Зеленая химия

Размещено на http://www.allbest.ru/

РЕФЕРАТ

Основные принципы "зеленой химии"

Казань-2016

Оглавление

Определение «зеленой химии»

12 принципов «зеленой химии»

Задачи

Замена растворителей

Количественный анализ

Что такое возобновляемые ресурсы и почему они эффективнее для использования с точки зрения зеленой химии?

Что такое биодизель?

Снижение энергетических потерь

Как внедрить «зелёный» процесс

Список литературы

Определение «зеленой химии»

В настоящий момент идет смена административных методов, которые предназначены для контроля над качеством выбросов, а также к снижению образованных вредных веществ, к принципиально новейшим способам - способам «зеленой» химии. К этой технологии с точки зрения химика могут быть отнесены любые усовершенствования технологических процессов, положительно влияющих на окружающую среду. Научное направление, названное «зеленой химией» образовалось в конце 20 века и стремительно переместилось на первый ряд задач, стоящих перед химическим сообществом. Новые схемы химических процессов и реакций, разрабатывающихся во многих странах мира, должны кардинально снизить отрицательное влияние на окружающую среду крупных химических производств. Влияние химических рисков, которые возникают при использовании агрессивных веществ, химики-производственники стараются уменьшить, ограничивая контакты работников с этими веществами. Однако, зеленая химия предлагает совершенно иную стратегию - избирательный отбор схем процессов и материалов, которые вообще не допускают использование вредных веществ. С помощью зеленой химии можно снизить материальные затраты на производство, так как отбрасывается необходимость ликвидации и переработки побочных продуктов, использованных растворителей и других отходов. Уменьшение количества технологических ступеней приводит к экономии энергии, что позитивно влияет на экономическую и экологическую характеристику производства.

12 принципов «зеленой химии»

химический вредный зеленый возобновляемый

В 1998 году Дж.Уорнер и П.Анастас в своей книги «Зеленая химия: Теория и практика» обозначили 12 принципов Зеленой химии. Эти положения отображают деятельность научного сообщества, промышленности и государственных органов, направленную на сокращение или ликвидацию эксплуатации вредных материалов и химических процессов.

Практичнее предупредить потери, чем перерабатывать и очищать остатки.

Нужно выбрать такие методы синтеза, чтобы все материалы, задействованные в ходе процесса, были максимально доведены до конечных продуктов.

По возможности стоит выбирать такой синтез, чтобы используемые и полученные вещества были минимально вредными и токсичными.

При создании новых химических веществ, нужно постараться сохранить рабочую эффективность, уменьшая токсичность.

Желательно не использовать растворители и другие вспомогательные вещества или же они должны быть безвредными.

Энергетический аспект нужно обязательно учитывать, а также их стоимость и воздействие на окружающую среду. По возможности проводить синтез при нормальной температуре и атмосферном давлении.

Исходные и расходуемые материалы должны быть возобновляемыми во всех случаях, когда это технически и экономически выгодно.

Нужно по возможности не допускать образования промежуточных продуктов.

Предпочтение следует отдавать процессам, проходящим по каталитическому принципу (по возможности наиболее селективным).

Химический продукт должен разлагаться на безопасные компоненты, а не оставаться в окружающей среде.

Аналитические методики должны быть экспрессными, чтобы получать данные об опасных веществах в реальном времени.

Используемые и получаемые вещества должны быть пожаро- и взрывобезопасными

Задачи

Задачи, которые стоят перед зеленой химией, можно поделить на два направления. Первое из них относится к переработке, утилизации, уничтожении экологически опасных побочных продуктов промышленных предприятий таким образом, чтобы устранить экологическую опасность или уменьшить ее. Следующее направление более перспективно и связано с созданием новейших промышленных процессов, позволяющих исключения экологически вредных веществ, в том числе и побочных продуктов, или сведению их использования и выделения к минимальным значениям.

Для оценки промышленных процессов методом зеленой химии нужно привлечь значительное число факторов, например, стоимость реагента, оборудования и труда; траты на утилизацию отходов, очистку и специальную обработку целевого продукта; логистические затраты; обеспечение хранения; расходы на дополнительные меры предосторожности и другие. Однозначно, если смотреть на каждый из этих факторов по отдельности, то может показаться, что зеленая химия только увеличивает затраты технологического процесса.

Так, например, значительная масса гетерогенных катализаторов содержит в себе дорогие благородные металлы. Однако увеличение избирательно химического процесса автоматически уменьшает стоимость на обработку и ликвидацию отходов. В итоге полная себестоимость стадии чаще выходит дешевле, независимо от дороговизны катализаторов.

Схожие результаты характерны и для пункта №3, который гласит, что «методы синтеза по возможности стоит избирать таким образом, чтобы используемые и синтезируемые вещества были как можно менее вредными для человека и окружающей среды».

Применение даже незначительных токсичных веществ весьма расширяет траты на процесс, начиная с закупки, расхода на перевозку, хранение, а также затраты на обеспечение специальных мер защиты. Переход на нетоксичные реагенты позволяет получить выгоду как с экологической, так и с экономической точек зрения.

