Roheline keemia: keskkonnaohutute keemiliste protsesside kavandamine

Roheline keemia, tuntud ka kui säästev keemia, on keemiatoodete ja -protsesside kavandamine, mis vähendavad või kõrvaldavad ohtlike ainete kasutamise või tekitamise. See ennetav lähenemine saaste vältimisele püüab minimeerida keemiatööstuse ja -kasutuse keskkonnamõju, edendades meie planeedi säästvamat tulevikku. Erinevalt traditsioonilisest keemiast, mis keskendub sageli keemiliste reaktsioonide tõhususele ja kuluefektiivsusele, arvestamata täielikult nende keskkonnamõjusid, seab roheline keemia esikohale keemiliste protsesside ohutuse ja jätkusuutlikkuse juba algusest peale.

Rohelise keemia 12 põhimõtet

Rohelise keemia aluseks on selle 12 põhimõtet, mis on keemikutele ja inseneridele suuniseks keskkonnasõbralikumate protsesside ja toodete kavandamisel. Need Paul Anastase ja John Warneri poolt välja töötatud põhimõtted pakuvad terviklikku raamistikku jätkusuutlikkuse saavutamiseks keemiatööstuses:

Ennetamine: Parem on jäätmeid ennetada kui neid pärast tekkimist töödelda või puhastada.
Aatomökonoomia: Sünteetilised meetodid tuleks kavandada nii, et maksimeerida kõigi protsessis kasutatud materjalide lisamist lõpptootesse. See põhimõte keskendub keemiliste reaktsioonide efektiivsuse maksimeerimisele, minimeerides tekkivate jäätmete hulka.
Vähem ohtlikud keemilised sünteesid: Võimaluse korral tuleks sünteetilised meetodid kavandada nii, et need kasutaksid ja tekitaksid aineid, millel on vähe või puudub toksilisus inimeste tervisele ja keskkonnale.
Ohutumate kemikaalide kavandamine: Keemiatooted tuleks kavandada nii, et need täidaksid oma soovitud funktsiooni, minimeerides samal ajal nende toksilisust. See nõuab erinevate keemiliste struktuuridega seotud potentsiaalsete ohtude mõistmist ja ohutumate alternatiivide valimist.
Ohutumad lahustid ja abiained: Abiainete (nt lahustid, eraldusained jne) kasutamine tuleks muuta tarbetuks, kus iganes see on võimalik, ja kahjutuks, kui seda kasutatakse. Paljud traditsioonilised lahustid on lenduvad orgaanilised ühendid (LOÜ), mis aitavad kaasa õhusaastele ja kujutavad endast terviseriske.
Energiatõhususe kavandamine: Keemiliste protsesside energiavajadust tuleks tunnustada nende keskkonna- ja majandusliku mõju poolest ning seda tuleks minimeerida. Võimaluse korral tuleks sünteetilised meetodid läbi viia ümbritseva keskkonna temperatuuril ja rõhul.
Taastuvate toorainete kasutamine: Tooraine või lähteaine peaks olema taastuv, mitte ammenduv, kui see on tehniliselt ja majanduslikult teostatav. See hõlmab biomassi, põllumajandusjäätmete ja muude säästvate allikate kasutamist.
Tuletiste vähendamine: Tarbetut derivatiseerimist (blokeerivate rühmade kasutamine, kaitsmine/deprotekteerimine, füüsikaliste/keemiliste protsesside ajutine muutmine) tuleks minimeerida või vältida, kuna sellised sammud nõuavad täiendavaid reaktiive ja võivad tekitada jäätmeid.
Katalüüs: Katalüütilised reaktiivid (võimalikult selektiivsed) on paremad kui stöhhiomeetrilised reaktiivid. Katalüsaatorid võivad hõlbustada keemilisi reaktsioone, ilma et neid endid ära tarbitaks, vähendades tekkivate jäätmete hulka.
Lagunemiseks kavandamine: Keemiatooted tuleks kavandada nii, et oma funktsiooni lõppedes laguneksid nad kahjututeks laguproduktideks ega püsiks keskkonnas. See põhimõte keskendub biolagunevate polümeeride ja muude materjalide kavandamisele, mida saab ohutult kõrvaldada.
Reaalajas analüüs saaste vältimiseks: Analüütilisi meetodeid tuleb edasi arendada, et võimaldada reaalajas protsessisisest seiret ja kontrolli enne ohtlike ainete tekkimist.
Olemuslikult ohutum keemia õnnetuste ennetamiseks: Keemilises protsessis kasutatavad ained ja aine vorm tuleks valida nii, et minimeerida keemiaõnnetuste, sealhulgas lekete, plahvatuste ja tulekahjude potentsiaali.

