Untitled

Wprowadzenie do technologii chemicznej organicznej

• Przedmiot wykładu: Chemia i technologia chemiczna jako klucz do osiągnięcia czystego środowiska.

Efektywność masowa reakcji (Reaction Mass Efficiency - RME)

• Definicja: Wskaźnik używany do określenia, jaki procent masy odczynników pozostaje w końcowym produkcie.

• Wzór na obliczenie RME:
  $RME = \frac{masa \; produktu \; C}{masa \; odczynnika \; A + masa \; odczynnika \; B} \times 100$

Wydajność węglowa (Carbon Efficiency - CE)

• Definicja: Umożliwia obliczenie procentu węgla z użytych reagentów, który pozostaje w produkcie.

• Wzór na obliczenie CE:
  $CE = \frac{Ilość \; węgla \; w \; produkcie}{Całkowita \; ilość \; węgla \; w \; odczynnikach} \times 100$

Współczynnik oddziaływania środowiskowego rozpuszczalników i katalizatorów

• Definicja: Wskaźnik dotyczący wpływu rozpuszczalników i katalizatorów na środowisko.

• Wzór:
  $f = \frac{\Sigma masa \; użytych \; rozpuszczalników \; i \; odczynników + masa \; katalizatorów}{Masa \; otrzymanego \; produktu}$

Fosgen

• Opis: Ważny reagent w syntezie wielu związków, toksyczny, używany w I wojnie światowej jako broń chemiczna.

• Struktura chemiczna:

  • $COCl_2$ (chlorowodorek węgla), znany także jako carbonyl chloride.

• Zastosowanie: W produkcji poliwęglanów, np. do lamp samochodowych.

LD50 - dawka śmiertelna dla 50% populacji

• Klasyfikacja działania toksycznego substancji chemicznej po podaniu dożołądkowym,

• Zakres LD50 (mg/kg masy ciała):

  • LD50 < 25: Bardzo toksyczna

  • 25 < LD50 < 200: Toksyczna

  • 200 < LD50 < 2000: Szkodliwa

  • 2000 < LD50: Nie klasyfikowana.

Alternatywna droga do otrzymywania poliuretanów - eliminacja fosgenu

• Konwencjonalna droga:
  $CH<em>3ClOCl</em>2$

• Nowa, bezpieczniejsza droga prowadząca do diizocyjanianów wykorzystująca redukcję:

  • Reakcje:

  1. Nitracja

  2. Redukcja: $NH_2$

  • Produkcja poliuretanu: $rNCO + HO-R'-OH \rightarrow OCN-RNCO$

    • Przykład: glikol etylenowy.

Węglan dimetylu jako substytut fosgenu

• Źródła: Metanol i CO2 z metanu, wcześniej stosowano fosgen do produkcji żywic poliwęglanowych.

• Proces: Kataliza PTC $CH<em>3OH + CH</em>2Cl_2 \xrightarrow[50\%\; NaOH]{1 \; mol\%}$

  • Użycie do produkcji poliwęglanów o masie cząsteczkowej 41,500.

Przykłady substancji chemicznych

• Naproksen - lek przeciwzapalny, przeciwgorączkowy, przeciwbólowy.

• Ketoprofen - niesteroidowy środek przeciwzapalny.

Biosyntetyczna i petrochemiczna droga do katecholu

• Biosyntetyczna droga do katecholu:

  • E. coli, warunki: 37°C, woda.

• Droga petrochemiczna:

  • Reakcja: $CHO \xrightarrow{2600°C, 40 \; atm.}$

Monsanto i eliminacja cyjanowodoru

• Proces otrzymywania herbicydu glifosat z formaldehydu: $NH<em>3 + 2CH</em>2O + 2HCN \rightarrow NCN$

  • Napotkano alternatywną metodę wykorzystującą katalizator miedzi, eliminując cyjanowodór.

Zastosowanie odpadowej celulozy w produkcji chemikaliów

• Proces Biofine - otrzymywanie kwasu lewulinowego z odpadowej celulozy przy użyciu kwasu siarkowego w wysokiej temperaturze (200-220°C).

  • Kwas lewulinowy jako surowiec dla kwasu 5-aminolewulinowego.

12 zasad zielonej inżynierii

• Zasada 1: Lepiej zapobiegać niż unieszkodliwiać - projektowanie strumieni materiałów i energii, aby były bezpieczne i nietoksyczne.

• Zasada 2: Raczej prewencja niż oczyszczanie - preferowanie zapobiegania powstawaniu odpadów.

• Zasada 3: Projektowanie pod kątem separacji - łatwa separacja produktów, unikając użycia toksycznych rozpuszczalników.

