Roheline keemia: rakendused jätkusuutliku tuleviku jaoks

Roheline keemia, tuntud ka kui jätkusuutlik keemia, on keemiliste toodete ja protsesside disain, mis vähendab või välistab ohtlike ainete kasutamise või tekitamise. See ei ole lihtsalt lisandite kogum traditsioonilisele keemiale; pigem esindab see fundamentaalselt uut viisi keemia ja selle mõju mõistmiseks keskkonnale ja inimeste tervisele. Rohelise keemia põhimõtted juhivad innovatsiooni paljudes valdkondades, aidates kaasa jätkusuutlikumale ja keskkonnasäästlikumale tulevikule. See põhjalik juhend uurib rohelise keemia mitmekülgseid rakendusi, tuues esile selle olulisuse erinevates tööstusharudes ja selle potentsiaali globaalseks mõjuks.

Rohelise keemia 12 põhimõtet

Rohelise keemia aluseks on selle kaksteist põhimõtet, mis on keemikutele ja inseneridele teekaardiks säästvamate protsesside ja toodete kavandamisel. Need Paul Anastase ja John Warneri sõnastatud põhimõtted pakuvad raamistikku keskkonnamõju minimeerimiseks ja inimeste tervise edendamiseks.

• Vältimine: Jäätmeid on parem vältida kui neid pärast tekitamist töödelda või puhastada.
• Aatomi ökonoomia: Sünteetilised meetodid peaksid olema kavandatud nii, et maksimeerida kõigi protsessis kasutatud materjalide inkorporeerimist lõpp-produktis.
• Vähem ohtlikud keemilised sünteesid: Kui see on teostatav, tuleks sünteetilised meetodid kavandada nii, et kasutataks ja genereeritaks aineid, mis on inimeste tervisele ja keskkonnale vähe või üldse mitte toksilised.
• Ohutumate kemikaalide projekteerimine: Keemilised tooted tuleks kavandada nii, et need teostaksid oma soovitud funktsiooni, minimeerides samas nende toksilisust.
• Ohutumad lahustid ja abivahendid: Abistavate ainete (nt lahustid, eraldusained jne) kasutamine tuleks muuta tarbetuks, kui see on võimalik, ja kahjutuks, kui seda kasutatakse.
• Energiatõhususe disain: Keemiliste protsesside energiatarve tuleks ära tunda nende keskkonna- ja majandusliku mõju tõttu ning seda tuleks minimeerida. Võimaluse korral tuleks sünteetilisi meetodeid läbi viia ümbritseva temperatuuri ja rõhu juures.
• Taastuvate lähteainete kasutamine: Tooraine või lähteaine peaks olema taastuv, mitte ammenduv, kui see on tehniliselt ja majanduslikult teostatav.
• Derivaatide vähendamine: Tarbetut derivatiseerimist (blokeerimisrühmade kasutamine, kaitse/eemaldamine, füüsikaliste/keemiliste protsesside ajutine modifitseerimine) tuleks minimeerida või vältida, kuna sellised etapid nõuavad täiendavaid reagente ja võivad tekitada jäätmeid.
• Katalüüs: Katalüütilised reaktiivid (võimalikult selektiivsed) on stöhhiomeetrilistest reaktiividest paremad.
• Lagunemise disain: Keemilised tooted tuleks projekteerida nii, et nende funktsiooni lõpus laguneksid need kahjututeks lagunemisproduktideks ja ei püsiks keskkonnas.
• Reaalajas analüüs saaste vältimiseks: Analüütilisi metoodikaid on vaja edasi arendada, et võimaldada reaalajas, protsessisisese seire ja kontrolli enne ohtlike ainete moodustumist.
• Ohutum keemia õnnetuste vältimiseks: Keemilises protsessis kasutatavad ained ja aine vorm tuleks valida nii, et minimeerida keemiliste õnnetuste potentsiaali, sealhulgas eraldumist, plahvatusi ja tulekahjusid.