Rohelise keemia peamised fookusvaldkonnad

Roheline keemia hõlmab mitmeid peamisi fookusvaldkondi, mille eesmärk on vähendada keemiliste protsesside keskkonnajalajälge:

1. Aatomökonoomia

Aatomökonoomia mõõdab keemilise reaktsiooni tõhusust, arvutades reaktiivi aatomite protsendi, mis on lisatud soovitud tootesse. Kõrge aatomökonoomiaga reaktsioonid tekitavad minimaalselt jäätmeid, muutes need säästvamaks. Näiteks Dielsi-Alderi reaktsioon on suurepärase aatomökonoomiaga reaktsiooni näide, kuna kõik reaktiivide aatomid lisatakse tootesse.

2. Ohutumad lahustid ja abiained

Traditsioonilised orgaanilised lahustid, nagu benseen, kloroform ja diklorometaan, on sageli mürgised, lenduvad ja tuleohtlikud. Roheline keemia soodustab ohutumate alternatiivide, nagu vesi, superkriitiline süsinikdioksiid ja ioonsed vedelikud, kasutamist. Nendel lahustitel on madalam toksilisus, nad on vähem lenduvad ja neid saab sageli ringlusse võtta. Näiteks vee kasutamine lahustina paljudes keemilistes reaktsioonides võib oluliselt vähendada keskkonnamõju võrreldes traditsiooniliste orgaaniliste lahustite kasutamisega.

3. Katalüüs

Katalüsaatorid on ained, mis kiirendavad keemilisi reaktsioone, ilma et neid endid ära tarbitaks. Katalüsaatorite kasutamine võib vähendada reaktsiooniks vajalike reaktiivide hulka, minimeerida jäätmete teket ja alandada energiatarbimist. Biokatalüüs, mis kasutab ensüüme katalüsaatoritena, on eriti paljulubav rohelise keemia valdkond. Biokatalüütiliste reaktsioonide näideteks on biokütuste tootmine biomassist ja ravimite süntees ensümaatiliste transformatsioonide abil.

4. Taastuvad toorained

Traditsioonilised keemilised protsessid tuginevad sageli naftapõhistele toorainetele, mis on piiratud ressursid. Roheline keemia soodustab taastuvate toorainete, nagu biomass, põllumajandusjäätmed ja süsinikdioksiid, kasutamist. Taastuvate toorainete kasutamine vähendab meie sõltuvust fossiilkütustest ja edendab säästvamat keemiatööstust. Näiteks maisitärklise kasutamine biolagunevate plastide tootmiseks või põllumajandusjäätmete muutmine biokütusteks on taastuvate toorainete kasutamise näited.

5. Ohutumate kemikaalide kavandamine

Roheline keemia hõlmab keemiatoodete kavandamist, mis on olemuslikult ohutumad ja vähem mürgised kui nende traditsioonilised vasted. See nõuab põhjalikku arusaamist kemikaalide struktuuri ja aktiivsuse vahelistest seostest ning erinevate keemiliste funktsionaalsustega seotud potentsiaalsetest ohtudest. Ohutumate kemikaalide kavandamisega saame vähendada ohtlike ainetega kokkupuute riski ja minimeerida nende mõju inimeste tervisele ja keskkonnale. Näiteks oleks uute pestitsiidide väljatöötamine, mis on tõhusad kahjurite tõrjumisel, kuid on vähem mürgised mittesihtorganismidele ja inimestele.

6. Energiatõhusus

Paljud keemilised protsessid nõuavad märkimisväärses koguses energiat, sageli soojuse või rõhu kujul. Rohelise keemia eesmärk on minimeerida energiatarbimist, optimeerides reaktsioonitingimusi, kasutades katalüsaatoreid ja arendades uusi tehnoloogiaid, mis töötavad ümbritseva keskkonna temperatuuril ja rõhul. Energiatarbimise vähendamine ei alanda mitte ainult kulusid, vaid vähendab ka kasvuhoonegaaside heitkoguseid. Näiteks mikrolaineahjuga süntees võib oluliselt lühendada reaktsiooniaegu ja energiatarbimist võrreldes traditsiooniliste kuumutusmeetoditega.

Rohelise keemia näited praktikas

Roheline keemia ei ole lihtsalt teoreetiline kontseptsioon; seda rakendatakse laias valikus tööstusharudes üle maailma:

1. Ravimid

Farmaatsiatööstus on võtnud omaks rohelise keemia põhimõtted, et arendada säästvamaid ravimitootmisprotsesse. Näiteks töötasid Merck ja Codexis välja rohelise sünteesi sitagliptiinile, ravimile, mida kasutatakse 2. tüüpi diabeedi raviks. See uus protsess vähendas oluliselt jäätmeid, parandas saagist ja kõrvaldas vajaduse mürgise metallkatalüsaatori järele. See uuendus mitte ainult ei vähendanud keskkonnamõju, vaid alandas ka tootmiskulusid.

