bằng cách bắt ánh sáng từ mycoplasma trong khoảng 200-980 nm, yếu tố này đượcxác định bởi bước sóng cụ thể của họ, số lượng các hóa chất được đo bằng cường độ củaánh sáng ở bước sóng cụ thể và tất cả các vấn đề được phát hiện, bởi vì mỗi nguyên tốphát ra đâu đó trong 200 -980 phạm vi nm Libs là vốn nhạy cảm và vì thời gian phản ứngngắn hạn, nó được coi là một phương pháp thời gian thực Hơn nữa, libs phát hiện các hạtnhỏ, đặc biệt là khi kích thước của các hạt tương tự như đường kính 20-30 micron củachùm tia laser hội tụ duy nhất-shot libs cho thấy nhiều hứa hẹn cho các phân tích hóa học

và nhận dạng của một loạt các loại mẫu Độc-shot libs đã chứng minh tiềm năng để phântích di sản văn hóa, sinh học, môi trườngvà mẫu pháp y, cũng như chất nổ, các ứng dụngquân sự, các kim loại và hợp kim kim loại, phân tích quá trình đốt cháy và chuyển đổi xúctác Những lợi thế của libs single-shot bao gồm phân tích hóa học nhanh chóng và bảoquản và lập bản đồ mẫu.Hạn chế lớn nhất của kỹ thuật này là tái sinh của cường độ dòngquang phổ, có thể bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố Shots có thể thay đổi như là kết quả củanguồn laser (ví dụ xung ổn định), tương tác (ví dụ xung laser-plasma, plasma mẫu và mẫupulse- laser), số lượng mẫu ablated, đặc điểm của mẫu (độ nhám, thành phần hóa học ví

dụvà tính đồng nhất), các hiệu ứng nền, các yếu tố môi trường (ví dụ như sự hiện diện củacác hạt bụi hoặc hơi ẩm) và tán xạ ánh sáng Những biến shot-to-bắn làm cho nó khó khăn

để sử dụng libs single-shot cho việc định lượng.Matrix hỗ trợ laze giải hấp / ion hóa(MALDI) tương tự như ký thuật ion hóa được sử dụng trong khối phổ Nó tạo điều kiệnphân tích các phân tử sinh học (chẳng hạn như protein, peptide và đường) và lớn các phân

tử hữu cơ (như polyme, dendrimer và các đại phân tử khác), mà có xu hướng dễ vỡ vàmảnh khi bị ion hóa bằng các phương pháp thông thường Ion hóa được kích hoạt bởi mộtchùm tia laser (thường là một laser nitơ) Một nền được sử dụng để bảo vệ các phân tửsinh học bị phá hủy bởi một chùm tia laser trực tiếp và để tạo điều kiện bay hơi và ionhoá kỹ thuật MALDI thường sử dụng laser UV (337 nm, 355 nm và 266 nm) Laser hồngngoại cũng đôi khi được sử dụng bởi vì chế độ mềm mại của chúng khi ion hóa.Khi laserđược bắn ra, quá trình khác nhau diễn ra Về lý thuyết, các nền mẫu chuyển một phầnđiện tích của nó để các phân tử chất phân tích, do đó ion hóa chúng trong khi bảo vệchúng khỏi những năng lượng gây rối của laser [23] Ion từ kết quả quá trình này bao gồmmột phân tử trung tính [M] và một ion dương hoặc âm MALDI có khả năng tạo ion đơntính, nhưng nhiều ion tích điện ([M + nH] n +) cũng có thể được tạo ra, như một phần củanền mẫu, cường độ laser và / hoặc điện áp Mặc dù hiệu quả cao, các công cụ này rất phứctạp và đắt tiền, và không phải mọi phòng thí nghiệm có khả năng