Rakendused erinevates tööstusharudes

Rohelise keemia põhimõtteid rakendatakse paljudes tööstusharudes, muutes traditsioonilisi protsesse ja luues säästvamaid alternatiive. Siin on mõned peamised näited:

Farmaatsia

Farmaatsiatööstus võtab üha enam kasutusele rohelise keemia põhimõtteid, et vähendada jäätmeid, parandada protsesside efektiivsust ja arendada ohutumaid ravimeid. Traditsiooniline farmaatsiatoodang hõlmab sageli keerulisi mitmeetapilisi sünteese, mis tekitavad olulises koguses jäätmeid, sealhulgas lahusteid, reagente ja kõrvalsaadusi. Roheline keemia pakub lahendusi selle jäätmete minimeerimiseks ja ravimite tootmise üldise jätkusuutlikkuse parandamiseks.

• Katalüüs ravimite sünteesis: Katalüüs mängib rohelises farmatseutilises sünteesis olulist rolli. Katalüütilised reaktsioonid võivad vähendada vajaminevate reagentide hulka, minimeerida jäätmete teket ja sageli võimaldada leebemaid reaktsioonitingimusi. Näiteks biokatalüsaatorite (ensüümide) kasutamine teatud ravimite sünteesis võib asendada karme keemilisi reaktiive ja vähendada toksiliste kõrvalsaaduste moodustumist. Näited hõlmavad statiinide (kolesterooli alandavad ravimid) ensümaatilist sünteesi ja ensüümide kasutamist kiraalsete vaheühendite lahutamisel, mis viib tõhusamate ja selektiivsemate protsessideni.
• Lahusti valik: Traditsiooniline farmaatsiatoodang tugineb suuresti orgaanilistele lahustitele, millest paljud on lenduvad, toksilised ja keskkonnale kahjulikud. Roheline keemia edendab ohutumate lahustite, nagu vesi, ülikriitiline süsinikdioksiid (scCO2) ja ioonvedelikud, kasutamist. Need lahustid on vähem toksilised, avaldavad väiksemat keskkonnamõju ja võivad sageli parandada reaktsioonisaagiseid ja selektiivsust.
• Voolukeemia: Voolukeemia, tuntud ka kui pidevvoolu süntees, hõlmab keemiliste reaktsioonide läbiviimist pidevalt voolavas voos, mitte partii reaktorites. See lähenemine pakub mitmeid eeliseid, sealhulgas parem soojusülekanne, parem reaktsiooniparameetrite kontroll ja vähendatud jäätmete teke. Voolukeemia on eriti kasulik keerukate mitmeetapiliste sünteeside jaoks, kuna see võimaldab mitme reaktsioonietapi tõhusat integreerimist ja minimeerib vahepealsete puhastusetappide vajadust.
• Aatomi ökonoomia: Sünteetiliste marsruutide projekteerimine suure aatomi ökonoomiaga on rohelise keemia põhimõte farmaatsiatööstuses. Maksimeerides lähteainete inkorporeerimist lõpp-produktisse, saab jäätmete teket oluliselt vähendada. See hõlmab sageli vähemate kaitserühmade kasutamist, kaskaadreaktsioonide kasutamist (kus mitu transformatsiooni toimuvad ühes etapis) ja reaktsioonide projekteerimist, mis tekitavad minimaalselt kõrvalsaadusi.
• Näited:
  • Mercki Januvia (sitagliptiini) süntees: Merck töötas välja rohelise sünteesi Januvia, 2. tüüpi diabeedi raviks kasutatava ravimi jaoks. Uus süntees vähendas jäätmete teket ligikaudu 75% ja välistas toksilise reagendi kasutamise.
  • Pfizeri sertraliini süntees: Pfizer arendas välja säästvama sertraliini (Zoloft), antidepressant, sünteesi, kasutades biokatalüütilist protsessi, mis vähendas jäätmeid ja parandas protsessi efektiivsust.

