Zaļā ķīmija: Videi drošu ķīmisko procesu izstrāde

Zaļā ķīmija, pazīstama arī kā ilgtspējīga ķīmija, ir ķīmisko produktu un procesu izstrāde, kas samazina vai novērš bīstamu vielu izmantošanu vai rašanos. Šī proaktīvā pieeja piesārņojuma novēršanai ir vērsta uz ķīmiskās ražošanas un izmantošanas ietekmes uz vidi samazināšanu, veicinot mūsu planētas ilgtspējīgāku nākotni. Atšķirībā no tradicionālās ķīmijas, kas bieži koncentrējas uz ķīmisko reakciju efektivitāti un rentabilitāti, pilnībā neņemot vērā to ietekmi uz vidi, zaļā ķīmija jau no paša sākuma par prioritāti izvirza ķīmisko procesu drošību un ilgtspēju.

12 zaļās ķīmijas principi

Zaļās ķīmijas pamats ir tās 12 principi, kas kalpo par vadlīnijām ķīmiķiem un inženieriem, lai izstrādātu videi draudzīgākus procesus un produktus. Šie principi, ko izstrādājuši Pols Anastass (Paul Anastas) un Džons Vorners (John Warner), nodrošina visaptverošu sistēmu ilgtspējas sasniegšanai ķīmiskajā rūpniecībā:

1. Profilakse: Labāk ir novērst atkritumu rašanos, nekā tos apstrādāt vai attīrīt pēc tam, kad tie ir radīti.
2. Atomu ekonomija: Sintētiskās metodes jāizstrādā tā, lai maksimāli palielinātu visu procesā izmantoto materiālu iekļaušanu gala produktā. Šis princips koncentrējas uz ķīmisko reakciju efektivitātes maksimizēšanu, samazinot radīto atkritumu daudzumu.
3. Mazāk bīstamas ķīmiskās sintēzes: Kur vien tas ir praktiski iespējams, sintētiskās metodes jāizstrādā tā, lai izmantotu un radītu vielas, kam ir maza vai nekāda toksicitāte cilvēka veselībai un videi.
4. Drošāku ķimikāliju izstrāde: Ķīmiskie produkti jāizstrādā tā, lai tie pildītu savu vēlamo funkciju, vienlaikus samazinot to toksicitāti. Tas prasa izpratni par potenciālajiem riskiem, kas saistīti ar dažādām ķīmiskajām struktūrām, un drošāku alternatīvu izvēli.
5. Drošāki šķīdinātāji un palīgvielas: Palīgvielu (piemēram, šķīdinātāju, atdalīšanas aģentu u.c.) izmantošana jāpadara nevajadzīga, kur vien iespējams, un, ja tās tiek izmantotas, tām jābūt nekaitīgām. Daudzi tradicionālie šķīdinātāji ir gaistoši organiskie savienojumi (GOS), kas veicina gaisa piesārņojumu un rada veselības riskus.
6. Projektēšana energoefektivitātei: Ķīmisko procesu enerģijas prasības ir jāatzīst to ietekmes uz vidi un ekonomiku dēļ, un tās ir jāsamazina. Ja iespējams, sintētiskās metodes jāveic apkārtējās vides temperatūrā un spiedienā.
7. Atjaunojamo izejvielu izmantošana: Izejvielai vai izejmateriālam ir jābūt atjaunojamam, nevis noplicinošam, kad vien tas ir tehniski un ekonomiski iespējams. Tas ietver biomasas, lauksaimniecības atkritumu un citu ilgtspējīgu avotu izmantošanu.
8. Atvasinājumu samazināšana: Nevajadzīga atvasināšana (bloķējošo grupu izmantošana, aizsardzība/aizsardzības noņemšana, fizisko/ķīmisko procesu pagaidu modifikācija) ir jāsamazina vai no tās jāizvairās, jo šādi soļi prasa papildu reaģentus un var radīt atkritumus.
9. Katalīze: Katalītiskie reaģenti (pēc iespējas selektīvāki) ir pārāki par stehiometriskajiem reaģentiem. Katalizatori var veicināt ķīmiskās reakcijas, paši netiekot patērēti, tādējādi samazinot radīto atkritumu daudzumu.
10. Projektēšana degradācijai: Ķīmiskie produkti jāizstrādā tā, lai pēc to funkcijas beigām tie sadalītos nekaitīgos sadalīšanās produktos un nesaglabātos vidē. Šis princips koncentrējas uz bioloģiski noārdāmu polimēru un citu materiālu projektēšanu, kurus var droši utilizēt.
11. Reāllaika analīze piesārņojuma novēršanai: Analītiskās metodes ir jāturpina attīstīt, lai nodrošinātu reāllaika uzraudzību un kontroli procesa gaitā pirms bīstamu vielu veidošanās.
12. Pēc būtības drošāka ķīmija nelaimes gadījumu novēršanai: Vielas un vielas forma, ko izmanto ķīmiskajā procesā, jāizvēlas tā, lai līdz minimumam samazinātu ķīmisku avāriju, tostarp noplūžu, sprādzienu un ugunsgrēku, potenciālu.

