Zaļā ķīmija: Pieteikumi ilgtspējīgai nākotnei

Zaļā ķīmija, kas pazīstama arī kā ilgtspējīgā ķīmija, ir tādu ķīmisko produktu un procesu dizains, kas samazina vai novērš bīstamu vielu lietošanu vai radīšanu. Tā nav tikai tradicionālās ķīmijas papildinājumu kopums; drīzāk tā ir fundamentāli jauna pieeja domāšanai par ķīmiju un tās ietekmi uz vidi un cilvēku veselību. Zaļās ķīmijas principi virza inovācijas daudzās jomās, veicinot ilgtspējīgāku un videi draudzīgāku nākotni. Šis visaptverošais ceļvedis izpēta zaļās ķīmijas daudzveidīgās pielietojamības, uzsverot tās nozīmi dažādās nozarēs un tās potenciālu globālai ietekmei.

12 Zaļās ķīmijas principi

Zaļās ķīmijas pamats ir tās divpadsmit principi, kas kalpo kā ceļvedis ķīmiķiem un inženieriem, lai izstrādātu ilgtspējīgākus procesus un produktus. Šie principi, ko formulējuši Pols Anastass un Džons Vārners, nodrošina pamatu vides ietekmes un cilvēku veselības risku samazināšanai.

• Novēršana: Labāk ir novērst atkritumus nekā tos apstrādāt vai attīrīt pēc to radīšanas.
• Atoma ekonomija: Sintētiskās metodes ir jāizstrādā tā, lai maksimāli iekļautu visas procesā izmantotās vielas galaproduktā.
• Mazāk bīstamas ķīmiskās sintēzes: Cik vien iespējams, sintētiskajām metodēm ir jāizmanto un jāsagenerē vielas, kurām ir maza vai nekāda toksicitāte cilvēku veselībai un videi.
• Drošāku ķimikāliju dizains: Ķīmiskiem produktiem ir jābūt izstrādātiem, lai tie pildītu savu paredzēto funkciju, vienlaikus minimizējot to toksiskumu.
• Drošāki šķīdinātāji un palīgvielas: Palīgvielu (piemēram, šķīdinātāju, atdalīšanas līdzekļu u.c.) lietošana jādara maksimāli nevajadzīga, un, lietojot, tām jābūt nekaitīgām.
• Dizains energoefektivitātei: Ķīmisko procesu enerģijas vajadzības ir jāapzinās to vides un ekonomiskās ietekmes dēļ, un tās ir jāsamazina. Ja iespējams, sintētiskās metodes jāveic apkārtējās temperatūras un spiediena apstākļos.
• Atjaunojamu izejvielu izmantošana: Izejvielām vai barotnei jābūt atjaunojamai, nevis izsmeļamai, ja vien tas ir tehniski un ekonomiski praktiski iespējams.
• Atvasinājumu samazināšana: Nevajadzīgi atvasinājumi (aizsarggrupu izmantošana, aizsardzība/atklāšana, fizisko/ķīmisko procesu pagaidu modifikācija) ir jāsamazina vai jāizvairās, jo šādi soļi prasa papildu reaģentus un var radīt atkritumus.
• Katalīze: Katalītiskie reaģenti (cik vien selektīvi iespējams) ir pārāki par stehiometriskajiem reaģentiem.
• Dizains degradācijai: Ķīmiskiem produktiem ir jābūt izstrādātiem tā, lai to funkcijas beigās tie sadalītos nekaitīgos sadalīšanās produktos un nepastāvētu vidē.
• Reāllaika analīze piesārņojuma novēršanai: Analītiskās metodikas ir jāturpina attīstīt, lai nodrošinātu reāllaika, procesa laikā veiktu uzraudzību un kontroli pirms bīstamu vielu veidošanās.
• Būtībā drošāka ķīmija nelaimes novēršanai: Vielas un vielas forma, ko izmanto ķīmiskajā procesā, ir jāizvēlas, lai samazinātu ķīmisko negadījumu potenciālu, ieskaitot noplūdes, eksplozijas un ugunsgrēkus.

