Σύνθεση και χαρακτηρισμός δομής νέων βιοαπικοδομήσιμων ιοντικών υγρών.

Abstract

Στο πλαίσιο της αυξανόμενης περιβαλλοντικής συνείδησης τόσο στην έρευνα όσο και στη βιομηχανία, παρατηρήθηκε στροφή στην «πράσινη» χημεία, με κύριο στόχο την ανάπτυξη καθαρότερων διεργασιών που είναι πιο φιλικές προς το περιβάλλον. Τα ιοντικά υγρά (ΙΥ), βάσει πολυάριθμων επιστημονικών μελετών, αποτελούν σημαντικό εργαλείο στην επίτευξη αυτού του στόχου και βρίσκουν εφαρμογές κυρίως ως «πράσινοι» διαλύτες ή καταλύτες σε χημικές αντιδράσεις αλλά και σε βιομηχανική κλίμακα ως λιπαντικά, στο διαχωρισμό αζεοτρoπικών μιγμάτων, ηλεκτρολύτες κ.α. Τα ΙΥ γνωστά και ως υγρά άλατα, βρίσκονται σε υγρή φάση σε θερμοκρασίες μικρότερες από 100°C. Συχνά, χαρακτηρίζονται ως «πράσινοι» διαλύτες, ικανοί να αντικαταστήσουν ευρέως χρησιμοποιούμενους, επικίνδυνους οργανικούς διαλύτες λόγω χαρακτηριστικών ιδιοτήτων τους όπως η αμελητέα τάση ατμών, η υψηλή χημική και θερμική σταθερότητα και η χαμηλή ευφλεκτότητα. Στην παρούσα εργασία πραγματοποιήθηκε η σύνθεση και ο χαρακτηρισμός δώδεκα νέων ΙΥ, βασισμένων σε τέσσερεις υποκατεστημένες αιθανολαμίνες και τρία καρβοξυλικά οξέα. Η σύνθεσή τους έγινε μέσω αντίδρασης μεταφοράς πρωτονίου από τα καρβοξυλικά οξέα στις αμίνες. Ο χαρακτηρισμός της δομής των ΙΥ, έγινε με φασματοσκοπία πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού (NMR) πρωτονίου και άνθρακα, σε διαφορετικούς διαλύτες και θερμοκρασίες ώστε να διαπιστωθεί η επίδραση των παραμέτρων της θερμοκρασίας και του διαλυτικού μέσου στη διαμόρφωση του ΙΥ, καθώς και με φασματοσκοπία υπερύθρου FT-IR (τεχνική ATR). Επίσης, μελετήθηκε η δυνατότητα βιοαποικοδόμησης των ΙΥ, με εφαρμογή της πρότυπης μεθόδου προσδιορισμού της παραμέτρου BOD5, δηλαδή του βιοχημικά απαιτούμενου οξυγόνου που καταναλώνεται από τους μικροοργανισμούς για την αποικοδόμηση, μέσω βιο-οξείδωσης του ΙΥ απουσία φωτός, σε θερμοκρασία 20οC και διάστημα πέντε ημερών. Τέλος, εξετάσθηκε η κινητική βιοαποικοδόμησης των ΙΥ, με εφαρμογή της μανομετρικής μεθόδου προσδιορισμού του BOD σε διάστημα δύο εβδομάδων και έγινε μια πρώτη θεωρητική διερεύνηση του μηχανισμού βιοαποικοδόμησης των πέντε πρώτων ημερών.

In the context of increasing environmental awareness both in research and in the chemical industry, there has been a turn towards “green” chemistry that focuses on the development of cleaner processes which are environmentally friendly (eco-friendly). Ionic liquids (ILs), based on numerous scientific studies are an important tool in achieving this goal and find applications mainly as "green" solvents or catalysts in chemical reactions, but also on an industrial scale as lubricants, in the separation azeotropic systems, as electrolytes etc. Ils are organic salts that usually melt below 100o. They are, often described as "green" solvents, able to substitute commonly used, hazardous organic solvents due to their characteristic properties such as negligible vapor pressure, high chemical and thermal stability and low flammability. The present work focuses on the synthesis and characterization of twelve new protic ILs, based on four substituted ethanolamines and three carboxylic acids. The Ils were formed through the transfer of a proton from the carboxylic acids to the amines. The structural characterization of the ILs, was done by nuclear magnetic resonance spectroscopy (NMR), in different solvents and temperatures in order to determine the effect of those two parameters in the formation of ILs, and by FT-IR spectroscopy (ATR). In addition, the biodegradation level of the synthesized ILs was measured, through the determination of the parameter of Biochemical Oxygen Demand (BOD), i.e. the oxygen which is consumed by the microorganisms to degrade the ILs, through bio-oxidation, in the absence of light, at 20°C and in a period five days. In addition, the kinetics of the biodegradation process of the Ils, were examined, by determining the BOD values within a time period of two weeks. Finally, a theoretical approach was followed for the explanation of the biodegradation mechanism of the process.