Galvenās zaļās ķīmijas jomas

Zaļā ķīmija aptver vairākas galvenās jomas, kuras visas ir vērstas uz ķīmisko procesu ietekmes uz vidi samazināšanu:

1. Atomu ekonomija

Atomu ekonomija mēra ķīmiskās reakcijas efektivitāti, aprēķinot reaktantu atomu procentuālo daudzumu, kas tiek iekļauts vēlamajā produktā. Reakcijas ar augstu atomu ekonomiju rada minimālu atkritumu daudzumu, padarot tās ilgtspējīgākas. Piemēram, Dīlsa-Aldera reakcija ir piemērs reakcijai, kurai ir lieliska atomu ekonomija, jo visi reaktantu atomi tiek iekļauti produktā.

2. Drošāki šķīdinātāji un palīgvielas

Tradicionālie organiskie šķīdinātāji, piemēram, benzols, hloroforms un dihlormetāns, bieži ir toksiski, gaistoši un uzliesmojoši. Zaļā ķīmija veicina drošāku alternatīvu, piemēram, ūdens, superkritiskā oglekļa dioksīda un jonu šķidrumu, izmantošanu. Šiem šķīdinātājiem ir zemāka toksicitāte, tie ir mazāk gaistoši un bieži vien var tikt pārstrādāti. Piemēram, ūdens izmantošana kā šķīdinātājs daudzās ķīmiskajās reakcijās var ievērojami samazināt ietekmi uz vidi, salīdzinot ar tradicionālo organisko šķīdinātāju izmantošanu.

3. Katalīze

Katalizatori ir vielas, kas paātrina ķīmiskās reakcijas, paši netiekot patērēti. Katalizatoru izmantošana var samazināt reakcijai nepieciešamo reaģentu daudzumu, minimizēt atkritumu rašanos un samazināt enerģijas patēriņu. Biokatalīze, kurā kā katalizatorus izmanto enzīmus, ir īpaši daudzsološa zaļās ķīmijas joma. Biokatalītisko reakciju piemēri ir biodegvielu ražošana no biomasas un farmaceitisko preparātu sintēze, izmantojot enzīmu transformācijas.

4. Atjaunojamās izejvielas

Tradicionālie ķīmiskie procesi bieži balstās uz naftas bāzes izejvielām, kas ir ierobežoti resursi. Zaļā ķīmija veicina atjaunojamo izejvielu, piemēram, biomasas, lauksaimniecības atkritumu un oglekļa dioksīda, izmantošanu. Atjaunojamo izejvielu izmantošana samazina mūsu atkarību no fosilā kurināmā un veicina ilgtspējīgāku ķīmisko rūpniecību. Piemēram, kukurūzas cietes izmantošana bioloģiski noārdāmu plastmasu ražošanai vai lauksaimniecības atkritumu pārveidošana biodegvielās ir atjaunojamo izejvielu izmantošanas piemēri.