Замена растворителей

Также зеленая химия предусматривает смену растворителей в производственных процессах. Растворители необходимы, так как они выполняют роль транспортировки (удаление грязи, разведение красок), а также смешивание компонентов. Помимо этого, растворители могут доставлять и относить теплоту, а также контролировать реакционную способность веществ. На сегодняшний день в основном используются летучие органические растворители, на основе нефти. Поэтому, они ограничены в ресурсах и небезопасны (пожароопасность, токсичность). Возможно ли избавиться от них? Во-первых, можно вообще не использовать растворитель. Во-вторых, можно в качестве растворителя взять воду, биоразлагающиеся «зеленые» растворители, ионные и сверхкритические растворители.

Количественный анализ

Для количественной характеристики технологических процессов используют две основные характеристики: атомная эффективность и Е-фактор. Эти величины ввел в обиход профессор Роджер Шелдон, который является автором более 400 научных работ в области зеленой химии.

Е-фактор это отношение массы всех побочных продуктов (являющихся формально отходами производства) к массе целевого продукта. Поэтому, зная Е-фактор мы можем оценить отношение использованного сырья к количеству полученных отходов. Чем больше Е-фактор, тем менее «зелеными» получаются реакции и процессы. Значение Е-фактора может меняться в довольно большом интервале, причем для разных областей промышленности.

Таблица 1. Величины Е-фактора для различных отраслей промышленности.

К примеру, значение Е-фактора невелико в случае нефтепереработки, так как все части нефти употребляют в последующей переработке, а также значительна доля каталитических реакций с заметной селективностью. Из этой таблицы становится ясным, что если ход синтеза довольно трудоемок и сложен, то величина Е-фактора становится выше. Е-фактор принимает максимальное значение при приготовлении лекарственных продуктов. Сегодняшние лекарства не только химически сложные вещества, но зачастую являются оптическими изомерами с особыми свойствами. При их синтезе необходимы большое количество растворителей, экстрагентов, катализаторов и др.

Помимо Е-фактора можно использовать показатель атомной эффективности. Атомную эффективность рассчитывается отношением молярной массы целевого вещества к сумме молярных масс всех остальных веществ.

По факту, атомная эффективность показывает нам на степень полезного действия химических элементов, которые входили в состав исходных соединений. При значениях атомной эффективности, стремящихся к ста процентам, говорят о «зеленой» химии этого процесса.

Фактически, атомная эффективность рассматривает степень полезного использования химических элементов, входящих в состав исходных соединений. Чем ближе атомная эффективность к 100%, тем более зеленой является данная реакция. Рассмотрим в качестве примера несколько химических реакций:

Для перечисленных выше реакций все химические элементы, которые составляют исходные вещества, входят в состав целевого продукта, и величина атомной эффективности равна 100%.

Для большого набора химических реакций повысить величину атомной эффективности можно используя катализатор. Рассмотрим реакцию, представленную на схеме:

Осуществить превращение изобутилена в третбутиламин можно некаталитически в две стадии (путь 1) двустадийным некаталитическим путем. В этом случае атомная эффективность суммарного процесса составляет всего 15 %. В тоже время проведение реакции каталитическим способом (путь 2), предложенным фирмой BASF, повышает атомную эффективность до 100%. Кроме того, для этой реакции использование катализатора позволило отказаться от применения ядовитых реагентов, таких как синильная кислота.

Бывают, однако, химические реакции, в которых атомная эффективность никогда не может быть равной 100%. К таким реакциям, например, относится реакция нейтрализации, в которой образование воды является обязательным условием:

Также атомная эффективность не может быть равна 100 %, например, для реакций замещения и элиминирования.

Что такое возобновляемые ресурсы и почему они эффективнее для использования с точки зрения зеленой химии?

Один из принципов Зеленой химии связан с использованием возобновляемых ресурсов вместо ископаемых. Сегодня ни для кого не секрет, что ископаемые ресурсы планеты исчерпываются. В связи с этим встает необходимость перехода к тем ресурсам, запасы которых могут быть пополнены. Если говорить более строго, то к возобновляемым природным ресурсам относят такие ресурсы, запасы которых или восстанавливаются быстрее, чем используются (или скорость их восстановления сравнима со скоростью расходования), или не зависят от того, используются они или нет. Например, к возобновляемым природным ресурсам относится растительное сырье (древесина, злаковые культуры и др.). Некоторые ресурсы, которые относят к возобновляемым, на самом деле не восстанавливаются и когда-нибудь будут исчерпаны. К ним относятся, например, солнечная и геотермальная энергии. «Зеленым» направлением развития химической промышленности является синтез топлива из биологического возобновляемого сырья (биотопливо). На сегодняшний день существует большое количество проектов на эту тему, предлагающие переработки стеблей сахарного тростника или семян рапса, кукурузы, сои.

Что такое биодизель?

На сегодняшний день основными видами "растительного" топлива, который применяется для бензиновых двигателей, являются биодизель и биоэтанол. Последний производят из сахарной свеклы, пшеницы, кукурузы и сахарного тростника. В сущности, это обычный спирт, при изготовлении которого для нужд энергетики, конечно, существуют свои технологические особенности.

