Žalioji chemija: pritaikymai tvarios ateities kūrimui

Žalioji chemija, dar žinoma kaip tvari chemija, yra cheminių produktų ir procesų kūrimas, kuris sumažina arba pašalina pavojingų medžiagų naudojimą ar generavimą. Tai nėra tik papildymai tradicinei chemijai; veikiau tai iš esmės naujas mąstymo būdas apie chemiją ir jos poveikį aplinkai bei žmogaus sveikatai. Žaliosios chemijos principai vadovauja inovacijoms daugelyje sričių, prisidėdami prie tvaresnės ir ekologiškai atsakingesnės ateities. Šis išsamus vadovas nagrinėja įvairius žaliosios chemijos pritaikymus, pabrėždamas jos reikšmę įvairiose pramonės šakose ir jos potencialą pasauliniam poveikiui.

12 žaliosios chemijos principų

Žaliosios chemijos pagrindas yra jos dvylika principų, kurie tarnauja kaip gairės chemikams ir inžinieriams, projektuojant tvaresnius procesus ir produktus. Šie principai, suformuluoti Paul Anastas ir John Warner, suteikia pagrindą, siekiant sumažinti poveikį aplinkai ir skatinti žmonių sveikatą.

• Prevencija: Geriau užkirsti kelią atliekoms, nei jas apdoroti ar valyti po jų susidarymo.
• Atomų ekonomija: Sintetiniai metodai turėtų būti kuriami taip, kad maksimaliai įtrauktų visas procese naudojamas medžiagas į galutinį produktą.
• Mažiau pavojingos cheminės sintezės: Kai įmanoma, sintetiniai metodai turėtų būti kuriami taip, kad būtų naudojamos ir generuojamos medžiagos, pasižyminčios maža arba jokia toksikacija žmonių sveikatai ir aplinkai.
• Saugesnių cheminių medžiagų kūrimas: Cheminiai produktai turėtų būti kuriami taip, kad atliktų norimą funkciją, kartu sumažinant jų toksiškumą.
• Saugesni tirpikliai ir pagalbinės medžiagos: Pagalbinių medžiagų (pvz., tirpiklių, atskyrimo agentų ir kt.) naudojimas turėtų būti nebūtinas, kai įmanoma, ir nekenksmingas, kai naudojamas.
• Projektavimas energijos efektyvumui: Cheminių procesų energijos poreikiai turėtų būti įvertinti atsižvelgiant į jų poveikį aplinkai ir ekonomikai, ir turėtų būti minimizuoti. Jei įmanoma, sintetiniai metodai turėtų būti atliekami aplinkos temperatūroje ir slėgyje.
• Atsinaujinančių žaliavų naudojimas: Žaliava turėtų būti atsinaujinanti, o ne išeikvojama, kai tai techniškai ir ekonomiškai įmanoma.
• Sumažinti darinių skaičių: Nereikalingas derivatizavimas (naudojant blokuojančias grupes, apsaugą/deapsaugą, laikiną fizinių/cheminių procesų modifikavimą) turėtų būti sumažintas arba išvengtas, nes tokie etapai reikalauja papildomų reagentų ir gali generuoti atliekų.
• Katalizė: Katalitiniai reagentai (kiek įmanoma selektyvesni) yra pranašesni už stechiometrinius reagentus.
• Projektavimas skilimui: Cheminiai produktai turėtų būti kuriami taip, kad baigus savo funkciją, jie suskaidytų į nekenksmingus skilimo produktus ir nesiliktuotų aplinkoje.
• Analizė realiuoju laiku taršos prevencijai: Reikia toliau tobulinti analitines metodikas, kad būtų galima stebėti ir kontroliuoti procesą realiuoju laiku, prieš susidarant pavojingoms medžiagoms.
• Iš prigimties saugesnė chemija nelaimingų atsitikimų prevencijai: Medžiagos ir medžiagos forma, naudojama cheminiuose procesuose, turėtų būti pasirenkama taip, kad būtų sumažinta cheminių avarijų, įskaitant išleidimus, sprogimus ir gaisrus, potencialas.