5. Drošāku ķimikāliju izstrāde

Zaļā ķīmija ietver tādu ķīmisko produktu izstrādi, kas pēc būtības ir drošāki un mazāk toksiski nekā to tradicionālie analogi. Tas prasa pamatīgu izpratni par ķimikāliju struktūras un aktivitātes attiecībām un potenciālajiem riskiem, kas saistīti ar dažādām ķīmiskajām funkcionalitātēm. Izstrādājot drošākas ķimikālijas, mēs varam samazināt risku saskarties ar bīstamām vielām un minimizēt to ietekmi uz cilvēka veselību un vidi. Piemērs būtu jaunu pesticīdu izstrāde, kas efektīvi kontrolē kaitēkļus, bet ir mazāk toksiski nemērķa organismiem un cilvēkiem.

6. Energoefektivitāte

Daudzi ķīmiskie procesi prasa ievērojamu enerģijas daudzumu, bieži vien siltuma vai spiediena veidā. Zaļās ķīmijas mērķis ir samazināt enerģijas patēriņu, optimizējot reakcijas apstākļus, izmantojot katalizatorus un izstrādājot jaunas tehnoloģijas, kas darbojas apkārtējās vides temperatūrā un spiedienā. Enerģijas patēriņa samazināšana ne tikai samazina izmaksas, bet arī samazina siltumnīcefekta gāzu emisijas. Piemēram, mikroviļņu sintēze var ievērojami saīsināt reakcijas laiku un samazināt enerģijas patēriņu, salīdzinot ar tradicionālajām sildīšanas metodēm.

Zaļās ķīmijas piemēri praksē

Zaļā ķīmija nav tikai teorētisks jēdziens; tā tiek pielietota daudzās nozarēs visā pasaulē:

1. Farmācija

Farmācijas nozare ir pieņēmusi zaļās ķīmijas principus, lai izstrādātu ilgtspējīgākus zāļu ražošanas procesus. Piemēram, Merck un Codexis izstrādāja zaļo sintēzi sitagliptīnam, zālēm, ko lieto 2. tipa diabēta ārstēšanai. Šis jaunais process ievērojami samazināja atkritumu daudzumu, uzlaboja iznākumu un novērsa nepieciešamību pēc toksiska metāla katalizatora. Šī inovācija ne tikai samazināja ietekmi uz vidi, bet arī samazināja ražošanas izmaksas.

2. Lauksaimniecība

Zaļā ķīmija tiek izmantota, lai izstrādātu drošākus un efektīvākus pesticīdus un herbicīdus. Piemēram, bioloģiski pamatoti pesticīdi, kas iegūti no dabiskiem avotiem, piemēram, augu ekstraktiem un mikroorganismiem, aizstāj sintētiskos pesticīdus, kas var būt kaitīgi cilvēka veselībai un videi. Turklāt precīzās lauksaimniecības metodes, kas izmanto sensorus un datu analīzi, lai optimizētu mēslojuma un pesticīdu lietošanu, var samazināt lauksaimniecībā izmantoto ķimikāliju daudzumu.

3. Patēriņa preces

Daudzi patēriņa preču uzņēmumi iekļauj zaļās ķīmijas principus savu produktu dizainā un ražošanā. Piemēram, arvien populārāki kļūst bioloģiski noārdāmi tīrīšanas līdzekļi, kas izgatavoti no augu izcelsmes sastāvdaļām. Šie produkti ir mazāk toksiski, ilgtspējīgāki un var dabiski sadalīties vidē. Uzņēmumi arī izmanto drošākus šķīdinātājus un iepakojuma materiālus, lai samazinātu savu produktu ietekmi uz vidi.

4. Ražošana

Ražošanas nozare pieņem zaļo ķīmiju, lai samazinātu atkritumus, taupītu enerģiju un samazinātu piesārņojumu. Piemēram, superkritiskā oglekļa dioksīda izmantošana kā šķīdinātājs rūpnieciskās tīrīšanas un ekstrakcijas procesos aizstāj tradicionālos organiskos šķīdinātājus. Superkritiskais oglekļa dioksīds nav toksisks, nav uzliesmojošs un to var viegli pārstrādāt. Turklāt uzņēmumi ievieš slēgta cikla ražošanas procesus, kur atkritumi tiek pārstrādāti un atkārtoti izmantoti, samazinot nepieciešamību pēc jaunām izejvielām.