2. Põllumajandus

Rohelist keemiat kasutatakse ohutumate ja tõhusamate pestitsiidide ja herbitsiidide väljatöötamiseks. Näiteks asendavad looduslikest allikatest, nagu taimeekstraktid ja mikroorganismid, saadud biopõhised pestitsiidid sünteetilisi pestitsiide, mis võivad olla kahjulikud inimeste tervisele ja keskkonnale. Lisaks võivad täppispõllumajanduse tehnikad, mis kasutavad andureid ja andmeanalüütikat väetiste ja pestitsiidide kasutamise optimeerimiseks, vähendada põllumajanduses kasutatavate kemikaalide hulka.

3. Tarbekaubad

Paljud tarbekaupade ettevõtted lisavad rohelise keemia põhimõtteid oma toodete kavandamisse ja tootmisse. Näiteks muutuvad üha populaarsemaks taimepõhistest koostisosadest valmistatud biolagunevad puhastusvahendid. Need tooted on vähem mürgised, säästvamad ja võivad keskkonnas looduslikult laguneda. Ettevõtted kasutavad ka ohutumaid lahusteid ja pakkematerjale, et vähendada oma toodete keskkonnamõju.

4. Tootmine

Tootmissektor võtab rohelise keemia kasutusele, et vähendada jäätmeid, säästa energiat ja minimeerida reostust. Näiteks asendab superkriitilise süsinikdioksiidi kasutamine lahustina tööstuslikus puhastuses ja ekstraheerimisprotsessides traditsioonilisi orgaanilisi lahusteid. Superkriitiline süsinikdioksiid on mittetoksiline, mittesüttiv ja seda saab kergesti ringlusse võtta. Lisaks rakendavad ettevõtted suletud ahelaga tootmisprotsesse, kus jäätmematerjalid võetakse ringlusse ja taaskasutatakse, minimeerides vajaduse esmaste toorainete järele.

5. Energeetika

Roheline keemia mängib olulist rolli säästvate energiatehnoloogiate arendamisel. Näiteks keskenduvad uuringud uute akumaterjalide ja kütuseelementide tehnoloogiate kohta maapõues leiduvate ja mittetoksiliste materjalide kasutamisele. Lisaks kasutatakse rohelist keemiat tõhusamate meetodite väljatöötamiseks biokütuste tootmiseks biomassist. Nende jõupingutuste eesmärk on vähendada meie sõltuvust fossiilkütustest ning arendada puhtamaid ja säästvamaid energiaallikaid.

Rohelise keemia eelised

Rohelise keemia põhimõtete kasutuselevõtt pakub arvukalt eeliseid, sealhulgas:

Vähenenud reostus: Roheline keemia minimeerib ohtlike ainete kasutamist ja teket, vähendades õhu-, vee- ja pinnasereostust.
Jäätmete vähendamine: Aatomökonoomia maksimeerimise ja katalüsaatorite kasutamise kaudu minimeerib roheline keemia jäätmete teket.
Ohutumad tooted: Roheline keemia edendab ohutumate kemikaalide ja toodete kavandamist, mis on inimeste tervisele ja keskkonnale vähem mürgised.
Energiatõhusus: Rohelise keemia eesmärk on vähendada energiatarbimist, optimeerides reaktsioonitingimusi ja kasutades katalüsaatoreid.
Kulude kokkuhoid: Jäätmete, energiatarbimise ja ohtlike materjalide kasutamise vähendamisega võib roheline keemia kaasa tuua märkimisväärse kulude kokkuhoiu.
Innovatsioon: Roheline keemia soodustab innovatsiooni keemiatööstuses, viies uute tehnoloogiate ja toodete väljatöötamiseni.
Säästev areng: Roheline keemia aitab kaasa säästvale arengule, edendades keskkonnakaitset, majanduskasvu ja sotsiaalset võrdsust.

Väljakutsed ja võimalused

Kuigi roheline keemia pakub märkimisväärseid eeliseid, on selle laialdaseks kasutuselevõtuks ka väljakutseid:

Teadlikkuse puudumine: Paljud keemikud ja insenerid ei ole rohelise keemia põhimõtetest ja eelistest täielikult teadlikud.
Kulu: Rohelise keemia tehnoloogiate rakendamise esialgne kulu võib olla suurem kui traditsioonilistel meetoditel.
Toimivus: Mõned rohelise keemia alternatiivid ei pruugi toimida nii hästi kui traditsioonilised kemikaalid.
Regulatsioonid: Rohelise keemia kasutuselevõtu soodustamiseks on vaja selgeid ja järjepidevaid regulatsioone.