15.4 Sử dụng dung môi thay thế cho tiết kiệm năng lượng

Nhiều quy định của dung môi công nghiệp và xử lý chất thải, và pháp luật kiểm soát ônhiễm ngày càng nghiêm ngặt đã làm tăng sức hấp dẫn của, không độc, dung môi côngnghiệp chấp nhận được với môi trường thay thế kỹ thuật tách nhiều năng lượng, chẳnghạn như chưng cất, cũng đang trở nên đắt hơn do chi phí năng lượng tăng cao Có hai loạidung môi - chất lỏng siêu tới hạn và các chất lỏng ion - có tiềm năng để làm cho các quátrình môi trường an toàn hơn và giảm tiêu thụ năng lượng bằng cách thay thế các dungmôi hữu cơ trong chất lỏng / Chiết lỏng, xúc tác và phân ly Sử dụng chúng sẽ làm giảmhoặc loại bỏ các chi phí, yêu cầu xử lý, và các mối nguy hiểm liên quan đến các hợp chấthữu cơ dễ bay hơi (VOC).Ưu điểm chính của chúng,so với các dung môi thông thường, làmột khả năng điều chỉnh các thuộc tính của dung môi, cho phép họ thay thế các dung môi

cụ thể trong một loạt các quá trình khác nhau.Cải thiện hiệu suất quá trình là cách đểgiảmtiêu thụ năng lượng Hơn nữa, các đặc tính độc đáo của cả hai chất lỏng đã dẫn đến cáclĩnh vực nghiên cứu mới: CO2 siêu tới hạn và các chất lỏng ion hoạt động với nhau vìchất lỏng ion không hòa tan trong chất lỏng siêu tới hạn; Tuy nhiên, các chất lỏng là cóthể trộn với chất lỏng ion và điều này cho phép chất lỏng siêu tới hạn được sử dụng đểchiết xuất các hợp chất từ chất lỏng ion [24].

15.4.1 Ưu điểm của chất lỏng ion

chất lỏng ion có hai ưu điểm chính: không biến động và nhiệt mạnh Hầu hết trong sốchúng hoạt động trong một phạm vi nhiệt rộng (thường là -40 ° C đến 200 ° C) không có

áp suất hơi đo lường được Điều này cho phép một mức độ cao kiểm soát động học vàloại bỏ hơi dung môi áp suất hơi không đáng kể là sự hỗ trợ chính đối với khiếu nại màILS là một dung môi 'xanh'

Các thuộc tính của ILS (tính lưu động trên một phạm vi nhiệt độ rộng, áp suất hơi cực kỳthấp, trộn lẫn hoặc không trộn lẫn với nước và các dung môi khác, khả năng hòa tan nhiềuchất hữu cơ và vô cơ, độ dẫn điện, độ ổn định điện, độ chấy nổ thấp, gây nổ, và khó ănmòn) có thể được điều chỉnh khi chọn thích hợp anion và cation Thuộc tính này có thểđược gọi là 'tunability hóa' của chất lỏng ion Có ILS với các nhóm chức năng cụ thể, mà

đã làm tăng việc xác định các chất lỏng nhiệm vụ cụ thể ion (đuôi) và đã đạt được sự chú

ý rộng

Ngoài những lợi thế được cung cấp bởi các đặc tính vật lý của chúng, ILS thường tạo ra

tỷ lệ cao hơn phản ứng, sản lượng cao hơn, và tính chọn lọc tốt hơn so với các dung môihữu cơ thông thường khi được sử dụng trong tổng hợp hữu cơ Chúng đã được sử dụngmột số lượng lớn trong các phản ứng, đặc biệt là trong xúc tác, và đặc biệt là ở xúc tácsinh học và công nghệ hóa sinh vì nhiều enzyme giữ lại hoạt động trong các dung môi.Việc áp dụng ILS - thường được thúc đẩy bởi nhận thức rằng chúng là dung môi 'xanh' -

đã được thử nghiệm trong các hóa chất, dầu khí và các lĩnh vực như phương tiện phảnứng, dùng cho mạ điện, chà axit-khí và khử lưu huỳnh nhiên liệu vận chuyển Thay thếcác dung môi dễ bay hơi với ILS được kỳ vọng sẽ ngăn chặn sự phát xạ của VOC