Efektywność procesu

• Zasada 4: Maksimum efektywności - projektowanie procesów i aparatury z maksymalnym wykorzystaniem masy i energii.

• Zasada 5: Zasada Le’Chateliera - przesunięcie równowagi reakcji w kierunku produktów.

Ochrona środowiska i trwałość produktów

• Zasada 6: Ochrona złożoności - tworzenie prostszych produktów do łatwej recyklingu.

• Zasada 7: Raczej trwałość niż „nieśmiertelność” - projektowanie produktów o przemyślanym czasie użytkowania.

CFC i ich wpływ na środowisko

• Zmiany stężenia CFC11 od 1977 r. - wpływ na warstwę ozonową.

• HCFC jako kompromis, chociaż ich GWP jest wysoki.

Minimalizacja odpadów

• Zasada 8: Projektowanie zgodnie z potrzebami, aby uniknąć nadprodukcji.

• Zasada 9: Minimalizacja różnorodności materiałów - unifikacja materiałów.

Zintegrowany przepływ materiałów i energii

• Zasada 10: Projektowanie procesów dla integracji z istniejącymi źródłami energii i materiałów.

Wykorzystanie po okresie użytkowania

• Zasada 11: Projektowanie w sposób, aby produkty mogły być wykorzystywane ponownie.

Surowce odnawialne

• Zasada 12: Preferowanie surowców odnawialnych w produkcji.

Wprowadzenie do technologii chemicznej organicznej

Rola chemii i technologii chemicznej jest kluczowa w dążeniu do osiągnięcia czystego środowiska, co jest głównym przedmiotem wykładu.

Efektywność masowa reakcji (Reaction Mass Efficiency - RME)

Efektywność masowa reakcji (RME) to wskaźnik używany do określenia, jaki procent masy odczynników pozostaje w końcowym produkcie. Oblicza się ją za pomocą wzoru: $RME = \frac{masa \; produktu \; C}{masa \; odczynnika \; A + masa \; odczynnika \; B} \times 100$.

Wydajność węglowa (Carbon Efficiency - CE)

Wydajność węglowa (CE) pozwala obliczyć procent węgla z użytych reagentów, który ostatecznie pozostaje w produkcie. Wzór na obliczenie CE to: $CE = \frac{Ilość \; węgla \; w \; produkcie}{Całkowita \; ilość \; węgla \; w \; odczynnikach} \times 100$.

Współczynnik oddziaływania środowiskowego rozpuszczalników i katalizatorów

Ten wskaźnik, oznaczony jako $f$, dotyczy wpływu rozpuszczalników i katalizatorów na środowisko. Jest on obliczany następująco: $f = \frac{\Sigma masa \; użytych \; rozpuszczalników \; i \; odczynników + masa \; katalizatorów}{Masa \; otrzymanego \; produktu}$.

Fosgen

Fosgen jest toksycznym i ważnym reagentem w syntezie wielu związków chemicznych, znanym również jako chlorowodorek węgla ($COCl_2$) lub carbonyl chloride. Był używany jako broń chemiczna podczas I wojny światowej. Obecnie znajduje zastosowanie głównie w produkcji poliwęglanów, na przykład do lamp samochodowych.

LD50 - dawka śmiertelna dla 50% populacji

LD50 to klasyfikacja działania toksycznego substancji chemicznej po podaniu dożołądkowym, określająca dawkę w mg/kg masy ciała, która powoduje śmierć 50% populacji testowej. Substancje są klasyfikowane następująco: bardzo toksyczne dla LD50 < 25 mg/kg, toksyczne dla 25 < LD50 < 200 mg/kg, szkodliwe dla 200 < LD50 < 2000 mg/kg, oraz nieklasyfikowane dla LD50 > 2000 mg/kg.

Alternatywna droga do otrzymywania poliuretanów - eliminacja fosgenu

Konwencjonalna droga otrzymywania poliuretanów często obejmuje użycie fosgenu, na przykład $CH<em>3ClOCl</em>2$. Jednakże, istnieje nowa, bezpieczniejsza droga prowadząca do diizocyjanianów, która wykorzystuje redukcję. Proces ten składa się z dwóch głównych etapów: nitracji, a następnie redukcji do $NH_2$. Produkcja poliuretanu następuje w reakcji $rNCO + HO-R'-OH \rightarrow OCN-RNCO$, gdzie przykładem diolu jest glikol etylenowy, eliminując potrzebę użycia toksycznego fosgenu.