Pieteikumi dažādās nozarēs

Zaļās ķīmijas principi tiek piemēroti plašā nozaru klāstā, pārveidojot tradicionālos procesus un radot ilgtspējīgākas alternatīvas. Šeit ir daži galvenie piemēri:

Farmācija

Farmācijas nozare arvien vairāk pieņem zaļās ķīmijas principus, lai samazinātu atkritumus, uzlabotu procesu efektivitāti un izstrādātu drošākas zāles. Tradicionālā farmācijas ražošana bieži ietver sarežģītas daudzkārtējas sintēzes, kas rada ievērojamu daudzumu atkritumu, ieskaitot šķīdinātājus, reaģentus un blakusproduktus. Zaļā ķīmija piedāvā risinājumus, lai samazinātu šos atkritumus un uzlabotu kopējo narkotiku ražošanas ilgtspējību.

• Katalīze zāļu sintēzē: Katalīzei ir izšķiroša nozīme zaļajā farmācijas sintēzē. Katalītiskās reakcijas var samazināt nepieciešamo reaģentu daudzumu, samazināt atkritumu rašanos un bieži vien ļauj veikt maigākus reakcijas apstākļus. Piemēram, biokatalizatoru (enzīmu) izmantošana noteiktu zāļu sintēzē var aizstāt skarbus ķīmiskos reaģentus un samazināt toksisku blakusproduktu veidošanos. Piemēri ietver statīnu (holesterīna līmeni pazeminošu zāļu) sintēzi ar fermentiem un enzīmu izmantošanu hiralu starpproduktu atdalīšanai, nodrošinot efektīvākus un selektīvākus procesus.
• Šķīdinātāju izvēle: Tradicionālā farmācijas ražošana lielā mērā ir atkarīga no organiskajiem šķīdinātājiem, no kuriem daudzi ir gaistoši, toksiski un videi kaitīgi. Zaļā ķīmija veicina drošāku šķīdinātāju, piemēram, ūdens, superkritiskā oglekļa dioksīda (scCO2) un jonu šķidrumu, izmantošanu. Šie šķīdinātāji ir mazāk toksiski, mazāk ietekmē vidi, un bieži vien var uzlabot reakcijas iznākumu un selektivitāti.
• Plūsmas ķīmija: Plūsmas ķīmija, kas pazīstama arī kā nepārtrauktas plūsmas sintēze, ietver ķīmisko reakciju veikšanu nepārtrauktā plūstošā straumē, nevis partiju reaktoros. Šī pieeja piedāvā vairākas priekšrocības, ieskaitot uzlabotu siltuma pārnesi, labāku reakcijas parametru kontroli un samazinātu atkritumu veidošanos. Plūsmas ķīmija ir īpaši noderīga sarežģītām daudzkārtējām sintēzēm, jo tā ļauj efektīvi integrēt vairākus reakciju posmus un samazina starpposmu attīrīšanas nepieciešamību.
• Atoma ekonomija: Sintētisko ceļu projektēšana ar augstu atoma ekonomiju ir galvenais zaļās ķīmijas princips farmācijas nozarē. Maksimāli iekļaujot izejmateriālus galaproduktā, var ievērojami samazināt atkritumu veidošanos. Tas bieži ietver mazāka skaita aizsarggrupu izmantošanu, kaskādes reakciju izmantošanu (kur vairākas transformācijas notiek vienā solī) un reakciju projektēšanu, kas rada minimālu blakusproduktu.
• Piemēri:
  • Merck Januvia (Sitagliptīna) sintēze: Merck izstrādāja Januvia, zāļu pret 2. tipa diabētu, zaļo sintēzi. Jaunā sintēze samazināja atkritumu veidošanos par aptuveni 75% un novērsa toksiska reaģenta izmantošanu.
  • Pfizer Sertralīna sintēze: Pfizer izstrādāja ilgtspējīgāku sertralīna (Zoloft), antidepresanta, sintēzi, izmantojot biokatalītisku procesu, kas samazināja atkritumus un uzlaboja procesa efektivitāti.

Lauksaimniecība

Zaļās ķīmijas principi pārveido lauksaimniecības praksi, veicinot drošāku un ilgtspējīgāku pesticīdu, mēslošanas līdzekļu un augu aizsardzības stratēģiju izstrādi. Tradicionālās lauksaimniecības prakses bieži ir atkarīgas no sintētiskām ķimikālijām, kurām var būt kaitīga ietekme uz vidi, cilvēku veselību un bioloģisko daudzveidību. Zaļā ķīmija piedāvā inovatīvus risinājumus, lai samazinātu šos riskus un veicinātu ilgtspējīgu lauksaimniecību.

