13.8: Зелена хімія та промислова екологія

Last updated
Save as PDF

Page ID: 18938

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Зелена хімія відіграє важливу роль у розвитку успішних промислових екосистем, особливо в тому, щоб зробити промисловий метаболізм максимально ефективним, екологічно чистим та безпечним. Основна перевага практики зеленої хімії для зменшення впливу на навколишнє середовище полягає в тому, що в ідеалі вона за своєю суттю безпечна та чиста. Використовуючи нетоксичні хімічні речовини та процеси, які не загрожують навколишньому середовищу, зелена хімія уникає загрози людям, які практикують це, та навколишньому середовищу. Звичайно, це ідеали, які ніколи не можуть бути повністю реалізовані на практиці, але, маючи ці ідеали як цілі та роблячи постійні поступові вдосконалення, практика зеленої хімії може стати все більш безпечною, екологічно чистою та стійкою. Це зменшує залежність від командних і контрольних заходів, які вимагають постійної пильності для підтримки. Замість того, щоб залежати від правил, встановлених ззовні для підтримки його безпечної роботи, зелена хімія набагато більш саморегулююча.

Як обговорюється в розділі 2 і проілюстровано на малюнку 2.3, Зелена хімія може бути визначена як практика хімічної науки та виробництва таким чином, який є стійким, безпечним та екологічно чистим і споживає мінімальну кількість матеріалів та енергії, виробляючи мало чи ні відпрацьований матеріал. У розділі 2.10 було представлено дванадцять принципів зеленої хімії. Після обговорення промислової екології та стійкості на початку цієї глави, зелена хімія зараз більш детально розглядається тут. Більшість сучасних аспектів зеленої хімії розглядаються в оглядовій статті на цю тему. ¹ Основні аспекти зеленої хімії, обговорювані тут, включають наступне:

1. Ефективне використання речовини при мінімальному виробництві відходів

2. Каталіз

3. Утилізація біологічних процесів

4. Максимізація відновлюваної сировини

5. Зелений дизайн продукту

6. Мінімізація або усунення розчинників, використання води там, де це можливо

7. Інтенсифікація процесу

Зелена хімія надає першочергову увагу хімічним реакціям і процесам, за допомогою яких виробляються хімічні речовини. Один із підходів до того, щоб зробити хімічний синтез зеленішим, полягає у використанні існуючих процесів хімічного синтезу, але зробити сам процес безпечнішим і менш забруднюючим, а також робить реагенти, необхідні для нього екологічними процесами. Прикладом першого може бути заміна менш летючого, менш токсичного розчинника як реакційного середовища для реакції хімічного синтезу. У деяких випадках реагент може бути виготовлений більш безпечно, використовуючи біологічні процеси для його приготування замість хімічних процесів. Другий загальний підхід до того, щоб зробити хімічні препарати зеленішими, полягає у використанні різних реагентів для синтезу, які є безпечнішими та менш схильними до забруднення.

Практика зеленої хімії значною мірою застосовується для синтезу органічних хімічних речовин. Історія органічного синтезу рясніє прикладами процесів, які категорично не є «зеленими». Одним із прикладів, який іноді наводять, є синтез, що починається з вибухового тринітротолуолу (TNT!) флороглюцинолу, хімічної речовини, що використовується у відносно невеликих кількостях у тонкій хімічній промисловості. Синтез розпочався з окислення дихроматом (канцерогенною речовиною) в диму сірчану кислоту (висококорозійний матеріал, який викликає жахливі ураження шкіри) з подальшим відновленням залізом у соляній кислоті та нагріванням для виділення продукту. Хоча кількість виробленого продукту становила лише близько 100 тонн на рік, процес генерував близько 4000 тонн на рік твердих відходів, що містять Cr ₂ (SO ₄) ₃, NH ₄ Cl, FeCl ₂ та KHSO ₄. Зрозуміло, що це не був екологічно чистий процес, і головною метою зеленої хімії було знайти замінні шляхи синтезу, такі як цей.

