Wprowadzenie do Zielonej Chemii

Wprowadzenie do technologii chemicznej organicznej

Wykład 1

Temat przewodni: Droga do czystego środowiska prowadzi przez chemię/technologię chemiczną.

Projektowanie procesów technologicznych

PROCES

Cel procesów technologicznych:
- Minimum energii
- Maksimum wydajności
- Optymalne warunki

Wpływ procesu na środowisko

Wpływ procesów technologicznych

Kategorie wpływów:

Wpływ dodatni
Wpływ ujemny
Wpływ obojętny

Zielona technologia

Cytat:
C. Jimenez-Gonzalez, A. D. Curzons, D. J. C. Constable, V. L. Cunningham, „J. Clean Tech. Env. Pol., 2005, 7, 42.”

Rozwój zrównoważonego przemysłu chemicznego w XXI wieku
- Strategia zrównoważonego rozwoju
- Zapewnienie równowagi między potrzebami społeczno-ekonomicznymi a ochroną środowiska
- Harmonijne współżycie z środowiskiem

Zielona chemia

Definicja Zielonej Chemii

"Zielona chemia dotyczy nowego podejścia do zagadnienia syntezy przeróbki i wykorzystania związków chemicznych tak aby zredukować lub wyeliminować zużycie i generowanie substancji niebezpiecznych dla zdrowia człowieka i środowiska." - (U.S. Environmental Protection Agency)

Zasady zielonej chemii

Lista zasad

Lepiej zapobiegać tworzeniu zanieczyszczeń i odpadów niż je unieszkodliwiać.
Syntezy powinny być projektowane, aby zwiększyć ilość materiałów wyjściowych w końcowym produkcie (Ekonomia atomowa).
Syntezy chemiczne powinny wykorzystywać niestoksyczne lub niskotoksyczne reagentów.
Produkty alternatywne powinny być nietoksyczne, jednocześnie zachowując funkcje (np. terapeutyczne, owadobójcze).
Eliminacja substancji pomocniczych (rozpuszczalników, czynników rozdzielania) w miarę możliwości, a przy ich konieczności stosowanie substancji nieszkodliwych.
Minimalizacja nakładów energetycznych, preferowanie syntez w temperaturze i pod ciśnieniem otoczenia.
Preferencja dla surowców odnawialnych tam, gdzie to możliwe.
Unikanie blokowania grup funkcyjnych, wybieranie wysoce selektywnych katalizatorów.
Preferencja dla reakcji katalitycznych (szczególnie wysokoselektywnych).
Dążenie do produkcji materiałów chemicznych, które ulegają biodegradacji po zużyciu.
Rozwój „on line” metod analitycznych do monitorowania produkcji w kontekście zapobiegania generowaniu niebezpiecznych substancji.
Dobór reagentów i ich metod wykorzystania z minimalizowaniem ryzyka wypadków chemicznych, w tym wycieków, wybuchów i pożarów.

Definicja chemii zielonej

Chemia zielona to projektowanie, rozwijanie i wdrażanie produktów i procesów chemicznych, które redukują lub eliminują użycie i generowanie niebezpiecznych substancji.
Chemia zielona to sposób prowadzenia chemii na wzór natury - wykorzystujący odnawialne, biodegradowalne materiały, które nie utrzymują się w środowisku.
Użycie katalizy i biokatalizy w celu poprawy efektywności i prowadzenia reakcji w niskich lub ambientnych temperaturach.
Podejście systemowe do chemii zielonej.
Redukcja negatywnego wpływu na zdrowie ludzkie i środowisko.
Strategiczną drogą do budowy zrównoważonej przyszłości.

12 Zasad Zielonej Chemii

Ramy dla nauki o zielonej chemii

Prewencja odpadów
Ekonomia atomowa
Mniej niebezpiecznych syntez
Projektowanie bezpiecznych chemikaliów
Bezpieczne rozpuszczalniki i substancje pomocnicze
Efektywność energetyczna
Użycie surowców odnawialnych
Ograniczenie derywatyzacji
Wykorzystanie katalizy (w przeciwieństwie do stechiometrii)
Projektowanie do degradacji
Analiza w czasie rzeczywistym dla zapobiegania zanieczyszczeniom
Chemia z natury nieszkodliwa dla zapobiegania wypadkom