Pritaikymai įvairiose pramonės šakose

Žaliosios chemijos principai taikomi įvairiose pramonės šakose, transformuojant tradicinius procesus ir kuriant tvaresnes alternatyvas. Štai keli pagrindiniai pavyzdžiai:

Farmacija

Farmacijos pramonė vis labiau taiko žaliosios chemijos principus, siekdama sumažinti atliekas, pagerinti procesų efektyvumą ir kurti saugesnius vaistus. Tradicinė farmacijos gamyba dažnai apima sudėtingas daugiapakopes sintezes, kurios generuoja didelius kiekius atliekų, įskaitant tirpiklius, reagentus ir šalutinius produktus. Žalioji chemija siūlo sprendimus, kaip sumažinti šias atliekas ir pagerinti bendrą vaistų gamybos tvarumą.

• Katalizė vaistų sintezėje: Katalizė vaidina esminį vaidmenį žaliojoje farmacijos sintezėje. Katalitinės reakcijos gali sumažinti reikalingų reagentų kiekį, minimizuoti atliekų susidarymą ir dažnai leidžia taikyti švelnesnes reakcijos sąlygas. Pavyzdžiui, biokatalizatorių (fermentų) naudojimas tam tikrų vaistų sintezėje gali pakeisti atšiaurius cheminius reagentus ir sumažinti toksiškų šalutinių produktų susidarymą. Pavyzdžiai apima fermentinę statinų (cholesterolio kiekį mažinančių vaistų) sintezę ir fermentų naudojimą chiraliams tarpiniams produktams atskirti, kas lemia efektyvesnius ir selektyvesnius procesus.
• Tirpiklių parinkimas: Tradicinė farmacijos gamyba smarkiai priklauso nuo organinių tirpiklių, daugelis kurių yra lakūs, toksiški ir kenksmingi aplinkai. Žalioji chemija skatina saugesnių tirpiklių, tokių kaip vanduo, superkritinis anglies dioksidas (scCO2) ir joniniai skysčiai, naudojimą. Šie tirpikliai yra mažiau toksiški, turi mažesnį poveikį aplinkai ir dažnai gali pagerinti reakcijos išeigą bei selektyvumą.
• Srauto chemija: Srauto chemija, dar žinoma kaip nuolatinio srauto sintezė, apima cheminių reakcijų vykdymą nuolat tekančioje srovėje, o ne partiniuose reaktoriuose. Šis metodas turi keletą privalumų, įskaitant pagerintą šilumos perdavimą, geresnį reakcijos parametrų valdymą ir sumažintą atliekų susidarymą. Srauto chemija ypač naudinga sudėtingoms daugiapakopėms sintezėms, nes ji leidžia efektyviai integruoti kelis reakcijos etapus ir sumažina tarpinio valymo etapų poreikį.
• Atomų ekonomija: Sintetinių kelių, pasižyminčių didele atomų ekonomija, kūrimas yra pagrindinis žaliosios chemijos principas farmacijos pramonėje. Maksimizuojant pradinių medžiagų įtraukimą į galutinį produktą, atliekų susidarymas gali būti žymiai sumažintas. Tai dažnai apima mažiau apsauginių grupių naudojimą, kaskadinių reakcijų (kai viename etape vyksta kelios transformacijos) taikymą ir reakcijų, kurios generuoja minimalius šalutinius produktus, kūrimą.
• Pavyzdžiai:
  • „Merck“ Januvia (Sitagliptino) sintezė: „Merck“ sukūrė žaliąją Januvia sintezę, vaistą, naudojamą 2 tipo diabetui gydyti. Naujoji sintezė sumažino atliekų susidarymą maždaug 75% ir pašalino toksiško reagento naudojimą.
  • „Pfizer“ Sertralino sintezė: „Pfizer“ sukūrė tvaresnę sertralino (Zoloft), antidepresanto, sintezę, naudodama biokatalitinį procesą, kuris sumažino atliekas ir pagerino proceso efektyvumą.