• Drošāki pesticīdi: Zaļā ķīmija virza pesticīdu izstrādi, kas ir mazāk toksiski, vieglāk bioloģiski sadalāmi un selektīvāki savā darbībā. Šie pesticīdi mērķējas uz konkrētiem kaitēkļiem, vienlaikus minimizējot kaitējumu noderīgiem kukaiņiem, savvaļas dzīvniekiem un cilvēku veselībai. Piemēri ietver no dabīgiem avotiem, piemēram, augu ekstraktiem un mikrobu metabolītiem, iegūtus pesticīdus, kuriem bieži ir zemāka toksicitāte un kas vieglāk bioloģiski sadalās.
• Precīzā lauksaimniecība: Precīzā lauksaimniecība ietver progresīvu tehnoloģiju, piemēram, GPS, tālvadības sensoru un datu analīzes, izmantošanu, lai optimizētu tādu resursu kā ūdens, mēslošanas līdzekļu un pesticīdu izmantošanu. Piemērojot šos resursus tikai tur un tad, kad tie ir nepieciešami, precīzā lauksaimniecība samazina atkritumus, samazina vides ietekmi un uzlabo ražu.
• Bio-mēslojumi: Bio-mēslojumi ir dabiskas vielas, kas satur mikroorganismus, kuri uzlabo augu augšanu, uzlabojot barības vielu pieejamību un veicinot sakņu attīstību. Šie mikroorganismi spēj piesaistīt atmosfēras slāpekli, izšķīdināt fosforu un ražot augu augšanu veicinošus hormonus. Bio-mēslojumi ir ilgtspējīga alternatīva sintētiskajiem mēslošanas līdzekļiem, kas var veicināt ūdens piesārņojumu un siltumnīcefekta gāzu emisijas.
• Bio-pesticīdi: Bio-pesticīdi ir pesticīdi, kas iegūti no dabīgiem avotiem, piemēram, baktērijām, sēnītēm, vīrusiem un augiem. Tie piedāvā vairākas priekšrocības salīdzinājumā ar sintētiskajiem pesticīdiem, ieskaitot zemāku toksicitāti, lielāku bioloģisko sadalīšanos un samazinātu rezistences attīstības risku kaitēkļiem. Piemēri ietver Bacillus thuringiensis (Bt) toksīnus, ko plaši izmanto kaitēkļu apkarošanai lauksaimniecībā.
• Piemēri:
  • Drošāku herbicīdu izstrāde: Uzņēmumi izstrādā herbicīdus, kas balstīti uz dabiski sastopamiem savienojumiem vai kam ir zemāks toksiskuma profils salīdzinājumā ar tradicionālajiem herbicīdiem.
  • Bioloģisko kontroles līdzekļu izmantošana: Noderīgu kukaiņu un mikroorganismu izmantošana kaitēkļu apkarošanai ir augošs tendence lauksaimniecībā, samazinot sintētisko pesticīdu nepieciešamību.

Materiālzinātne

Zaļā ķīmija revolucionē materiālzinātni, veicinot ilgtspējīgu materiālu dizainu un izstrādi, kas ir mazāk toksiski, izturīgāki un vieglāk pārstrādājami. Tradicionālā materiālzinātne bieži ietver bīstamu ķimikāliju un energoietilpīgu procesu izmantošanu. Zaļā ķīmija piedāvā inovatīvus risinājumus, lai samazinātu šos vides un veselības riskus un radītu ilgtspējīgākus materiālus.