Кілька ключових параметрів розраховуються при кількісному визначенні зеленої хімії. Як обговорювалося в розділі 2.6, одним з них є атомна економіка, визначена як частка реактивного матеріалу, яка фактично потрапляє в кінцевий продукт. Чим вище атомна економіка - в ідеалі на 100% - тим екологічніше процес. Окислення, в органічному синтезі введення кисню на органічні молекули, що використовує різні окислювачі, є важливим процесом синтезу. Окислювачі оцінюються відповідно до наявності кисню, відсоток маси молекули окислювача, яка є доступним киснем, тут представлена як {O}. Теоретично молекула з найбільшою доступністю кисню - це молекулярна O ₂, оцінена на 100% (на практиці один з двох атомів O зазвичай закінчується як вода, H ₂ O). Перекис водню, H ₂ _{O 2}, додає кисень до органічної молекули, представленої як «R», відповідно до реакції,

\[\ce{H2O2 + R \rightarrow R (O) + H2O}\]

Так як атом О становить 47% від маси Н ₂ О, киснева доступність перекису водню становить 47%. Коли озон діє як окислювач, пожертвуючи один з трьох його атомів O,

\[\ce{O3 + R \rightarrow R (O) + O2}\]

його доступність кисню становить 33,3%, відсоток молекули O ₃, яка є одним атомом O.

Для відновлення, як правило, додавання атомів Н до молекули, може використовуватися поняття доступності водню. Коли гідрид літію, молекулярна маса 7,94, використовується як відновник, як при синтезі силану,

\[\ce{SiCl4 + LiH \rightarrow SiH4 + 4LiCl}\]

використовується весь його водень, а доступність водню становить 12,6%, що (через низьку атомну масу Li, отже, низьку формулу маси LiH) є найвищою доступністю водню з усіх гідридів металів.

Президентські нагороди «Зелена хімія»

Президентські нагороди США Green Chemistry Challenge Awards, що адмініструються Агентством з охорони навколишнього середовища при частковій спонсорській підтримці Американського хімічного товариства, щорічно проводяться для визнання зусиль щодо зменшення небезпек та відходів від хімічних процесів та сприяння досягненню цілей запобігання забрудненню. За оцінками, 77 переможців цих нагород з 1995 року ліквідували 97 мільйонів кг небезпечних хімічних речовин з використання, запобігли викиду в атмосферу 26 мільйонів кг парникового сілля вуглекислого газу та заощадили 80 мільйонів літрів води. Нагороди 2010 року включали наступне

• Розвиток генно-інженерних мікроорганізмів, які можуть перетворювати СО ₂ у вищі спирти з більш ніж 2 атомами С, які мають менший відсоток кисню і є більш вуглеводнеподібними, ніж етанол, тому більш корисними як паливо та хімічна сировина.

• Проектування нафтопереробного заводу як замінника нафтопереробного заводу, який використовує трансгенні мікроорганізми для перетворення цукрів у вуглеводневі алкани та алкени, довголанцюгові жирні кислоти та жирні ефіри

• Розробка процесу використання пероксиду водню для окислення пропілену до оксиду пропілену, одного з найбільш широко використовуваних органічних хімічних сировини, використовуючи підхід, який зменшує капітальні витрати, споживання енергії та утворення стічних вод.

• Зміни в синтезі сітагліптіна, активного інгредієнта препарату від діабету 2 типу Merck. Сітагліптін - хіральна β-амінокислота, і вдосконалений підхід до її синтезу використовує генно-інженерний фермент трансаміназ для перетворення кетона-попередника в бажаний продукт з підвищеним виходом, меншою кількістю етапів виробництва та меншою кількістю загальних відходів.

• Розробка таблетки з повільним вивільненням форми інсектицидного спіносаду, що робить його корисним для боротьби з комарами у водних середовищах, де біодеградація спіносаду була проблемою з попередніми формами інсектициду