Žemės ūkis

Žaliosios chemijos principai keičia žemės ūkio praktiką, vedančią į saugesnių ir tvaresnių pesticidų, trąšų ir pasėlių apsaugos strategijų kūrimą. Tradicinės žemės ūkio praktikos dažnai remiasi sintetinėmis cheminėmis medžiagomis, kurios gali turėti žalingą poveikį aplinkai, žmonių sveikatai ir biologinei įvairovei. Žalioji chemija siūlo inovatyvius sprendimus, siekiant sumažinti šias rizikas ir skatinti tvarų žemės ūkį.

• Saugesni pesticidai: Žalioji chemija skatina pesticidų, kurie yra mažiau toksiški, labiau biologiškai skaidūs ir selektyvesni savo veikimu, kūrimą. Šie pesticidai veikia konkrečius kenkėjus, minimalizuodami žalą naudingiems vabzdžiams, laukinei gamtai ir žmonių sveikatai. Pavyzdžiai apima pesticidus, gautus iš natūralių šaltinių, tokių kaip augalų ekstraktai ir mikrobiniai metabolitai, kurie dažnai pasižymi mažesniu toksiškumu ir yra lengviau biologiškai skaidomi.
• Tikslioji žemdirbystė: Tikslioji žemdirbystė apima pažangių technologijų, tokių kaip GPS, nuotolinis stebėjimas ir duomenų analizė, naudojimą, siekiant optimizuoti išteklių, tokių kaip vanduo, trąšos ir pesticidai, naudojimą. Naudojant šiuos išteklius tik ten ir tada, kur jų reikia, tikslioji žemdirbystė sumažina atliekas, mažina poveikį aplinkai ir pagerina pasėlių derlių.
• Biologinės trąšos: Biologinės trąšos yra natūralios medžiagos, kuriose yra mikroorganizmų, gerinančių augalų augimą, gerinant maistinių medžiagų prieinamumą ir skatinant šaknų vystymąsi. Šie mikroorganizmai gali fiksuoti atmosferos azotą, tirpinti fosforą ir gaminti augalų augimą skatinančius hormonus. Biologinės trąšos yra tvari alternatyva sintetinėms trąšoms, kurios gali prisidėti prie vandens taršos ir šiltnamio efektą sukeliančių dujų emisijos.
• Biologiniai pesticidai: Biologiniai pesticidai yra pesticidai, gauti iš natūralių šaltinių, tokių kaip bakterijos, grybai, virusai ir augalai. Jie turi keletą pranašumų prieš sintetinius pesticidus, įskaitant mažesnį toksiškumą, didesnį biologiškumą ir sumažintą atsparumo atsiradimo riziką kenkėjams. Pavyzdžiai apima Bacillus thuringiensis (Bt) toksinus, kurie plačiai naudojami žemės ūkyje kenkėjams kontroliuoti.
• Pavyzdžiai:
  • Saugesnių herbicidų kūrimas: Įmonės kuria herbicidus, kurie yra pagrįsti natūraliai atsirandančiais junginiais arba pasižymi mažesniu toksiškumo profiliu, palyginti su tradiciniais herbicidais.
  • Biologinės kontrolės agentų naudojimas: Naudingų vabzdžių ir mikroorganizmų naudojimas kenkėjams kontroliuoti yra auganti tendencija žemės ūkyje, mažinanti sintetinių pesticidų poreikį.

Medžiagų mokslas

Žalioji chemija revoliucionizuoja medžiagų mokslą, skatindama tvarių medžiagų, kurios yra mažiau toksiškos, patvaresnės ir labiau perdirbamos, kūrimą ir vystymą. Tradicinis medžiagų mokslas dažnai apima pavojingų cheminių medžiagų ir energijai imlių procesų naudojimą. Žalioji chemija siūlo inovatyvius sprendimus, siekiant sumažinti šias aplinkos ir sveikatos rizikas bei sukurti tvaresnes medžiagas.