5. Enerģētika

Zaļajai ķīmijai ir būtiska loma ilgtspējīgu enerģijas tehnoloģiju attīstībā. Piemēram, pētījumi par jauniem akumulatoru materiāliem un kurināmā elementu tehnoloģijām koncentrējas uz zemē bagātīgi sastopamu un netoksisku materiālu izmantošanu. Turklāt zaļā ķīmija tiek izmantota, lai izstrādātu efektīvākas metodes biodegvielu ražošanai no biomasas. Šo centienu mērķis ir samazināt mūsu atkarību no fosilā kurināmā un izstrādāt tīrākus un ilgtspējīgākus enerģijas avotus.

Zaļās ķīmijas priekšrocības

Zaļās ķīmijas principu pieņemšana piedāvā daudzas priekšrocības, tostarp:

• Samazināts piesārņojums: Zaļā ķīmija samazina bīstamu vielu izmantošanu un rašanos, samazinot gaisa, ūdens un augsnes piesārņojumu.
• Atkritumu samazināšana: Maksimizējot atomu ekonomiju un izmantojot katalizatorus, zaļā ķīmija samazina atkritumu rašanos.
• Drošāki produkti: Zaļā ķīmija veicina drošāku ķimikāliju un produktu izstrādi, kas ir mazāk toksiski cilvēka veselībai un videi.
• Energoefektivitāte: Zaļās ķīmijas mērķis ir samazināt enerģijas patēriņu, optimizējot reakcijas apstākļus un izmantojot katalizatorus.
• Izmaksu ietaupījumi: Samazinot atkritumus, enerģijas patēriņu un bīstamo materiālu izmantošanu, zaļā ķīmija var radīt ievērojamus izmaksu ietaupījumus.
• Inovācijas: Zaļā ķīmija veicina inovācijas ķīmiskajā rūpniecībā, novedot pie jaunu tehnoloģiju un produktu izstrādes.
• Ilgtspējīga attīstība: Zaļā ķīmija veicina ilgtspējīgu attīstību, veicinot vides aizsardzību, ekonomisko izaugsmi un sociālo taisnīgumu.

Izaicinājumi un iespējas

Lai gan zaļā ķīmija piedāvā ievērojamas priekšrocības, pastāv arī izaicinājumi tās plašai ieviešanai:

• Informētības trūkums: Daudzi ķīmiķi un inženieri nav pilnībā informēti par zaļās ķīmijas principiem un priekšrocībām.
• Izmaksas: Zaļās ķīmijas tehnoloģiju ieviešanas sākotnējās izmaksas var būt augstākas nekā tradicionālajām metodēm.
• Veiktspēja: Dažas zaļās ķīmijas alternatīvas var nedarboties tik labi kā tradicionālās ķimikālijas.
• Regulējums: Ir nepieciešami skaidri un konsekventi noteikumi, lai stimulētu zaļās ķīmijas pieņemšanu.

Neskatoties uz šiem izaicinājumiem, pastāv arī nozīmīgas iespējas zaļās ķīmijas izaugsmei:

• Pieaugošs pieprasījums pēc ilgtspējīgiem produktiem: Patērētāji arvien vairāk pieprasa ilgtspējīgus produktus, radot tirgu zaļās ķīmijas inovācijām.
• Valdības atbalsts: Valdības visā pasaulē nodrošina finansējumu un stimulus zaļās ķīmijas pētniecībai un attīstībai.
• Tehnoloģiskie sasniegumi: Progresi katalīzē, biotehnoloģijā un materiālzinātnē veicina jaunu zaļās ķīmijas tehnoloģiju attīstību.
• Sadarbība: Sadarbība starp rūpniecību, akadēmiskajām aprindām un valdību ir būtiska, lai paātrinātu zaļās ķīmijas ieviešanu.