Narzędzia do pomiaru „zielonego” charakteru chemii

Wskaźniki i ich definicje

Czynnik Środowiskowy (Environmental factor - E-Factor)
Współczynnik Środowiskowy (Environmental quotient - EQ)
Wydajność masowa reakcji (Effective Mass Yield - EMY)
Ekonomia atomów (Atom Economy - AE)
Efektywność masowa reakcji (Reaction Mass Efficiency - RME)
Wydajność węglowa (Carbon Efficiency - CE)
Efektywność rozpuszczalnikowa (Solvent Efficiency - SE)
Intensywność masowa (Mass Intensity - MI)

E-Factor

Przykłady w przemyśle:
- Petrochemiczny: 10^6 - 10^8, E-factor 0.1
- Tworzywa sztuczne: 10^4 - 10^6, E-factor 1-5
- Fine chemicals: 10^2 - 10^4, E-factor 5-50
- Farmaceutyczny: 10^1 - 10^3, E-factor 25-100
Definicja E-factor: E = rac{ ext{masa odpadów}}{ ext{masa produktów}}

Zasada oszczędności atomowej Trosta

Istota: Eliminacja lub ograniczenie produktów ubocznych w nowoczesnych syntezach chemicznych poprzez wkomponowanie wszystkich atomów reagentów w produkt reakcji.

Ekonomia atomowa

Możliwość obliczenia przed eksperymentem.
Obliczenia:
ext{Ekonomia atomowa} = rac{ ext{Procentowa względna masa wszystkich atomów}}{ ext{masa wszystkich odczynników}} imes 100

Miary efektywności reakcji

Wydajność:
ext{ ext{% wydajność}} = 100 imes rac{ ext{rzeczywista ilość otrzymanych produktów}}{ ext{teoretyczna ilość produktów}}
Selektywność:
ext{% selektywność} = 100 imes rac{ ext{Wydajność pożądanych produktów}}{ ext{Ilość substratów przetworzonych}}
Ekonomia atomowa:
ext{% ekonomia atomowa} = 100 imes rac{ ext{Względna masa molowa pożądanych produktów}}{ ext{Względna masa molowa wszystkich odczynników}}

Przykłady z obliczeniami

Ekonomia atomowa dla bezwodnika maleinowego

Masy molowe: 78, 4.5 x 32
Obliczenia:
ext{% ekonomia atomowa} = 100 imes rac{98}{78 + 144} = 44.1 ext{%}
Dla innego przykładu produkcji:
ext{% ekonomia atomowa} = 100 imes rac{98}{56 + 96} = 64.5 ext{%}

Reakcje substytucji

Podczas reakcji substytucji powstają zwykle dwa produkty, z czego jeden jest niepożądany.
Przykład reakcji: synteza chlorku heksylu z heksanolu i chlorku tionylu.
Masy molowe: 102, 119, 120.5, 64, 36.5.
Obliczenia:
ext{% ekonomia atomowa} = 100 imes rac{120.5}{102 + 119} = 54.5 ext{%}

Współczynnik środowiskowy (EQ)

Definicja:
EQ = E imes Q
Gdzie Q to iloraz zagrożenia środowiskowego.
Przykłady wartości Q związane z ekotoksycznością odpadów:
- NaCl → Q=1
- Metale ciężkie Q => <100; 1000>
Użycie EQ do porównań i oceny uciążliwości środowiskowej reakcji chemicznych.

Wydajność masowa reakcji (EMY)

Definicja:
ext{EMY} = rac{ ext{Masa produktu reakcji} imes 100}{ ext{Masa reagentów toksycznych lub niekorzystnie oddziałujących na środowisko}}

Wprowadzenie do technologii chemicznej organicznej

Wykład 1

Tematem przewodnim wykładu jest idea, że droga do czystego środowiska wiedzie przez odpowiednie zastosowanie chemii i technologii chemicznej.

Projektowanie procesów technologicznych

PROCES

Cel procesów technologicznych koncentruje się na minimalizacji zużycia energii oraz maksymalizacji wydajności, przy jednoczesnym utrzymaniu optymalnych warunków dla przebiegu reakcji.

Wpływ procesu na środowisko

Wpływ procesów technologicznych

Kategorie wpływów:

Wpływ procesów technologicznych na środowisko można podzielić na trzy główne kategorie: wpływ dodatni, wpływ ujemny oraz wpływ obojętny.