Nendest väljakutsetest hoolimata on rohelise keemia kasvuks ka märkimisväärseid võimalusi:

Kasvav nõudlus säästvate toodete järele: Tarbijad nõuavad üha enam säästvaid tooteid, luues turu rohelise keemia uuendustele.
Valitsuse toetus: Valitsused üle maailma pakuvad rahastust ja stiimuleid rohelise keemia teadus- ja arendustegevuseks.
Tehnoloogilised edusammud: Edusammud katalüüsis, biotehnoloogias ja materjaliteaduses juhivad uute rohelise keemia tehnoloogiate arengut.
Koostöö: Tööstuse, akadeemiliste ringkondade ja valitsuse vaheline koostöö on rohelise keemia kasutuselevõtu kiirendamiseks hädavajalik.

Rohelise keemia tulevik

Roheline keemia on valmis mängima üha olulisemat rolli globaalsete keskkonnaprobleemide lahendamisel. Kuna maailm seisab silmitsi selliste probleemidega nagu kliimamuutused, reostus ja ressursside ammendumine, muutub vajadus säästvate keemiliste protsesside järele üha pakilisemaks. Tulevased suundumused rohelises keemias hõlmavad:

Taastuvate toorainete suurenenud kasutamine: Fossiilkütuste varude kahanedes muutub biomassi, põllumajandusjäätmete ja süsinikdioksiidi kasutamine toorainena levinumaks.
Uute katalüsaatorite arendamine: Uute, tõhusamate, selektiivsemate ja keskkonnasõbralikumate katalüsaatorite uurimine on jätkuvalt peamine fookus.
Biolagunevate polümeeride kavandamine: Biolagunevate polümeeride arendamine, mis suudavad asendada traditsioonilisi plaste, aitab vähendada plastireostust.
Nanotehnoloogia kasutamine: Nanotehnoloogia pakub uusi võimalusi tõhusamate ja säästvamate keemiliste protsesside kavandamiseks.
Rohelise keemia integreerimine haridusse: Rohelise keemia põhimõtete lisamine keemiaharidusse kõikidel tasanditel aitab koolitada järgmise põlvkonna keemikuid ja insenere säästvate keemiliste protsesside kavandamiseks.

Globaalsed algatused ja koostöö

Arvukad globaalsed algatused ja koostööd edendavad rohelise keemia kasutuselevõttu kogu maailmas. Organisatsioonid nagu ÜRO Keskkonnaprogramm (UNEP), Majanduskoostöö ja Arengu Organisatsioon (OECD) ning Rahvusvaheline Puhta ja Rakenduskeemia Liit (IUPAC) on aktiivselt kaasatud rohelise keemia teadusuuringute, hariduse ja poliitika arendamise edendamisse.

Näiteks edendab UNEPi säästva keemia algatus säästva keemia tavade kasutuselevõttu arengumaades. OECD töö säästva keemia alal keskendub vahendite ja metoodikate väljatöötamisele kemikaalide keskkonna- ja tervisemõjude hindamiseks. IUPACi rohelise keemia komitee edendab rohelise keemia haridust ja teadusuuringuid kogu maailmas.

Need globaalsed algatused koos tööstuse, akadeemiliste ringkondade ja valitsuse vahelise koostööga on hädavajalikud ülemineku kiirendamiseks säästvamale keemiatööstusele.

Kokkuvõte

Roheline keemia on võimas lähenemine keskkonnaohutute ja säästvate keemiliste protsesside kavandamiseks. Järgides rohelise keemia 12 põhimõtet, saavad keemikud ja insenerid minimeerida keemiatööstuse ja -kasutuse keskkonnamõju, edendades meie planeedi säästvamat tulevikku. Kuigi väljakutsed püsivad, on rohelise keemia eelised selged ja selle laialdane kasutuselevõtt on hädavajalik globaalsete keskkonnaprobleemide lahendamiseks ja säästvama maailma loomiseks.

Üleminek rohelisele keemiale nõuab koostööd tööstuse, akadeemiliste ringkondade, valitsuse ja avalikkuse poolt. Investeerides rohelise keemia teadusuuringutesse, edendades rohelise keemia haridust ja rakendades toetavaid poliitikaid, saame kiirendada rohelise keemia kasutuselevõttu ja luua puhtama, tervema ja säästvama tuleviku kõigile.

Rohelise keemia omaksvõtmine ei ole ainult keskkonnaalane kohustus; see on ka majanduslik võimalus. Uute rohelise keemia tehnoloogiate ja toodete arendamisega saame luua uusi töökohti, stimuleerida innovatsiooni ja suurendada meie tööstusharude konkurentsivõimet. Roheline keemia on kõigile kasulik lahendus, millest võidavad nii keskkond kui ka majandus.