• Bioplastmasas: Bioplastmasas ir plastmasas, kas iegūtas no atjaunojamiem resursiem, piemēram, kukurūzas cietes, cukurniedru un celulozes. Tās piedāvā ilgtspējīgu alternatīvu tradicionālajām naftas bāzes plastmasām, kas nav bioloģiski sadalāmas un veicina plastmasas piesārņojumu. Bioplastmasas var būt bioloģiski sadalāmas vai kompostējamas, samazinot to ietekmi uz vidi to dzīves cikla beigās.
• Zaļie kompozītmateriāli: Zaļie kompozītmateriāli ir materiāli, kas sastāv no dabīgām šķiedrām (piemēram, kaņepēm, lins, džutas) un bio-bāzētām sveķiem. Tie piedāvā ilgtspējīgu alternatīvu tradicionālajiem kompozītmateriāliem, kas bieži ir izgatavoti no sintētiskām šķiedrām un naftas bāzētām sveķiem. Zaļajiem kompozītmateriāliem ir mazāka ietekme uz vidi, tie ir vieglāk bioloģiski sadalāmi, un tos var izmantot dažādās lietojumprogrammās, piemēram, automobiļu detaļās, celtniecības materiālos un iepakojumā.
• Ilgtspējīgi pārklājumi: Zaļā ķīmija virza ilgtspējīgu pārklājumu izstrādi, kas ir mazāk toksiski, izturīgāki un videi draudzīgāki. Tradicionālie pārklājumi bieži satur gaistošus organiskos savienojumus (GOS), kas var veicināt gaisa piesārņojumu un radīt veselības riskus. Zaļie pārklājumi ir balstīti uz ūdens vai bio-bāzētām formulām un satur minimālu vai nekādu GOS.
• Pārstrāde un atkārtota izmantošana: Zaļās ķīmijas principi veicina viegli pārstrādājamu un atkārtoti izmantojamu materiālu dizainu. Tas ietver tādu materiālu izmantošanu, ko var viegli atdalīt un apstrādāt, tādu produktu dizainu, ko var izjaukt un pārveidot, un tādu slēgta cikla sistēmu izstrādi, kas samazina atkritumu veidošanos.
• Piemēri:
  • Nākamās paaudzes saules bateriju izstrāde: Pētnieki strādā pie jauniem saules bateriju veidiem, kas balstīti uz organiskajiem materiāliem vai perovskīta struktūrām, kuriem ir potenciāls būt efektīvākiem un rentablākiem nekā tradicionālajām silīcija saules baterijām.
  • Bio-degvielas ražošana no atkritumu materiāliem: Uzņēmumi izstrādā tehnoloģijas atkritumu materiālu, piemēram, lauksaimniecības atlieku un sadzīves cieto atkritumu, pārveidošanai bio-degvielās.

Enerģija

Zaļā ķīmija spēlē kritisku lomu ilgtspējīgu enerģijas tehnoloģiju, ieskaitot saules enerģiju, bio-degvielas un enerģijas uzglabāšanu, attīstībā. Tradicionālās enerģijas ražošanas metodes bieži ir atkarīgas no fosilajiem kurināmajiem, kas veicina klimata pārmaiņas, gaisa piesārņojumu un resursu izsīkšanu. Zaļā ķīmija piedāvā inovatīvus risinājumus tīrāku un ilgtspējīgāku enerģijas avotu izstrādei.

• Saules enerģija: Zaļā ķīmija veicina efektīvāku un rentablāku saules bateriju izstrādi. Tas ietver mazāk toksisku un plašāk pieejamu materiālu izmantošanu, gaismas uztveršanas un konversijas efektivitātes uzlabošanu un izturīgāku un pārstrādājamu saules bateriju projektēšanu.
• Bio-degvielas: Bio-degvielas ir kurināmais, kas iegūts no atjaunojamās biomasas, piemēram, kultūraugiem, aļģēm un atkritumu materiāliem. Tās piedāvā ilgtspējīgu alternatīvu fosilajiem kurināmajiem, samazinot siltumnīcefekta gāzu emisijas un veicinot enerģētisko neatkarību. Zaļā ķīmija spēlē galveno lomu efektīvāku un ilgtspējīgāku bio-degvielu ražošanas metožu izstrādē, piemēram, biomasas fermentatīvā hidrolīze un cukuru katalītiskā konversija degvielās.
• Enerģijas uzglabāšana: Zaļā ķīmija veicina progresīvu enerģijas uzglabāšanas tehnoloģiju, piemēram, bateriju un degvielas elementu, izstrādi. Tas ietver mazāk toksisku un plašāk pieejamu materiālu izmantošanu, bateriju enerģijas blīvuma un cikla kalpošanas laika uzlabošanu un efektīvāku un izturīgāku degvielas elementu projektēšanu.
• Katalīze enerģijas ražošanai: Katalīzei ir izšķiroša nozīme daudzos ar enerģiju saistītos procesos, piemēram, ūdeņraža ražošanā no ūdens un biomasas konversijā degvielās. Zaļā ķīmija koncentrējas uz efektīvāku un ilgtspējīgāku katalizatoru izstrādi, kas var darboties maigākos apstākļos un izmantot mazāk enerģijas.
• Piemēri:
  • Nākamās paaudzes saules bateriju izstrāde: Pētnieki strādā pie jauniem saules bateriju veidiem, kas balstīti uz organiskajiem materiāliem vai perovskīta struktūrām, kuriem ir potenciāls būt efektīvākiem un rentablākiem nekā tradicionālajām silīcija saules baterijām.
  • Bio-degvielu ražošana no atkritumu materiāliem: Uzņēmumi izstrādā tehnoloģijas, lai atkritumu materiālus, piemēram, lauksaimniecības atliekas un sadzīves cietos atkritumus, pārveidotu par bio-degvielām.