Zielona technologia

Jak zauważyli C. Jimenez-Gonzalez, A. D. Curzons, D. J. C. Constable, V. L. Cunningham w "J. Clean Tech. Env. Pol., 2005, 7, 42", rozwój zrównoważonego przemysłu chemicznego w XXI wieku opiera się na strategii zrównoważonego rozwoju. Ma ona na celu zapewnienie równowagi między potrzebami społeczno-ekonomicznymi a ochroną środowiska, co prowadzi do harmonijnego współżycia z nim.

Zielona chemia

Definicja Zielonej Chemii

Według Agencji Ochrony Środowiska USA (U.S. Environmental Protection Agency), zielona chemia to nowe podejście do syntezy, przeróbki i wykorzystania związków chemicznych, które ma na celu redukcję lub eliminację zużycia i generowania substancji niebezpiecznych dla zdrowia człowieka i środowiska.

Zasady zielonej chemii

Lista zasad

Zielona chemia opiera się na dwunastu fundamentalnych zasadach. Po pierwsze, lepiej jest zapobiegać tworzeniu zanieczyszczeń i odpadów niż je unieszkodliwiać. Po drugie, syntezy powinny być projektowane tak, aby jak największa ilość materiałów wyjściowych została wkomponowana w końcowy produkt, co jest znane jako Ekonomia atomowa. Po trzecie, syntezy chemiczne powinny wykorzystywać nietoksyczne lub niskotoksyczne reagenty. Czwartą zasadą jest, aby produkty alternatywne były nietoksyczne, jednocześnie zachowując swoje funkcje, takie jak terapeutyczne czy owadobójcze. Piąta zasada dotyczy eliminacji substancji pomocniczych, takich jak rozpuszczalniki czy czynniki rozdzielania, a jeśli są one niezbędne, należy stosować substancje nieszkodliwe. Szósta zasada zaleca minimalizację nakładów energetycznych, preferując syntezy w temperaturze i pod ciśnieniem otoczenia. Po siódme, tam gdzie to możliwe, należy preferować surowce odnawialne. Ósma zasada dąży do unikania blokowania grup funkcyjnych oraz wybierania wysoce selektywnych katalizatorów. Dziewiątą zasadą jest preferencja dla reakcji katalitycznych, zwłaszcza tych wysokoselektywnych. Dziesiąta zasada zachęca do produkcji materiałów chemicznych, które ulegają biodegradacji po zużyciu. Jedenastą zasadą jest rozwój „on line” metod analitycznych do monitorowania produkcji, co ma zapobiegać generowaniu niebezpiecznych substancji. Wreszcie, dwunasta zasada podkreśla dobór reagentów i metod ich wykorzystania w celu minimalizowania ryzyka wypadków chemicznych, w tym wycieków, wybuchów i pożarów. Te same zasady są również usystematyzowane jako ramy dla nauki o zielonej chemii, obejmując prewencję odpadów, ekonomię atomową, bezpieczniejsze syntezy, projektowanie bezpiecznych chemikaliów, stosowanie bezpiecznych rozpuszczalników i substancji pomocniczych, efektywność energetyczną, użycie surowców odnawialnych, ograniczenie derywatyzacji, wykorzystanie katalizy zamiast stechiometrii, projektowanie do degradacji, analizę w czasie rzeczywistym dla zapobiegania zanieczyszczeniom oraz chemię z natury nieszkodliwą dla zapobiegania wypadkom.

Definicja chemii zielonej

Chemia zielona jest procesem projektowania, rozwijania i wdrażania produktów i procesów chemicznych, które redukują lub eliminują użycie i generowanie niebezpiecznych substancji. Jest to sposób prowadzenia chemii na wzór natury, wykorzystujący odnawialne, biodegradowalne materiały, które nie utrzymują się w środowisku. Podejście to obejmuje również użycie katalizy i biokatalizy w celu poprawy efektywności i prowadzenia reakcji w niskich lub ambientnych temperaturach. Chemia zielona to systemowe podejście do chemii, które redukuje negatywny wpływ na zdrowie ludzkie i środowisko, stanowiąc strategiczną drogę do budowy zrównoważonej przyszłości.

Narzędzia do pomiaru „zielonego” charakteru chemii

Wskaźniki i ich definicje

Do oceny „zielonego” charakteru chemii wykorzystuje się szereg wskaźników, w tym Czynnik Środowiskowy (Environmental factor - E-Factor), Współczynnik Środowiskowy (Environmental quotient - EQ), Wydajność masowa reakcji (Effective Mass Yield - EMY), Ekonomia atomów (Atom Economy - AE), Efektywność masowa reakcji (Reaction Mass Efficiency - RME), Wydajność węglowa (Carbon Efficiency - CE), Efektywność rozpuszczalnikowa (Solvent Efficiency - SE) oraz Intensywność masowa (Mass Intensity - MI).

