Žalioji chemija: aplinkai saugių cheminių procesų kūrimas

Žalioji chemija, dar vadinama tvariąja chemija, yra cheminių produktų ir procesų kūrimas, siekiant sumažinti arba visiškai eliminuoti pavojingų medžiagų naudojimą ar susidarymą. Šis aktyvus požiūris į taršos prevenciją siekia sumažinti chemijos pramonės gamybos ir naudojimo poveikį aplinkai, skatinant tvaresnę mūsų planetos ateitį. Skirtingai nuo tradicinės chemijos, kuri dažnai orientuojasi į cheminių reakcijų efektyvumą ir ekonomiškumą, neatsižvelgdama į jų pasekmes aplinkai, žalioji chemija nuo pat pradžių teikia pirmenybę cheminių procesų saugumui ir tvarumui.

12 žaliosios chemijos principų

Žaliosios chemijos pagrindas yra jos 12 principų, kurie chemikams ir inžinieriams yra gairės, kaip kurti aplinkai palankesnius procesus ir produktus. Šie principai, sukurti Paulo Anastas ir Johno Warnerio, suteikia išsamų pagrindą tvarumui chemijos pramonėje pasiekti:

Prevencija: Geriau išvengti atliekų susidarymo, nei jas tvarkyti ar valyti po to, kai jos jau susidarė.
Atomų ekonomija: Sintetiniai metodai turėtų būti kuriami taip, kad maksimaliai padidintų visų procese naudojamų medžiagų įtraukimą į galutinį produktą. Šis principas orientuotas į cheminių reakcijų efektyvumo didinimą, mažinant susidarančių atliekų kiekį.
Mažiau pavojingos cheminės sintezės: Kai tik įmanoma, sintetiniai metodai turėtų būti kuriami taip, kad būtų naudojamos ir generuojamos medžiagos, turinčios mažai arba visai neturinčios toksiškumo žmogaus sveikatai ir aplinkai.
Saugesnių cheminių medžiagų kūrimas: Cheminiai produktai turėtų būti kuriami taip, kad atliktų norimą funkciją, bet tuo pačiu turėtų minimalų toksiškumą. Tam reikia suprasti galimus pavojus, susijusius su skirtingomis cheminėmis struktūromis, ir pasirinkti saugesnes alternatyvas.
Saugesni tirpikliai ir pagalbinės medžiagos: Pagalbinių medžiagų (pvz., tirpiklių, atskyrimo agentų ir kt.) naudojimas turėtų būti, kai įmanoma, nereikalingas, o naudojant – nekenksmingas. Daugelis tradicinių tirpiklių yra lakieji organiniai junginiai (LOJ), kurie prisideda prie oro taršos ir kelia pavojų sveikatai.
Energijos efektyvumo projektavimas: Cheminių procesų energijos poreikiai turėtų būti vertinami atsižvelgiant į jų poveikį aplinkai ir ekonomikai ir turėtų būti sumažinti iki minimumo. Jei įmanoma, sintetiniai metodai turėtų būti vykdomi aplinkos temperatūroje ir slėgyje.
Atsinaujinančių žaliavų naudojimas: Žaliava turėtų būti atsinaujinanti, o ne išsenkanti, kai tik tai techniškai ir ekonomiškai įmanoma. Tai apima biomasės, žemės ūkio atliekų ir kitų tvarių šaltinių naudojimą.
Išvestinių junginių mažinimas: Nereikalingas išvestinių junginių gavimas (blokavimo grupių naudojimas, apsauga / apsaugos nuėmimas, laikinas fizinių / cheminių procesų modifikavimas) turėtų būti sumažintas arba jo išvengta, nes tokie etapai reikalauja papildomų reagentų ir gali generuoti atliekas.
Katalizė: Katalitiniai reagentai (kuo selektyvesni) yra pranašesni už stechiometrinius reagentus. Katalizatoriai gali palengvinti chemines reakcijas, patys nebūdami suvartojami, taip sumažindami susidarančių atliekų kiekį.
Projektavimas skaidymuisi: Cheminiai produktai turėtų būti kuriami taip, kad pasibaigus jų funkcijai, jie suskaidytų į nekenksmingus skilimo produktus ir neišliktų aplinkoje. Šis principas orientuotas į biologiškai skaidžių polimerų ir kitų medžiagų, kurias galima saugiai utilizuoti, kūrimą.
Realaus laiko analizė taršos prevencijai: Analitinės metodikos turi būti toliau plėtojamos, kad būtų galima realiu laiku stebėti ir kontroliuoti procesą prieš susidarant pavojingoms medžiagoms.
Iš prigimties saugesnė chemija avarijų prevencijai: Cheminiuose procesuose naudojamos medžiagos ir jų forma turėtų būti parinktos taip, kad būtų sumažinta cheminių avarijų, įskaitant išsiliejimus, sprogimus ir gaisrus, tikimybė.