В качестве автомобильного топлива этанол по некоторым параметрам превосходит бензин. В нем гораздо меньше примесей (например, серы), а октановое число по исследовательскому методу достигает 125 единиц. Однако заправлять большинство серийных автомобилей биоэтанолом в чистом виде пока нельзя. Поэтому этанол иногда используют как высокооктановую добавку в привычный бензин, а соответствующее топливо маркируют буквой Е, например, маркировка бензина Е10 (10% этанола). Наибольшее распространение биотопливо получило в Бразилии, ископаемые запасы в которой невелики, а вот климат вполне способствует выращиванию растительного сырья. Еще одним преимуществом биотоплива считают сокращение выбросов парниковых газов. Конечно, это совсем не оцначает, что при сгорании биотоплива образуется меньше диоксида углерода. При сгорании биотоплива в атмосферу возвращается углерод, который ранее поглотили растения, поэтому углеродный баланс планеты остаётся неизменным. В тоже время при сжигании ископаемого топлива «законсервированный» углерод поступает а атмосферу.

Снижение энергетических потерь

Еще один путь "озеленения" российской химической промышленности - это снижение энергетических потерь на производственных линиях. Чем выше энергоемкость объекта, чем более старой техникой он оснащен, тем выше потенциал экономии. Так специалисты компании Voltaware подсчитали, что только за счет активного мониторинга расходов энергопотребления можно снизить энергоемкость отечественной нефтеперерабатывающей промышленности на 20-30 процентов. Анализ энергопотребления помогает выявить случаи нерационального использования приборов и понять, какое оборудование стоит заменить на более экономичное.

Дальнейшей перспективой в России станет развитие проектов с нулевым потреблением энергии и нулевым выбросом углерода, поясняет Сергей Зюзя, генеральный директор компании Sika Россия. Для появления таких проектов потребуются масштабные системные изменения в системе сертификации, регулирования и контроля "зеленых" материалов. Должна быть создана законодательная база для производства экоматериалов. Кроме того, потребуются значительные инвестиции в производство - новые технологии потребуют нового оборудования и времени для обучения новым технологиям.

Как внедрить «зелёный» процесс

Внедрение -- задача трудная даже для промышленно развитых стран. В Великобритании, например, сейчас всячески поощряют взаимодействие учёных и химиков-технологов -- раньше такого практически не было. Создаются даже совместные центры для внедрения „зелёной“ химии.

В Ноттингемском университете впервые в мире начали читать курс по зелёной химии для студентов-химиков и химиков-технологов последнего года обучения. Старшекурсников учат рассматривать химико-технологический процесс в целом, а не фрагментарно. Сегодня уже недостаточно, чтобы специалист мог подобрать традиционный или наиболее дешёвый реагент для промышленного синтеза, необходимо держать в уме весь процесс от начала до конца. Первичные источники исходного реагента (добываемые или возобновляемые); как этот реагент получают; атомная эффективность реакции; растворители -- их минимизация или использование нетоксичных растворителей; селективность выхода (низкий выход возможен только в случае, если в реакции нет побочных продуктов или если исходное вещество можно использовать повторно); стоимость побочных продуктов (может быть настолько высока, что обеспечит жизнеспособность процесса)… Словом, рассказать обо всём химическом процессе от получения исходных продуктов до конечного результата -- это само по себе гигантская работа. А чтобы ещё производство получилось „зелёным“ да не очень дорогим…

Благодаря совместному семинару для молодых учёных „Зелёная химия и катализ“, который теперь должен стать традиционным и ежегодным, появилась надежда, что и наши химики-технологи когда-нибудь задумаются об „озеленении“ химического производства, тем более что у нас есть интересные работы в этой области.

Список литературы

Великородов А.В., Тырков А.Г. Зеленая химия. Методы, реагенты и инновационные технологии / Монография. -- Астрахань: Астраханский государственный университет, Издательский дом «Астраханский университет», 2010. -- 258 с.

Алыкова Т.В. Химический мониторинг объектов окружающей среды / Монография. - Астрахань: Изд-во Астрах. гос. пед. ун-та, 2002. - 210с.

Барбье М. Введение в химическую экологию / М.: Мир, 1978. -- 230 с.

Голдовская Л.Ф. Химия окружающей среды / Москва, Мир, 2005. - 296 с.

Е.В.Голубина. Зеленая химия в вопросах и ответах. [Электронный ресурс] / Научно-образовательный Центр "Химия в интересах устойчивого развития - Зеленая химия" 2006 - Режим доступа: http://www.greenchemistry.ru

А.Ю. Жуков, А.А. Мухамадиев. Методы «зеленой» химии: новые экологичные решения в области нефтепромысловых реагентов. [Электронный ресурс] / Экологическая и промышленная безопасность, 2010 - Режим доступа: http://www.mirrico.ru/articles/NH-Green_Chemistry.pdf

Мартин Поляков, Ричард Бурн. Зеленая химия 20 лет спустя. [Электронный ресурс] / «ХиЖ», 2012, №10 - Режим доступа: http://hij.ru

Размещено на Allbest.ru