• Bioplastikas: Bioplastikas yra plastikas, gaminamas iš atsinaujinančių išteklių, tokių kaip kukurūzų krakmolas, cukranendrės ir celiuliozė. Jis siūlo tvarią alternatyvą tradiciniam naftos pagrindu pagamintam plastikui, kuris yra nebiologinis ir prisideda prie plastiko taršos. Bioplastikas gali būti biologiškai skaidomas arba kompostuojamas, sumažinant jo poveikį aplinkai pasibaigus jo gyvavimo ciklui.
• Žalieji kompozitai: Žalieji kompozitai yra medžiagos, sudarytos iš natūralių pluoštų (pvz., kanapių, lino, džiuto) ir biopagrindinių dervų. Jie siūlo tvarią alternatyvą tradiciniams kompozitams, kurie dažnai gaminami iš sintetinių pluoštų ir naftos pagrindu pagamintų dervų. Žalieji kompozitai turi mažesnį poveikį aplinkai, yra labiau biologiškai skaidūs ir gali būti naudojami įvairiose srityse, tokiose kaip automobilių dalys, statybinės medžiagos ir pakuotės.
• Tvarios dangos: Žalioji chemija skatina tvarių dangų, kurios yra mažiau toksiškos, patvaresnės ir draugiškesnės aplinkai, kūrimą. Tradicinės dangos dažnai turi lakiųjų organinių junginių (LOJ), kurie gali prisidėti prie oro taršos ir kelti pavojų sveikatai. Žaliosios dangos yra pagrįstos vandens ar biopagrindinėmis formulėmis ir jose yra minimaliai arba visai nėra LOJ.
• Perdirbimas ir pakartotinis naudojimas: Žaliosios chemijos principai skatina lengvai perdirbamų ir pakartotinai naudojamų medžiagų kūrimą. Tai apima medžiagų, kurias galima lengvai atskirti ir apdoroti, naudojimą, produktų, kuriuos galima išardyti ir perprogramuoti, kūrimą ir uždarų sistemų, kurios sumažina atliekų susidarymą, kūrimą.
• Pavyzdžiai:
  • Biopagrindinių polimerų kūrimas: Mokslininkai kuria naujus polimerus, gautus iš atsinaujinančių išteklių, kurie gali pakeisti tradicinius plastikus įvairiose srityse.
  • Perdirbtų medžiagų naudojimas: Įmonės į savo produktus įtraukia perdirbtas medžiagas, sumažindamos pirminių išteklių poreikį ir minimizuodamos atliekas.

Energetika

Žalioji chemija atlieka kritinį vaidmenį kuriant tvarias energijos technologijas, įskaitant saulės energiją, biokurą ir energijos kaupimą. Tradiciniai energijos gamybos metodai dažnai remiasi iškastiniu kuru, kuris prisideda prie klimato kaitos, oro taršos ir išteklių išeikvojimo. Žalioji chemija siūlo inovatyvius sprendimus, kaip plėtoti švaresnius ir tvaresnius energijos šaltinius.

• Saulės energija: Žalioji chemija prisideda prie efektyvesnių ir ekonomiškesnių saulės elementų kūrimo. Tai apima mažiau toksiškų ir gausiau randamų medžiagų naudojimą, šviesos surinkimo ir konversijos efektyvumo didinimą bei patvaresnių ir perdirbamų saulės elementų kūrimą.
• Biokuras: Biokuras yra kuras, gaunamas iš atsinaujinančios biomasės, pvz., pasėlių, dumblių ir atliekų. Jis siūlo tvarią alternatyvą iškastiniam kurui, sumažinant šiltnamio efektą sukeliančių dujų emisiją ir skatinant energetinę nepriklausomybę. Žalioji chemija atlieka pagrindinį vaidmenį kuriant efektyvesnius ir tvaresnius biokuro gamybos metodus, tokius kaip fermentinė biomasės hidrolizė ir katalitinė cukrų konversija į kurą.
• Energijos kaupimas: Žalioji chemija prisideda prie pažangių energijos kaupimo technologijų, tokių kaip baterijos ir kuro elementai, kūrimo. Tai apima mažiau toksiškų ir gausiau randamų medžiagų naudojimą, baterijų energijos tankio ir ciklo trukmės gerinimą bei efektyvesnių ir patvaresnių kuro elementų kūrimą.
• Katalizė energijos gamybai: Katalizė vaidina lemiamą vaidmenį daugelyje su energija susijusių procesų, tokių kaip vandenilio gamyba iš vandens ir biomasės konversija į kurą. Žalioji chemija yra sutelkta į efektyvesnių ir tvaresnių katalizatorių kūrimą, kurie gali veikti švelnesnėmis sąlygomis ir sunaudoti mažiau energijos.
• Pavyzdžiai:
  • Naujos kartos saulės elementų kūrimas: Mokslininkai dirba su naujo tipo saulės elementais, kurie yra pagrįsti organinėmis medžiagomis arba perovskito struktūromis, turinčiomis potencialą būti efektyvesni ir ekonomiškesni nei tradiciniai silicio saulės elementai.
  • Biokuro gamyba iš atliekų: Įmonės kuria technologijas, skirtas atliekoms, tokioms kaip žemės ūkio likučiai ir komunalinės kietosios atliekos, paversti biokuru.