Pagrindinės žaliosios chemijos sritys

Žalioji chemija apima kelias pagrindines sritis, kurių visų tikslas – sumažinti cheminių procesų poveikį aplinkai:

1. Atomų ekonomija

Atomų ekonomija matuoja cheminės reakcijos efektyvumą, apskaičiuodama reagentų atomų procentą, kuris įtraukiamas į norimą produktą. Reakcijos, pasižyminčios didele atomų ekonomija, generuoja minimalų atliekų kiekį, todėl yra tvaresnės. Pavyzdžiui, Dielso-Alderio reakcija yra puikus pavyzdys reakcijos, pasižyminčios puikia atomų ekonomija, nes visi reagentų atomai įtraukiami į produktą.

2. Saugesni tirpikliai ir pagalbinės medžiagos

Tradiciniai organiniai tirpikliai, tokie kaip benzenas, chloroformas ir dichlormetanas, dažnai yra toksiški, lakūs ir degūs. Žalioji chemija skatina naudoti saugesnes alternatyvas, pavyzdžiui, vandenį, superkritinį anglies dioksidą ir joninius skysčius. Šie tirpikliai yra mažiau toksiški, mažiau lakūs ir dažnai gali būti perdirbami. Pavyzdžiui, vandens naudojimas kaip tirpiklio daugelyje cheminių reakcijų gali žymiai sumažinti poveikį aplinkai, palyginti su tradiciniais organiniais tirpikliais.

3. Katalizė

Katalizatoriai yra medžiagos, kurios pagreitina chemines reakcijas, pačios nebūdamos suvartojamos. Naudojant katalizatorius galima sumažinti reakcijai reikalingų reagentų kiekį, minimizuoti atliekų susidarymą ir sumažinti energijos sąnaudas. Biokatalizė, kuri naudoja fermentus kaip katalizatorius, yra ypač perspektyvi žaliosios chemijos sritis. Biokatalitinių reakcijų pavyzdžiai apima biokuro gamybą iš biomasės ir farmacinių preparatų sintezę naudojant fermentines transformacijas.

4. Atsinaujinančios žaliavos

Tradiciniai cheminiai procesai dažnai remiasi naftos pagrindu pagamintomis žaliavomis, kurios yra riboti ištekliai. Žalioji chemija skatina naudoti atsinaujinančias žaliavas, tokias kaip biomasė, žemės ūkio atliekos ir anglies dioksidas. Naudojant atsinaujinančias žaliavas, mažėja mūsų priklausomybė nuo iškastinio kuro ir skatinama tvaresnė chemijos pramonė. Pavyzdžiui, kukurūzų krakmolo naudojimas biologiškai skaidžių plastikų gamybai arba žemės ūkio atliekų pavertimas biokuru yra atsinaujinančių žaliavų naudojimo pavyzdžiai.