Põllumajandus

Rohelise keemia põhimõtted muudavad põllumajandustavasid, viies ohutumate ja säästvamate pestitsiidide, väetiste ja taimekaitse strateegiate väljatöötamiseni. Traditsioonilised põllumajandustavad tuginevad sageli sünteetilistele kemikaalidele, mis võivad avaldada kahjulikku mõju keskkonnale, inimeste tervisele ja bioloogilisele mitmekesisusele. Roheline keemia pakub uuenduslikke lahendusi nende riskide minimeerimiseks ja säästva põllumajanduse edendamiseks.

• Ohutumad pestitsiidid: Roheline keemia viib vähem toksiliste, rohkem biolagunevate ja oma toimes selektiivsemate pestitsiidide väljatöötamiseni. Need pestitsiidid sihivad spetsiifilisi kahjureid, minimeerides samas kahju kasulikele putukatele, elusloodusele ja inimeste tervisele. Näideteks on pestitsiidid, mis on saadud looduslikest allikatest, nagu taimeekstraktid ja mikroobide metaboliidid, millel on sageli madalam toksilisus ja mis on kergemini biolagunevad.
• Täppispõllumajandus: Täppispõllumajandus hõlmab täiustatud tehnoloogiate, nagu GPS, kaugseire ja andmeanalüütika, kasutamist ressursside, nagu vesi, väetised ja pestitsiidid, kasutamise optimeerimiseks. Rakendades neid ressursse ainult seal ja siis, kui neid vaja on, minimeerib täppispõllumajandus jäätmeid, vähendab keskkonnamõju ja parandab saagikust.
• Biofetiidid: Biofetiidid on looduslikud ained, mis sisaldavad mikroorganisme, mis suurendavad taimede kasvu, parandades toitainete kättesaadavust ja soodustades juurte arengut. Need mikroorganismid võivad fikseerida atmosfääri lämmastikku, lahustada fosforit ja toota taimede kasvu soodustavaid hormoone. Biofetiidid on säästvad alternatiivid sünteetilistele väetistele, mis võivad aidata kaasa veereostusele ja kasvuhoonegaaside heitkogustele.
• Biopestitsiidid: Biopestitsiidid on pestitsiidid, mis on saadud looduslikest allikatest, nagu bakterid, seened, viirused ja taimed. Need pakuvad mitmeid eeliseid võrreldes sünteetiliste pestitsiididega, sealhulgas madalam toksilisus, suurem biolagunevus ja vähenenud vastupanuvõime oht kahjurite puhul. Näideteks on Bacillus thuringiensis (Bt) toksiinid, mida kasutatakse laialdaselt kahjurite tõrjeks põllumajanduses.
• Näited:
  • Ohutumate herbitsiidide arendamine: Ettevõtted arendavad herbitsiide, mis põhinevad looduslikult esinevatel ühenditel või millel on madalam toksilisuse profiil võrreldes traditsiooniliste herbitsiididega.
  • Bioloogiliste tõrjevahendite kasutamine: Kasulike putukate ja mikroorganismide kasutamine kahjurite tõrjeks on põllumajanduses kasvav trend, mis vähendab sünteetiliste pestitsiidide vajadust.

Materjaliteadus

Roheline keemia teeb materjaliteaduses revolutsiooni, edendades säästvate materjalide disaini ja arendamist, mis on vähem toksilised, vastupidavamad ja taaskasutatavamad. Traditsiooniline materjaliteadus hõlmab sageli ohtlike kemikaalide ja energiaintensiivsete protsesside kasutamist. Roheline keemia pakub uuenduslikke lahendusi nende keskkonna- ja terviseriskide minimeerimiseks ning säästvamate materjalide loomiseks.