Kiti pritaikymai

Be minėtų pramonės šakų, žalioji chemija taikoma daugelyje kitų sričių, įskaitant:

• Kosmetika: Saugesnių ir tvaresnių ingredientų asmens priežiūros produktams kūrimas.
• Valymo priemonės: Valymo priemonių, turinčių biologiškai skaidžių ir netoksiškų ingredientų, formulavimas.
• Tekstilė: Tvarių dažų ir apdailos procesų tekstilės pramonei kūrimas.
• Elektronika: Pavojingų medžiagų naudojimo elektroninių prietaisų gamyboje mažinimas.

Iššūkiai ir galimybės

Nors žalioji chemija siūlo didelį potencialą kurti tvaresnę ateitį, jos plačiam pritaikymui taip pat kyla iššūkių. Šie iššūkiai apima:

• Kaina: Žaliosios chemijos procesai kartais gali būti brangesni nei tradiciniai procesai, nors tai dažnai kompensuojama sumažintomis atliekų šalinimo išlaidomis ir pagerintu proceso efektyvumu ilguoju laikotarpiu.
• Našumas: Žaliosios chemijos produktai ne visada gali veikti taip pat gerai kaip tradiciniai produktai, todėl reikalingi tolesni tyrimai ir plėtra, siekiant pagerinti jų našumą.
• Sąmoningumas: Reikia didesnio sąmoningumo ir švietimo apie žaliosios chemijos principus ir jų naudą tarp chemikų, inžinierių ir plačiosios visuomenės.
• Reguliavimas: Reikia aiškių ir nuoseklių taisyklių, skatinančių žaliosios chemijos praktikos įdiegimą ir skatinančių saugesnių cheminių medžiagų kūrimą.

Nepaisant šių iššūkių, žaliosios chemijos galimybės yra milžiniškos. Taikydamos žaliosios chemijos principus, pramonės šakos gali sumažinti savo poveikį aplinkai, pagerinti ekonominę veiklą ir sukurti tvaresnę ateitį visiems.

Išvada

Žalioji chemija yra transformacinis požiūris į chemiją, kuris siūlo kelią į tvaresnę ir ekologiškai atsakingesnę ateitį. Kurdama cheminius produktus ir procesus, kurie sumažina arba pašalina pavojingų medžiagų naudojimą, žalioji chemija gali sumažinti taršą, apsaugoti žmonių sveikatą ir išsaugoti išteklius. Pramonės šakoms vis labiau pripažįstant žaliosios chemijos naudą, jos pritaikymai plečiasi įvairiuose sektoriuose, skatinant inovacijas ir kuriant naujas galimybes sveikesnei planetai. Žaliosios chemijos principų taikymas yra ne tik etinis imperatyvas, bet ir strateginis pranašumas verslui, siekiančiam klestėti greitai besikeičiančiame pasaulyje. Kelias į tikrai tvarią ateitį labai priklauso nuo nuolatinio žaliosios chemijos sprendimų kūrimo ir įgyvendinimo.