5. Saugesnių cheminių medžiagų kūrimas

Žalioji chemija apima cheminių produktų, kurie yra iš prigimties saugesni ir mažiau toksiški nei jų tradiciniai analogai, kūrimą. Tam reikalingas išsamus cheminių medžiagų struktūros ir aktyvumo ryšių bei galimų pavojų, susijusių su skirtingomis cheminėmis funkcinėmis grupėmis, supratimas. Kurdami saugesnes chemines medžiagas, galime sumažinti pavojingų medžiagų poveikio riziką ir minimizuoti jų poveikį žmonių sveikatai ir aplinkai. Pavyzdys galėtų būti naujų pesticidų, kurie yra veiksmingi kontroliuojant kenkėjus, bet mažiau toksiški netiksliniams organizmams ir žmonėms, kūrimas.

6. Energijos efektyvumas

Daugelis cheminių procesų reikalauja didelių energijos kiekių, dažnai šilumos ar slėgio pavidalu. Žalioji chemija siekia minimizuoti energijos suvartojimą optimizuojant reakcijos sąlygas, naudojant katalizatorius ir kuriant naujas technologijas, veikiančias aplinkos temperatūroje ir slėgyje. Energijos suvartojimo mažinimas ne tik sumažina išlaidas, bet ir sumažina šiltnamio efektą sukeliančių dujų išmetimą. Pavyzdžiui, mikrobangomis paremta sintezė gali žymiai sutrumpinti reakcijos laiką ir sumažinti energijos suvartojimą, palyginti su tradiciniais šildymo metodais.

Žaliosios chemijos pavyzdžiai praktikoje

Žalioji chemija nėra tik teorinė koncepcija; ji taikoma įvairiose pramonės šakose visame pasaulyje:

1. Farmacija

Farmacijos pramonė pritaikė žaliosios chemijos principus, kad sukurtų tvaresnius vaistų gamybos procesus. Pavyzdžiui, „Merck“ ir „Codexis“ sukūrė žaliąją sitagliptino, vaisto, skirto 2 tipo diabetui gydyti, sintezę. Šis naujas procesas žymiai sumažino atliekų kiekį, pagerino išeigą ir pašalino toksiško metalo katalizatoriaus poreikį. Ši naujovė ne tik sumažino poveikį aplinkai, bet ir sumažino gamybos išlaidas.

2. Žemės ūkis

Žalioji chemija naudojama saugesnių ir veiksmingesnių pesticidų ir herbicidų kūrimui. Pavyzdžiui, biologiniai pesticidai, gauti iš natūralių šaltinių, tokių kaip augalų ekstraktai ir mikroorganizmai, keičia sintetinius pesticidus, kurie gali būti kenksmingi žmonių sveikatai ir aplinkai. Be to, tiksliosios žemdirbystės metodai, kurie naudoja jutiklius ir duomenų analizę trąšų ir pesticidų naudojimui optimizuoti, gali sumažinti cheminių medžiagų kiekį žemės ūkyje.

3. Vartojimo prekės

Daugelis vartojimo prekių bendrovių įtraukia žaliosios chemijos principus į savo produktų dizainą ir gamybą. Pavyzdžiui, biologiškai skaidūs valymo produktai, pagaminti iš augalinių ingredientų, tampa vis populiaresni. Šie produktai yra mažiau toksiški, tvaresni ir gali natūraliai suirti aplinkoje. Bendrovės taip pat naudoja saugesnius tirpiklius ir pakavimo medžiagas, kad sumažintų savo produktų poveikį aplinkai.

4. Gamyba

Gamybos sektorius taiko žaliąją chemiją, kad sumažintų atliekas, taupytų energiją ir sumažintų taršą. Pavyzdžiui, superkritinio anglies dioksido naudojimas kaip tirpiklio pramoninio valymo ir ekstrakcijos procesuose keičia tradicinius organinius tirpiklius. Superkritinis anglies dioksidas yra netoksiškas, nedegus ir gali būti lengvai perdirbamas. Be to, įmonės įgyvendina uždarojo ciklo gamybos procesus, kuriuose atliekų medžiagos yra perdirbamos ir pakartotinai naudojamos, taip sumažinant pirminių žaliavų poreikį.