• Bioplastid: Bioplastid on plastid, mis on saadud taastuvatest ressurssidest, nagu maisitärklis, suhkruroog ja tselluloos. Need pakuvad säästvat alternatiivi traditsioonilistele naftapõhistele plastidele, mis ei ole biolagunevad ja aitavad kaasa plastireostusele. Bioplastid võivad olla biolagunevad või kompostitavad, vähendades nende keskkonnamõju nende elutsükli lõpus.
• Rohelised komposiidid: Rohelised komposiidid on materjalid, mis koosnevad looduslikest kiududest (nt kanep, lina, džuut) ja bio-põhistest vaikudest. Need pakuvad säästvat alternatiivi traditsioonilistele komposiitidele, mis on sageli valmistatud sünteetilistest kiududest ja naftapõhistest vaikudest. Rohelistel komposiitidel on väiksem keskkonnamõju, need on rohkem biolagunevad ja neid saab kasutada mitmesugustes rakendustes, nagu autovaruosad, ehitusmaterjalid ja pakendid.
• Jätkusuutlikud pinnakatted: Roheline keemia viib jätkusuutlike pinnakatete väljatöötamiseni, mis on vähem toksilised, vastupidavamad ja keskkonnasõbralikumad. Traditsioonilised pinnakatted sisaldavad sageli lenduvaid orgaanilisi ühendeid (LOÜ), mis võivad aidata kaasa õhusaastele ja kujutada endast terviseriske. Rohelised pinnakatted põhinevad veepõhistel või bio-põhistel koostistel ja sisaldavad minimaalselt või üldse mitte LOÜ-sid.
• Taaskasutus ja korduvkasutus: Rohelise keemia põhimõtted edendavad kergesti taaskasutatavate ja korduvkasutatavate materjalide disaini. See hõlmab materjalide kasutamist, mida saab kergesti eraldada ja töödelda, toodete projekteerimist, mida saab lahti võtta ja ümber paigutada, ning suletud ahelaga süsteemide arendamist, mis minimeerivad jäätmete teket.
• Näited:
  • Bio-põhiste polümeeride arendamine: Teadlased arendavad uusi polümeere, mis on saadud taastuvatest ressurssidest ja mis võivad asendada traditsioonilisi plaste erinevates rakendustes.
  • Taaskasutatud materjalide kasutamine: Ettevõtted lisavad oma toodetesse taaskasutatud materjale, vähendades vajadust uute ressursside järele ja minimeerides jäätmeid.

Energia

Roheline keemia mängib otsustavat rolli säästvate energiatehnoloogiate, sealhulgas päikeseenergia, biokütuste ja energiasalvestuse arendamisel. Traditsioonilised energiatootmismeetodid tuginevad sageli fossiilkütustele, mis aitavad kaasa kliimamuutustele, õhusaastele ja ressursside ammendumisele. Roheline keemia pakub uuenduslikke lahendusi puhtamate ja säästvamate energiaallikate arendamiseks.

• Päikeseenergia: Roheline keemia aitab kaasa tõhusamate ja kuluefektiivsemate päikesepatareide arendamisele. See hõlmab vähem toksiliste ja rohkem külluslike materjalide kasutamist, valguse püüdmise ja muundamise efektiivsuse parandamist ning vastupidavamate ja taaskasutatavamate päikesepatareide projekteerimist.
• Biokütused: Biokütused on kütused, mis on saadud taastuvast biomassist, nagu põllukultuurid, vetikad ja jäätmematerjalid. Need pakuvad säästvat alternatiivi fossiilkütustele, vähendades kasvuhoonegaaside heitkoguseid ja edendades energia iseseisvust. Roheline keemia mängib võtmerolli tõhusamate ja säästvamate biokütuste tootmismeetodite väljatöötamisel, nagu biomassi ensümaatiline hüdrolüüs ja suhkrute katalüütiline muundamine kütusteks.
• Energiasalvestus: Roheline keemia aitab kaasa täiustatud energiasalvestustehnoloogiate, nagu akud ja kütuseelemendid, arendamisele. See hõlmab vähem toksiliste ja rohkem külluslike materjalide kasutamist, akude energiatiheduse ja tsükli kestvuse parandamist ning tõhusamate ja vastupidavamate kütuseelementide projekteerimist.
• Katalüüs energiatootmiseks: Katalüüs mängib olulist rolli paljudes energiaga seotud protsessides, nagu vesiniku tootmine veest ja biomassi muundamine kütusteks. Roheline keemia keskendub tõhusamate ja säästvamate katalüsaatorite arendamisele, mis suudavad töötada leebematel tingimustel ja kasutada vähem energiat.
• Näited:
  • Järgmise põlvkonna päikesepatareide arendamine: Teadlased töötavad uut tüüpi päikesepatareidega, mis põhinevad orgaanilistel materjalidel või perovskiidi struktuuridel, mis võivad olla tõhusamad ja kuluefektiivsemad kui traditsioonilised räni päikesepatareid.
  • Biokütuste tootmine jäätmematerjalidest: Ettevõtted arendavad tehnoloogiaid jäätmematerjalide, nagu põllumajandusjäätmed ja olmeprügi, muundamiseks biokütusteks.