Zaļās ķīmijas nākotne

Zaļajai ķīmijai ir paredzēta arvien svarīgāka loma globālo vides problēmu risināšanā. Pasaulei saskaroties ar tādām problēmām kā klimata pārmaiņas, piesārņojums un resursu izsīkšana, nepieciešamība pēc ilgtspējīgiem ķīmiskiem procesiem kļūst arvien aktuālāka. Nākotnes tendences zaļajā ķīmijā ietver:

• Palielināta atjaunojamo izejvielu izmantošana: Fosilā kurināmā rezervēm samazinoties, biomasas, lauksaimniecības atkritumu un oglekļa dioksīda kā izejvielu izmantošana kļūs arvien izplatītāka.
• Jaunu katalizatoru izstrāde: Pētījumi par jauniem katalizatoriem, kas ir efektīvāki, selektīvāki un videi draudzīgāki, turpinās būt galvenais fokuss.
• Bioloģiski noārdāmu polimēru izstrāde: Bioloģiski noārdāmu polimēru izstrāde, kas var aizstāt tradicionālās plastmasas, palīdzēs samazināt plastmasas piesārņojumu.
• Nanotehnoloģiju izmantošana: Nanotehnoloģijas piedāvā jaunas iespējas efektīvāku un ilgtspējīgāku ķīmisko procesu izstrādē.
• Zaļās ķīmijas integrācija izglītībā: Zaļās ķīmijas principu iekļaušana ķīmijas izglītībā visos līmeņos palīdzēs apmācīt nākamo ķīmiķu un inženieru paaudzi ilgtspējīgu ķīmisko procesu izstrādē.

Globālās iniciatīvas un sadarbība

Daudzas globālas iniciatīvas un sadarbības veicina zaļās ķīmijas pieņemšanu visā pasaulē. Tādas organizācijas kā Apvienoto Nāciju Organizācijas Vides programma (UNEP), Ekonomiskās sadarbības un attīstības organizācija (OECD) un Starptautiskā teorētiskās un praktiskās ķīmijas savienība (IUPAC) aktīvi piedalās zaļās ķīmijas pētniecības, izglītības un politikas izstrādes veicināšanā.

Piemēram, UNEP Ilgtspējīgas ķīmijas iniciatīva veicina ilgtspējīgas ķīmijas prakses pieņemšanu jaunattīstības valstīs. OECD darbs pie ilgtspējīgas ķīmijas koncentrējas uz instrumentu un metodoloģiju izstrādi ķimikāliju ietekmes uz vidi un veselību novērtēšanai. IUPAC Zaļās ķīmijas komiteja veicina zaļās ķīmijas izglītību un pētniecību visā pasaulē.

Šīs globālās iniciatīvas, kā arī sadarbība starp rūpniecību, akadēmiskajām aprindām un valdību, ir būtiskas, lai paātrinātu pāreju uz ilgtspējīgāku ķīmisko rūpniecību.

Noslēgums

Zaļā ķīmija ir spēcīga pieeja, lai izstrādātu ķīmiskos procesus, kas ir videi droši un ilgtspējīgi. Ievērojot 12 zaļās ķīmijas principus, ķīmiķi un inženieri var samazināt ķīmiskās ražošanas un izmantošanas ietekmi uz vidi, veicinot mūsu planētas ilgtspējīgāku nākotni. Lai gan izaicinājumi joprojām pastāv, zaļās ķīmijas priekšrocības ir skaidras, un tās plaša pieņemšana ir būtiska, lai risinātu globālās vides problēmas un radītu ilgtspējīgāku pasauli.

Pāreja uz zaļo ķīmiju prasa sadarbību no rūpniecības, akadēmisko aprindu, valdības un sabiedrības puses. Ieguldot zaļās ķīmijas pētniecībā, veicinot zaļās ķīmijas izglītību un īstenojot atbalstošu politiku, mēs varam paātrināt zaļās ķīmijas pieņemšanu un radīt tīrāku, veselīgāku un ilgtspējīgāku nākotni visiem.

Zaļās ķīmijas pieņemšana ir ne tikai vides nepieciešamība; tā ir arī ekonomiska iespēja. Izstrādājot jaunas zaļās ķīmijas tehnoloģijas un produktus, mēs varam radīt jaunas darba vietas, stimulēt inovācijas un uzlabot mūsu nozaru konkurētspēju. Zaļā ķīmija ir abpusēji izdevīgs risinājums, kas sniedz labumu gan videi, gan ekonomikai.