5. Energetika

Žalioji chemija atlieka gyvybiškai svarbų vaidmenį kuriant tvarias energetikos technologijas. Pavyzdžiui, tyrimai, susiję su naujomis baterijų medžiagomis ir kuro elementų technologijomis, yra orientuoti į žemėje gausių ir netoksiškų medžiagų naudojimą. Be to, žalioji chemija naudojama kuriant efektyvesnius biokuro gamybos iš biomasės metodus. Šios pastangos skirtos sumažinti mūsų priklausomybę nuo iškastinio kuro ir sukurti švaresnius bei tvaresnius energijos šaltinius.

Žaliosios chemijos nauda

Žaliosios chemijos principų taikymas teikia daugybę privalumų, įskaitant:

Sumažinta tarša: Žalioji chemija sumažina pavojingų medžiagų naudojimą ir susidarymą, mažindama oro, vandens ir dirvožemio taršą.
Atliekų mažinimas: Maksimaliai didindama atomų ekonomiją ir naudodama katalizatorius, žalioji chemija sumažina atliekų susidarymą.
Saugesni produktai: Žalioji chemija skatina saugesnių cheminių medžiagų ir produktų, kurie yra mažiau toksiški žmonių sveikatai ir aplinkai, kūrimą.
Energijos efektyvumas: Žalioji chemija siekia sumažinti energijos suvartojimą optimizuojant reakcijos sąlygas ir naudojant katalizatorius.
Išlaidų taupymas: Mažinant atliekų kiekį, energijos suvartojimą ir pavojingų medžiagų naudojimą, žalioji chemija gali padėti sutaupyti daug lėšų.
Inovacijos: Žalioji chemija skatina inovacijas chemijos pramonėje, todėl kuriamos naujos technologijos ir produktai.
Darnus vystymasis: Žalioji chemija prisideda prie darnaus vystymosi, skatindama aplinkos apsaugą, ekonomikos augimą ir socialinę lygybę.

Iššūkiai ir galimybės

Nors žalioji chemija teikia didelę naudą, jos plačiam pritaikymui taip pat kyla iššūkių:

Informuotumo stoka: Daugelis chemikų ir inžinierių nėra visiškai susipažinę su žaliosios chemijos principais ir nauda.
Kaina: Pradinės žaliosios chemijos technologijų įdiegimo išlaidos gali būti didesnės nei tradicinių metodų.
Veiksmingumas: Kai kurios žaliosios chemijos alternatyvos gali neveikti taip gerai kaip tradicinės cheminės medžiagos.
Reguliavimas: Reikalingi aiškūs ir nuoseklūs reglamentai, skatinantys žaliosios chemijos taikymą.

Nepaisant šių iššūkių, yra ir didelių galimybių žaliosios chemijos augimui:

Auganti tvarių produktų paklausa: Vartotojai vis labiau reikalauja tvarių produktų, sukurdami rinką žaliosios chemijos naujovėms.
Vyriausybės parama: Vyriausybės visame pasaulyje teikia finansavimą ir paskatas žaliosios chemijos moksliniams tyrimams ir plėtrai.
Technologijų pažanga: Katalizės, biotechnologijų ir medžiagų mokslo pažanga skatina naujų žaliosios chemijos technologijų kūrimą.
Bendradarbiavimas: Bendradarbiavimas tarp pramonės, akademinės bendruomenės ir vyriausybės yra būtinas norint pagreitinti žaliosios chemijos pritaikymą.