Các tác động môi trường của các giai đoạn chu kỳ sống của ILS tương đối so với cácphương pháp khác vẫn chưa được nghiên cứu Một đánh giá vòng đời (LCA) là điều cầnthiết để hợp pháp hóa bất kỳ khiếu nại của ' hóa học màu xanh' Những tuyên bố tương tự

có thể được thực hiện liên quan đến tiêu thụ năng lượng với Bằng chứng nữa là yêu cầu

mà quá trình phân tích sử dụng chất lỏng ion là phương tiện , hóa chất hoặc chất xúc tác

sẽ nhanh hơn và tiêu thụ ít năng lượng để tạo ra các tín hiệu phân tích đo lường được.Nghiên cứu cũng đang được tiến hành để tìm một hiệu quả sử dụng chất lỏng ion trongcác ứng dụng phân tích [25]

15.4.2 Sử dụng chất lỏng siêu tới hạn tới hạn và những loại chất lỏng siêu tới hạn

Độ đục là khía cạnh quan trọng của dung môi thay thế như chất lỏng siêu tới hạn mà làmcho chúng hấp dẫn đối với các nhà nghiên cứu Những thay đổi nhỏ về nhiệt độ và / hoặc

áp lực xung quanh các điểm quan trọng của chất lỏng siêu tới hạn gây ra những thay đổiđáng kể về mật độ và các thông số vật lý khác mà làm cho nó có thể điều chỉnh độ tanvàcác tính chất khác của dung môi Vì vậy, sử dụng dung môi siêu tới hạn mở rộng phổtổng thể hòa tan, phân cực và biến động của dung môi và giai đoạn khuếch tán Khả năngđiều chỉnh các tính chất của môi trường dung môi làm cho nó là một ứng cử viên tốt đểthay thế các dung môi khác trong một loạt các quá trình khác nhau, hoặc để tạo ra phươngpháp mới để phân tích mẫu Các dung môi tương tự có thể được sử dụng cho các ứngdụng và các thủ tục khác nhau Tuy nhiên, các thiết bị phù hợp có thể tạo ra áp lực vànhiệt độ cần thiết để đạt đến trạng thái siêu tới hạn (ví dụ, đối với khí CO2, nhiệt độ tớihạn là 31 ° C và áp suất là 73 bar) là cần thiết để làm việc với các chất lỏng siêu tới hạn.máy bơm và hệ thống sưởi ấm tiêu thụ năng lượng, làm cho các công cụ này tiêu tốnnhiều năng lượng Các tính chất vật lý của chất lỏng cũng hạn chế ứng dụng của chúng.sắc ký lỏng siêu tới hạn (SFC) sử dụng carbon dioxide lỏng như một chất rửa giải Nóđược sử dụng chủ yếu như là một chế độ dự bị trong sắc ký sắc ký lỏng siêu tới hạnthường sử dụng carbon dioxide trên hoặc gần nhiệt độ và áp suất tới hạn của nó, kết hợpvới một dung môi hữu cơ như methanol hoặc ethanol Hầu hết các sẵn SFC thiết bị đo đạcphân tích cũng là LC-tương thích Các máy bơm và buồng trộn đã ở áp suất cao; Tuynhiên, đầu bơm phải được làm mát Việc thay đổi chính là sự cần thiết để giữ cho các máy

dò UV ở áp suất cao SFC giải ly nhanh hơn so với LC và sử dụng một lượng tối thiểu củacác dung môi hữu cơ SFC pha động là carbon dioxide trên, nhưng có thể chứa lên đến15% ethanol, methanol hoặc acetonitrile Về mặt lý thuyết, hỗn hợp pha dung môi SFC ítthân thiện với môi trường hơn so với pha CO2, nhưng chúng dễ dàng để xử lý hơn hoặctái chế hơn so với các dung môi hữu cơ LC-dịch hỗn hợp Mao mạch SFC cung cấp sắc

ký có độ phân giải cao ở nhiệt độ thấp hơn nhiều so với phương pháp sắc ký khí và tạođiều kiện phân tích nhanh các hợp chất bền nhiệt [26] SFC đã được xem như một phần

mở rộng của phương pháp sắc ký khí (GC), trong đó một phần năng lượng nhiệt cần thiết