Citas pielietojamības

Papildus iepriekš minētajām nozarēm zaļā ķīmija atrod pielietojumu daudzās citās jomās, tostarp:

• Kosmētika: Drošāku un ilgtspējīgāku sastāvdaļu izstrāde personīgās aprūpes līdzekļiem.
• Tīrīšanas līdzekļi: Tīrīšanas līdzekļu formulēšana ar bioloģiski sadalāmiem un netoksiskiem ingredientiem.
• Tekstilizstrādājumi: Ilgtspējīgu krāsvielu un apdares procesu izstrāde tekstilrūpniecībai.
• Elektronika: Bīstamu materiālu lietošanas samazināšana elektronisko ierīču ražošanā.

Izaicinājumi un iespējas

Lai gan zaļā ķīmija piedāvā ievērojamu potenciālu ilgtspējīgākas nākotnes radīšanā, pastāv arī izaicinājumi tās plašai izmantošanai. Šie izaicinājumi ietver:

• Izmaksas: Zaļās ķīmijas procesi dažreiz var būt dārgāki nekā tradicionālie procesi, lai gan tas bieži tiek kompensēts ar samazinātām atkritumu apsaimniekošanas izmaksām un uzlabotu procesa efektivitāti ilgtermiņā.
• Veiktspēja: Zaļās ķīmijas produkti ne vienmēr var darboties tikpat labi kā tradicionālie produkti, kas prasa turpmākus pētījumus un attīstību, lai uzlabotu to veiktspēju.
• Informētība: Ir nepieciešama lielāka informētība un izglītība par zaļās ķīmijas principiem un to priekšrocībām starp ķīmiķiem, inženieriem un plašu sabiedrību.
• Regulējums: Nepieciešami skaidri un konsekventi noteikumi, lai veicinātu zaļās ķīmijas prakses izmantošanu un stimulētu drošāku ķimikāliju izstrādi.

Neskatoties uz šiem izaicinājumiem, zaļās ķīmijas iespējas ir milzīgas. Izmantojot zaļās ķīmijas principus, nozares var samazināt savu ietekmi uz vidi, uzlabot savu ekonomisko sniegumu un radīt ilgtspējīgāku nākotni visiem.

Secinājums

Zaļā ķīmija ir transformatīva pieeja ķīmijai, kas piedāvā ceļu uz ilgtspējīgāku un videi draudzīgāku nākotni. Izstrādājot ķīmiskos produktus un procesus, kas samazina vai novērš bīstamu vielu lietošanu, zaļā ķīmija var samazināt piesārņojumu, aizsargāt cilvēku veselību un saglabāt resursus. Tā kā nozares arvien vairāk atzīst zaļās ķīmijas priekšrocības, tās pielietojamības paplašinās dažādās nozarēs, virzot inovācijas un radot jaunas iespējas veselīgākai planētai. Zaļās ķīmijas principu pieņemšana ir ne tikai ētiska nepieciešamība, bet arī stratēģiska priekšrocība uzņēmumiem, kas vēlas gūt panākumus strauji mainīgajā pasaulē. Ceļš uz patiesi ilgtspējīgu nākotni lielā mērā ir atkarīgs no zaļās ķīmijas risinājumu nepārtrauktas attīstības un īstenošanas.