Hoe vacuümomgevingen chemische reacties mogelijk maken 7 september 2021

Of u nu vocht, zuurstof of lucht wilt verwijderen, vacuümtechnieken spelen een sleutelrol bij de productie en verwerking van een groot aantal chemicaliën. Het bieden van een schone en inerte omgeving voor chemische reacties is essentieel voor de productie van zuivere producten waarop we elke dag vertrouwen.

De zogenaamde 'luchtvrije' technieken die door de chemische industrie worden gebruikt, omvatten het verwijderen van ongewenste reactiemiddelen zoals water, zuurstof en stikstof om een omgeving te creëren waarin we er zeker van kunnen zijn dat er geen ongewenste bijproducten worden gevormd. Vaak worden deze moleculen vervangen door inerte gassen zoals argon (of in minder reactieve gevallen N2) om niet alleen de zuiverheid, maar ook de efficiëntie in productieprocessen te garanderen.

Er zijn twee belangrijke technieken die in een chemisch laboratorium worden gebruikt om een 'luchtvrije' omgeving te bereiken, waarvan de eerste een handschoenenkast wordt genoemd. Dit omvat het verwijderen van deeltjes uit een grote container (vervangen door inert gas) waaraan handschoenen zijn bevestigd om de apparatuur onder de gewenste omstandigheden te kunnen hanteren. De meest voorkomende manier om zuurstof uit een dergelijk apparaat te verwijderen, is door het gebruik van een koperen katalysator. Het metalen oppervlak vangt de moleculen op en slaat ze op als koperoxide, waardoor ze uit eventuele reacties worden verwijderd. Een typisch apparaat dat bij deze methode wordt gebruikt om het vacuüm te creëren, is een Leybold TRIVAC D16B-rotatiepomp.

De tweede techniek is om een Schlenk-lijn te gebruiken. Luchtdicht glaswerk dat is verbonden met nauw aansluitende 'snelkoppelingen' wordt gebruikt om chemicaliën te reageren, waarbij reactanten met canules door een rubberen septum kunnen worden toegevoegd die na het doorprikken opnieuw worden afgedicht. Deze techniek biedt een meer manipulatief systeem, waarbij de behendigheid wordt verbeterd in vergelijking met een handschoenkastje. Dit type systeem maakt gebruik van een vacuümpomp, zoals de TRIVAC D4B-rotatiepomp van Leybold, om continu inerte moleculen te verwijderen en te herstellen.

Wereldwijd wordt elk jaar 250.000 ton titanium geproduceerd en het wordt gebruikt in een breed scala aan industrieën, van lucht- en ruimtevaarttechniek tot medische prothesen. Bijna al het zuivere titanium dat in de industrie wordt gebruikt, wordt teruggewonnen uit titaniumchloride (TiCl4), een stof die in een Schlenk-lijnproces wordt geproduceerd. De chemische reactie van deze vorming wordt hier getoond:

2FeTiO3 + 7Cl2 + 6C → 2TiCl4 + 2FeCl3 + 6CO

De bron van titanium die in deze reactie wordt gebruikt, is een ijzer-/titaniumerts dat ilmeniet wordt genoemd. Het titanium in deze reactie is zeer reactief met zuurstof en water (meer dan chloor) en moet daarom uit elk reactievat worden verwijderd. Door deze reactie uit te voeren onder inerte vacuümomstandigheden kan zuiver en onvervalst TiCl4 worden geproduceerd, wat zonder deze technologie onmogelijk zou zijn.

De chemische industrie is afhankelijk van processen die de opbrengst maximaliseren, de kosten minimaliseren en effectieve materialen voor talloze toepassingen leveren. Zonder vacuümtechnologie zou de ontwikkeling van een hele reeks producten, van meststoffen en voedselverpakkingen tot mobiele telefoons en ruimtevaartuigen, onmogelijk zijn. Dit onderstreept het belang van het werk dat hier bij Leybold wordt uitgevoerd in de wetenschappelijke industrie over de hele wereld en benadrukt de belangrijke rol die vacuümtechnologie speelt in het dagelijks leven.