để các chất hoà tan được thay thế bằng năng lượng solvat hóa Việc sử dụng SFC maomạch tăng nhanh, chủ yếu là do sự kết hợp mới của pha động siêu tới hạn và cột mởsilica Đầu dò GC như ion hóa ngọn lửa, bắt điện tử, phốt pho nitơ, lưu huỳnh vàChemiluminescence được phổ biến với SFC

SFE và SFC là đặc biệt thuận lợi khi sử dụng cacbon dioxide dựa vào pha Khí carbondioxide không gây ra hiện tượng nóng lên toàn cầu nhưng carbon dioxide được sử dụngtrong các quá trình này góp phần không có hóa chất mới vào môi trường, bởi vì nóthường là một sản phẩm phụ của phản ứng hóa học khác hoặc được lấy trực tiếp từ khôngkhí, và khí thường được tái chế khi nó được sử dụng với số lượng lớn

Trong sắc ký lỏng, khi nhiệt độ cao cần thiết cho hiệu xuất, chỉ sử dụng dung dịch nướcthường được đề xuất S Heinisch và J-L Rocca vừa xem xét cao sắc ký lỏng nhiệt độ[27] Họ nhận thấy rằng, ngoài những lợi thế không độc tính , như đã thảo luận ở trên, nócũng có thể sử dụng ion hóa ngọn lửa, tia cực tím bước sóng thấp, plasma quy nạp cùngkhối phổ và dò cộng hưởng quang phổ từ thậm chí hạt nhân, với deuterium oxide nóngnhư pha động [28, 29, 30] lập trình nhiệt độ thay vì rửa giải Gradient có thể được thực tếtrong một số tình huống Ví dụ, chiết tách sử dụng micro hoặc cột nano, khi gradient rửagiải là khó khăn để hoạt động ở dòng chảy tỷ lệ rất thấp trong một hệ thống cụ thể, lậptrình nhiệt độ thường được khuyến cáo với các cột mao mạch do truyền nhiệt hiệu quảhơn với đường kính nhỏ bên trong Tuy nhiên, chương trình nhiệt độ đôi khi có vấn đề.Một khoảng nhiệt độ rộng hơn so với môi trường xung quanh đến 200 ° C là thường cầnthiết cho chương trình nhiệt độ cần thiết thường là (> 20 ° C min-1) được áp dụng để

phân tách HPLC vì truyền nhiệt trong chất lỏng là rất chậm so với truyền nhiệt trong khí.Làm nóng một cột thép HPLC (một vật liệu có tính dẫn nhiệt rất thấp) có thể là quá chậm

là tốt Lập trình nhiệt độ được sử dụng chủ yếu để cải thiện phân tích đẳng nhiệt isocratichơn để thay thế rửa giải gradient Một khía cạnh thường bị bỏ qua sắc ký nhiệt tiêu thụnhiều năng lượng hơn G van der Vorst et al [31] thực hiện một chu trình tách sắc kýcủa đồng phân đối với ảnh hưởng của một hỗn hợp không hấp thu ánh sáng của phenyldẫn xuất của acid acetic để so sánh HPLC với SFC Năng lượng cần thiết để tạo ra sắcphổ có thể là đáng kể cho cả HPLC và SFC Xem xét quasá trình, việc tiêu thụ nănglượng chuẩn bị HPLC là cao hơn so với SFC khoảng 25%, do sử dụng lượng lón các dungmôi hữu cơ Để xác định mức tiêu thụ năng lượng của một nhà máy người ta phải xem xétnăng lực của mình ( 'βsystem ranh giới') và thực hiện các tính toán có tính đến ranh giớivật chất của nhà máy và các nguồn tài nguyên Chúng bao gồm các nguồn lực mua củacác công ty dược phẩm để thực hiện việc tách và sản xuất các hỗn hợp không hấp thuquang, làm mát và nước công nghiệp, làm mát và sấy, hơi nước và các chi phí lưu trữ cácsản phẩm SFC dường như có lợi hơn bởi vì nó đòi hỏi ít tài nguyên khoảng 30% so vớiHPLC như định lượng trong năng lượng Tuy nhiên, các năng lượng tích lũy được chiếtxuất từ môi trường tự nhiên để cung cấp tất cả các lượng và năng lượng dòng chảy đếnđiểm αand βsystem qua các mạng công nghiệp (ranh giới γsystem) tổng thể cho thấychẩn bị SFC đòi hỏi nhiều hơn khoảng 34% nguồn lực hơn chuẩn bị HPLC Các tác giả