Węglan dimetylu jako substytut fosgenu

Węglan dimetylu jest obiecującym substytutem fosgenu, którego źródłem mogą być metanol i $CO<em>2$ pochodzący z metanu. Wcześniej fosgen był stosowany do produkcji żywic poliwęglanowych. Proces syntezy węglanu dimetylu, prowadzący do produkcji poliwęglanów o masie cząsteczkowej 41 500, wykorzystuje katalizę PTC ($CH</em>3OH + CH<em>2Cl</em>2 \xrightarrow[50\%\; NaOH]{1 \; mol\%}$).

Przykłady substancji chemicznych

Wśród przykładów substancji chemicznych wymienić można Naproksen, który jest lekiem przeciwzapalnym, przeciwgorączkowym i przeciwbólowym, oraz Ketoprofen, będący niesteroidowym środkiem przeciwzapalnym.

Biosyntetyczna i petrochemiczna droga do katecholu

Istnieją dwie główne drogi otrzymywania katecholu. Droga biosyntetyczna wykorzystuje organizmy takie jak E. coli i odbywa się w warunkach wodnych w temperaturze 37°C. Alternatywnie, droga petrochemiczna polega na reakcji z substratem $CHO$ w wysokiej temperaturze 2600°C i pod ciśnieniem 40 atm.

Monsanto i eliminacja cyjanowodoru

Tradycyjny proces otrzymywania herbicydu glifosat z formaldehydu wiązał się z użyciem cyjanowodoru według reakcji $NH<em>3 + 2CH</em>2O + 2HCN \rightarrow NCN$. Firma Monsanto opracowała jednak alternatywną metodę, wykorzystującą katalizator miedzi, która eliminuje potrzebę stosowania niebezpiecznego cyjanowodoru.

Zastosowanie odpadowej celulozy w produkcji chemikaliów

Celuloza odpadowa może być wartościowym surowcem w produkcji chemikaliów. Proces Biofine pozwala na otrzymywanie kwasu lewulinowego z odpadowej celulozy poprzez użycie kwasu siarkowego w wysokiej temperaturze (200-220°C). Kwas lewulinowy ten może następnie służyć jako surowiec dla kwasu 5-aminolewulinowego.

12 zasad zielonej inżynierii

Zielona inżynieria opiera się na 12 zasadach mających na celu minimalizację negatywnego wpływu chemii na środowisko. Pierwsza zasada podkreśla, że lepiej jest zapobiegać powstawaniu odpadów niż je unieszkodliwiać, co wiąże się z projektowaniem strumieni materiałów i energii, tak aby były bezpieczne i nietoksyczne. Zasada numer 2 stanowi, że należy preferować prewencję zamiast oczyszczania, dążąc do zapobiegania powstawaniu odpadów u źródła. Zgodnie z zasadą 3, projektowanie powinno ułatwiać separację produktów, unikając przy tym toksycznych rozpuszczalników.

Efektywność procesu

Zasada 4 mówi o osiąganiu maksimum efektywności poprzez projektowanie procesów i aparatury z maksymalnym wykorzystaniem masy i energii. Zasada 5 odnosi się do zasady Le’Chateliera, postulując przesunięcie równowagi reakcji chemicznych w kierunku produktów, aby zwiększyć wydajność.

Ochrona środowiska i trwałość produktów

Zasada 6 dotyczy ochrony złożoności, sugerując tworzenie prostszych produktów, które są łatwiejsze do recyklingu. Natomiast zasada 7 wskazuje na projektowanie produktów z przemyślanym czasem użytkowania, promując trwałość zamiast nieśmiertelności.

Minimalizacja odpadów

Zasada 8 zaleca projektowanie zgodnie z rzeczywistymi potrzebami, aby unikać nadprodukcji, natomiast zasada 9 dotyczy minimalizacji różnorodności materiałów poprzez unifikację używanych komponentów.

Zintegrowany przepływ materiałów i energii

Zasada 10 podkreśla konieczność projektowania procesów w taki sposób, aby były zintegrowane z istniejącymi źródłami energii i materiałów, optymalizując ich wykorzystanie.

Wykorzystanie po okresie użytkowania

Zasada 11 skupia się na projektowaniu produktów w taki sposób, aby po zakończeniu ich użyteczności mogły być ponownie wykorzystane, wspierając cyrkularność.

Surowce odnawialne

Ostatnia, dwunasta zasada zielonej inżynierii preferuje wykorzystywanie surowców odnawialnych w procesach produkcyjnych, promując zrównoważony rozwój.

CFC i ich wpływ na środowisko

Od 1977 roku obserwuje się zmiany stężenia freonu CFC11, który miał znaczący negatywny wpływ na warstwę ozonową. W odpowiedzi na to, hydrochlorofluorowęglowodory (HCFC) zostały wprowadzone jako kompromis, choć ich potencjał globalnego ocieplenia (GWP) nadal pozostaje wysoki.