Muud rakendused

Lisaks ülaltoodud tööstusharudele leiab roheline keemia rakendusi paljudes muudes valdkondades, sealhulgas:

• Kosmeetika: Ohutumate ja säästvamate koostisosade arendamine isikliku hügieeni toodete jaoks.
• Puhastusvahendid: Puhastusvahendite koostamine biolagunevate ja mittetoksiliste koostisosadega.
• Tekstiil: Jätkusuutlike värvide ja viimistlusprotsesside arendamine tekstiilitööstuse jaoks.
• Elektroonika: Ohtlike materjalide kasutamise vähendamine elektroonikaseadmete tootmisel.

Väljakutsed ja võimalused

Kuigi roheline keemia pakub olulist potentsiaali säästvama tuleviku loomiseks, on selle laialdase kasutuselevõtuga seotud ka väljakutseid. Nende väljakutsete hulka kuuluvad:

• Maksumus: Rohelise keemia protsessid võivad mõnikord olla kallimad kui traditsioonilised protsessid, kuigi seda kompenseerivad sageli vähenenud jäätmekäituse kulud ja parem protsessi efektiivsus pikas perspektiivis.
• Toimivus: Rohelise keemia tooted ei pruugi alati toimida sama hästi kui traditsioonilised tooted, mis nõuab täiendavat teadus- ja arendustegevust nende toimivuse parandamiseks.
• Teadlikkus: Keemikute, inseneride ja laiemalt avalikkuse seas on vaja suuremat teadlikkust ja haridust rohelise keemia põhimõtetest ja nende eelistest.
• Regulatsioon: On vaja selgeid ja järjepidevaid regulatsioone, et edendada rohelise keemia tavade kasutuselevõttu ja stimuleerida ohutumate kemikaalide arendamist.

Vaatamata nendele väljakutsetele on rohelise keemia võimalused tohutud. Võttes omaks rohelise keemia põhimõtted, saavad tööstusharud vähendada oma keskkonnamõju, parandada oma majanduslikku tulemuslikkust ja luua säästvamat tulevikku kõigile.

Järeldus

Roheline keemia on keemia transformatiivne lähenemine, mis pakub teed säästvamale ja keskkonnavastutustundlikumale tulevikule. Kujundades keemilisi tooteid ja protsesse, mis minimeerivad või välistavad ohtlike ainete kasutamist, saab roheline keemia vähendada saastet, kaitsta inimeste tervist ja säästa ressursse. Kuna tööstusharud tunnistavad üha enam rohelise keemia eeliseid, laienevad selle rakendused paljudes sektorites, ajendades innovatsiooni ja luues uusi võimalusi tervema planeedi jaoks. Rohelise keemia põhimõtete omaksvõtmine ei ole mitte ainult eetikast tulenev kohustus, vaid ka strateegiline eelis ettevõtetele, kes soovivad kiiresti muutuvas maailmas areneda. Teekond tõeliselt jätkusuutliku tuleviku poole sõltub suuresti rohelise keemia lahenduste pidevast arendamisest ja rakendamisest.