lý do mà các điện cần để sưởi ấm và làm mát và sản xuất CO2argues lỏng chống lại việc

15.5 Hiệu suất thiết bị thí nghiệm

D Raynie [33] đã chia phòng thí nghiệm thiết bị thành ba loại, dựa trên năng lượng tiêuthụ cho mỗi mẫu (xem bảng 15.1)Việc đánh giá năng lượng Bảng 15.1 cho thấy rằngphương pháp hóa học ướt như chuẩn độ và những người dựa trên các xét nghiệm sinh hóa

sẽ được ở khu vực 'xanh' phương pháp cụ đơn giản như GC và HPLC đang ở trong vùng

"vàng" phương pháp cụ phức tạp hơn và kết hợp rất nhiều năng lượng và do đó họ đang

có trong cột 'đỏ' lượng mẫu cao rõ ràng là quan trọng bởi vì nó làm giảm tiêu thụ nănglượng cho mỗi mẫu Dung môi tạo ra nhu cầu năng lượng bổ sung bay hơi dung môi là cóliên quan trực tiếp đến việc sử dụng năng lượng, và một phương pháp đòi hỏi sự bay hơi

của khối lượng lớn dung môi là phương phápkhông có lợi.Phân tích quang phổ đòi hỏikhá ít năng lượng Nhiều trong số chúng là thuốc thử, không phá hủy, nhanh chóng và cóthể xác định một số chất phân tích trong thời gian tương tự Đối với những lý do này, nênrất thân thiện với môi trường và có thể được coi là phương pháp phân tích màu xanh lácây [34] đặc điểm phân tích độc đáo, chẳng hạn như độ nhạy cảm cao, độ phân giải phổcao, và giới hạn rất thấp phát hiện, có thể đạt được bằng cách sử dụng laser Tuy nhiên,nhược điểm lớn của họ bao gồm các chi phí của các thiết bị, tăng độ phức tạp và thực tế làkhông phải tất cả các bước sóng có sẵn Tuy nhiên, miniaturizing các máy dò ánh sángnguồn (ví dụ diodelaser) đã gia tăng việc sử dụng các phương pháp quang phổ trong cáccảm biến khác nhau và các ứng dụng phòng thí nghiệm.

Bảng : Xếp hạng thiết bị theo mức tiêu hao năng lượng

15.5.1 Các xu hướng trong xử lý mẫu

hóa học xanh được chú ý tới việc lấy mẫu, đặc biệt là mẫu chuẩn bị, mà thường liên quanđến việc làm sạch và các bước tiền tập trung bởi vì nó đòi hỏi dung môi và hóa chất kháctạo ra một lượng lớn chất thải Việc xử lý dung môi cũng tiêu thụ năng lượng quá trìnhchuẩn bị mẫu đáng kể có thể bao gồm đồng nhất và lọc, ly tâm, chưng cất, chiết, phânđoạn và tập trung Việc thực hiện thành công các quá trình này sẽ đảm bảo rằng các chấtphân tích là thích hợp với các hệ thống phân tích Lấy mẫu và mẫu trước khi điều trị