Žaliosios chemijos ateitis

Žalioji chemija yra pasirengusi atlikti vis svarbesnį vaidmenį sprendžiant pasaulines aplinkosaugos problemas. Kadangi pasaulis susiduria su tokiomis problemomis kaip klimato kaita, tarša ir išteklių išeikvojimas, tvarių cheminių procesų poreikis tampa vis aktualesnis. Ateities žaliosios chemijos tendencijos apima:

Didesnis atsinaujinančių žaliavų naudojimas: Mažėjant iškastinio kuro atsargoms, biomasės, žemės ūkio atliekų ir anglies dioksido naudojimas kaip žaliavų taps vis labiau paplitęs.
Naujų katalizatorių kūrimas: Naujų, efektyvesnių, selektyvesnių ir aplinkai nekenksmingų katalizatorių tyrimai ir toliau bus pagrindinis dėmesio centras.
Biologiškai skaidžių polimerų kūrimas: Biologiškai skaidžių polimerų, galinčių pakeisti tradicinius plastikus, kūrimas padės sumažinti plastiko taršą.
Nanotechnologijų naudojimas: Nanotechnologijos siūlo naujas galimybes kurti efektyvesnius ir tvaresnius cheminius procesus.
Žaliosios chemijos integravimas į švietimą: Žaliosios chemijos principų įtraukimas į chemijos švietimą visais lygiais padės apmokyti naująją chemikų ir inžinierių kartą kurti tvarius cheminius procesus.

Pasaulinės iniciatyvos ir bendradarbiavimas

Daugybė pasaulinių iniciatyvų ir bendradarbiavimo projektų skatina žaliosios chemijos taikymą visame pasaulyje. Tokios organizacijos kaip Jungtinių Tautų Aplinkos programa (UNEP), Ekonominio bendradarbiavimo ir plėtros organizacija (EBPO) ir Tarptautinė grynosios ir taikomosios chemijos sąjunga (IUPAC) aktyviai dalyvauja skatinant žaliosios chemijos mokslinius tyrimus, švietimą ir politikos formavimą.

Pavyzdžiui, UNEP Tvarios chemijos iniciatyva skatina tvarios chemijos praktikų taikymą besivystančiose šalyse. EBPO darbas tvarios chemijos srityje orientuotas į priemonių ir metodikų, skirtų cheminių medžiagų poveikio aplinkai ir sveikatai vertinimui, kūrimą. IUPAC Žaliosios chemijos komitetas skatina žaliosios chemijos švietimą ir mokslinius tyrimus visame pasaulyje.

Šios pasaulinės iniciatyvos kartu su pramonės, akademinės bendruomenės ir vyriausybės bendradarbiavimu yra būtinos norint pagreitinti perėjimą prie tvaresnės chemijos pramonės.

Išvada

Žalioji chemija yra galingas požiūris į cheminių procesų, kurie yra saugūs aplinkai ir tvarūs, kūrimą. Laikydamiesi 12 žaliosios chemijos principų, chemikai ir inžinieriai gali sumažinti chemijos pramonės gamybos ir naudojimo poveikį aplinkai, skatindami tvaresnę mūsų planetos ateitį. Nors iššūkių išlieka, žaliosios chemijos nauda yra akivaizdi, o jos platus pritaikymas yra būtinas sprendžiant pasaulines aplinkosaugos problemas ir kuriant tvaresnį pasaulį.

Perėjimas prie žaliosios chemijos reikalauja bendrų pramonės, akademinės bendruomenės, vyriausybės ir visuomenės pastangų. Investuodami į žaliosios chemijos mokslinius tyrimus, skatindami žaliosios chemijos švietimą ir įgyvendindami palaikančias politikas, galime pagreitinti žaliosios chemijos pritaikymą ir sukurti švaresnę, sveikesnę ir tvaresnę ateitį visiems.

Žaliosios chemijos pritaikymas yra ne tik aplinkosauginis imperatyvas; tai taip pat ekonominė galimybė. Kurdami naujas žaliosios chemijos technologijas ir produktus, galime sukurti naujas darbo vietas, skatinti inovacijas ir padidinti mūsų pramonės šakų konkurencingumą. Žalioji chemija yra abipusiai naudingas sprendimas, kuris naudingas tiek aplinkai, tiek ekonomikai.