E-Factor

E-Factor, definiowany jako stosunek masy odpadów do masy produktów (E = rac{ ext{masa odpadów}}{ ext{masa produktów}}) jest wskaźnikiem efektywności środowiskowej procesu. Przykłady w przemyśle wskazują na zróżnicowane wartości: w przemyśle petrochemicznym E-factor wynosi około 0.1 (przy masach 10^6 - 10^8), w produkcji tworzyw sztucznych waha się od 1 do 5 (przy masach 10^4 - 10^6), w produkcji fine chemicals' E-factor wynosi od 5 do 50 (przy masach 10^2 - 10^4), natomiast w przemyśle farmaceutycznym osiąga wartości od 25 do 100 (przy masach 10^1 - 10^3).

Zasada oszczędności atomowej Trosta

Istota zasady oszczędności atomowej Trosta polega na eliminacji lub ograniczeniu produktów ubocznych w nowoczesnych syntezach chemicznych poprzez wkomponowanie wszystkich atomów reagentów w produkt reakcji.

Ekonomia atomowa

Ekonomia atomowa jest miarą, którą można obliczyć przed przeprowadzeniem eksperymentu. Oblicza się ją jako \text{Ekonomia atomowa} = \frac{\text{Procentowa względna masa wszystkich atomów}}{\text{masa wszystkich odczynników}} \times 100 .

Miary efektywności reakcji

Efektywność reakcji chemicznych mierzy się za pomocą kilku wskaźników. Wydajność wyraża się jako \text{% wydajność} = 100 \times \frac{\text{rzeczywista ilość otrzymanych produktów}}{\text{teoretyczna ilość produktów}} . Selektywność, określająca preferencję tworzenia pożądanego produktu, obliczana jest jako \text{% selektywność} = 100 \times \frac{\text{Wydajność pożądanych produktów}}{\text{Ilość substratów przetworzonych}} . Ekonomia atomowa, koncentrująca się na integracji atomów substratów w produkt, obliczana jest jako \text{% ekonomia atomowa} = 100 \times \frac{\text{Względna masa molowa pożądanych produktów}}{\text{Względna masa molowa wszystkich odczynników}} .

Przykłady z obliczeniami

Ekonomia atomowa dla bezwodnika maleinowego

Rozważmy przykład obliczenia ekonomii atomowej dla bezwodnika maleinowego, gdzie masy molowe wynoszą 78 i 4.5 x 32. Obliczenia dają ekonomię atomową na poziomie \text{% ekonomia atomowa} = 100 \times \frac{98}{78 + 144} = 44.1 \text{%} . Dla innego przykładu produkcji, gdzie masy molowe to 56 i 96, ekonomia atomowa wynosi \text{% ekonomia atomowa} = 100 \times \frac{98}{56 + 96} = 64.5 \text{%} .

Reakcje substytucji

Podczas reakcji substytucji zazwyczaj powstają dwa produkty, z których jeden jest niepożądany. Przykładem jest synteza chlorku heksylu z heksanolu i chlorku tionylu. Masy molowe reagentów i produktów to odpowiednio: 102, 119, 120.5, 64, 36.5. Ekonomia atomowa dla tej reakcji oblicza się jako \text{% ekonomia atomowa} = 100 \times \frac{120.5}{102 + 119} = 54.5 \text{%} .

Współczynnik środowiskowy (EQ)

Współczynnik środowiskowy (EQ) jest miarą, która łączy E-factor z ilorazem zagrożenia środowiskowego (Q), wyrażoną wzorem EQ = E \times Q . Q reprezentuje ekotoksyczność odpadów, gdzie na przykład dla NaCl Q może wynosić 1, natomiast dla metali ciężkich Q może być w zakresie od <100 do 1000. Użycie EQ pozwala na porównywanie reakcji i ocenę ich faktycznej uciążliwości środowiskowej.

Wydajność masowa reakcji (EMY)

Wydajność masowa reakcji (EMY) definiuje się jako \text{EMY} = \frac{\text{Masa produktu reakcji} \times 100}{\text{Masa reagentów toksycznych lub niekorzystnie oddziałujących na środowisko}} . Ten wskaźnik koncentruje się na masie produktu w stosunku do masy tych reagentów, które mają negatywny wpływ na środowisko.