Зелена хімія

Принципи зеленої хімії. Використання каталітичних технологій та диметилкарбонату в метилюванні. Об'єм виробництва полімерних матеріалів. Каталітичні системи та процеси. Як запровадити "зелений" процес. Кількісні оцінки у зеленій хімії.

хімія

Надіслати свою гарну роботу до бази знань просто. Використовуйте форму нижче

Студенти, аспіранти, молоді вчені, які використовують базу знань у своєму навчанні та роботі, будуть вам дуже вдячні.

Розміщено наhttp://www.allbest.ru/

У хімії немає відходів, а є невикористана сировина

Сформований образ хімії як науки, що приносить незліченні лиха людству і руйнує природу, на жаль, має під собою певні підстави. Проблеми чистоти повітря, води та збереження природи – нагальні проблеми людства, а для жителів міст та мегаполісів ці проблеми зростають багаторазово. Коптливі заводські труби, смолоскипи, «лисячі хвости», викиди ТЕЦ та автомобілів – це все з нашого реального життя. Людство, через два століття розвитку сучасної хімії та через сто років промислового її застосування, прийшло до тієї незримої межі, коли очевидними стали дві істини: 1) без хімії (читайте: без нових матеріалів, ефективних ліків, засобів захисту рослин, список можна продовжувати до кінця сторінки) людина не може обійтися і 2) хімічне виробництво в сучасному вигляді далі існувати не повинно. Щось має бути зроблено, щоб перетворити хімію та хімічну промисловість із монстра, яким лякають депутатів парламентів та маленьких дітей, у галузь із людським обличчям. Однак чим було б наше життя без хімії? Чи змогло без неї вижити людство, розвиватись цивілізація?

Відповіді на ці питання зрозумілі: без сучаснихматеріалів, барвників, засобів захисту рослин, ліків було б неможливо. Так з'явилася "зелена" хімія (в англійському варіанті - "green chemistry")

Щоб зробити хімію «зеленою», потрібні нові технології, нові матеріали, нові енергоносії, тож розробки вчених-фахівців у галузі «зеленої» хімії винятково потрібні нині.

"Зелена" хімія - це не розділ хімії, а новий спосіб мислення в хімії. Загалом це і не тільки хімія, хоча без глибоких знань хімії та хімічної технології тут не обійтися. Багато хто помилково вважає, що «зелена» хімія та екологія – це одне й те саме. Навпаки, кінцева мета «зеленої» хімії - звести нанівець зусилля екологів з видалення тих шкідливих викидів, які є основною проблемою практично всіх хімічних (і не тільки хімічних) виробництв. Якщо екологи намагаються знешкодити наслідки, створювані хімією, то завдання «зеленої хімії» – забезпечити такі виробництва, у яких такі наслідки взагалі відсутні. Шляхи, якими вже зараз рухається зелена хімія, можна згрупувати в три великі напрямки:

1) нові шляхи синтезу (часто це реакції із застосуванням каталізатора);

2) відновлювані вихідні реагенти (тобто отримані не з нафти);

3) заміна традиційних органічних розчинників.

«Зелена» хімія - це нова філософія хімії, нова мова, що допомагає поглянути на хімічну галузь не з позицій утилітарних (отримання прибутку, виробництво продуктів, які мають попит), хоча це теж важливо, а й з позицій гуманітарних. У цьому сенсі принципи «зеленої» хімії все частіше обговорюються в контексті концепції сталого розвитку. Останнім часом опрацьовуються питання, пов'язані зі «стійкістю», довготривалістю технологій та процесів,навіть продуктів. Основні положення концепції сталого розвитку базуються на простій і очевидній ідеї, висловленій Брундтландом: задоволення потреб нинішнього покоління повинно здійснюватися таким чином, щоб не обмежувати і не наражати на небезпеку можливості задоволення потреб майбутніх поколінь. Інакше, нинішнє покоління, тобто. ми з вами, уподібнимося до Хроноса, який пожирав своїх дітей.

Що стосується зв'язку «зеленої» хімії та стійкості розвитку дійсно, концепція сталого розвитку включає до списку основних питань, які має вирішувати людство, такі:

джерела енергії та нові палива;

їжа, включаючи питну воду;

глобальні кліматичні зміни;

проблема забруднення повітря, води (світовий океан, моря, озера, річки, підземні джерела) та ґрунту;

проблема обмеження виробництва та споживання токсичних та шкідливих продуктів.

З цього списку видно, що тільки проблема регулювання населення залишається осторонь хімії, хоча рівень життя і здоров'я населення, проблеми дитинства і старості так чи інакше пов'язані з хімією. Як не згадати Михайла Васильовича Ломоносова: «Широко розповсюджує хімія руки свої у людські справи». Так, пошук нових джерел енергії, енергоносіїв та палив вже давно знаходиться в центрі уваги хімії (переробка природного газу, особливо в рідкі продукти, диметиловий ефір як альтернатива дизельному паливу, фотоелектричні перетворювачі сонячної енергії, нарешті воднева енергетика). Проблемами харчування та їжі хіміки займаються з незапам'ятних часів, згадаємо гідрогенізацію жирів, синтетичні вітаміни, біологічно активні добавки та синтетичну їжу, а проблема створення та споживання генетичномодифікованих продуктів досі не сходить з перших сторінок газет та новинних програм. Глобальні зміни клімату також, по суті, пов'язані з фізико-хімічними процесами, і навчитися керувати цими процесами – найближча мета вчених. Нічого, крім хімії, не працює, коли стоять завдання очищення повітря, води чи ґрунту від летких та розчинених органічних та неорганічних речовин. Нарешті, пошук нових нешкідливих (щонайменше, для людини, а принаймні для значної частини навколишньої природи) засобів захисту рослин, стимуляторів росту і т.д. - чи це завдання хімії?

Принципи зеленої хімії

Принцип 1. Краще запобігати утворенню викидів та побічних продуктів, ніж займатися їх утилізацією, очищенням чи знищенням.

Слід сказати, що використання каталітичних технологій дає величезну кількість прикладів, що ілюструють практично всі 12 принципів, але каталіз та його переваги стали основою окремого принципу (принцип 9). Разом з тим перший принцип наочно ілюструється численними прикладами процесів і виробництв, особливо органічного синтезу, в яких шкідливі реагенти замінюються останнім часом на менш шкідливі, ефективніші, що дають менше побічних продуктів, або такі побічні продукти, які легше утилізуються. Наприклад, замість фосгену (СОС12) як карбонілірующего агента в деяких процесах використовують диметилкарбонат (СН3О)2С=O, який отримують за реакцією :

Той же диметилкарбонат почали застосовувати як альтернативний метилхлориду і диметилсульфату.

Так само в процесах відновлення органічних сполук використання водню видається екологічно більш виправданим, ніж застосування LiAlH4, NaBH4, мурашиної кислоти та ін.відновлювачів, які дають побічні продукти, що потребують утилізації.

Аналогічна ситуація виникає в процесах окислення: очевидно, що використання стехіометричних реагентів, таких як КМnO4, СrO3, К2СrО4, К2Сr2О7, NaClO3, NaCIO, органічні гідропероксиди та інших менш привабливо, ніж пероксиду водню, закису азоту або повітря (кисню). Інша річ, що не вдається отримати бажаний продукт, використовуючи повітря для окислення. Приклади каталітичних процесів за участю таких «зелених» (хоч і безбарвних) окислювачів будуть розглянуті далі.

Навіть заміна хроматів і перманганатів як окислювач на гіпохлорит натрію в окисленні спиртової групи в деяких стероїдах в карбонільну групу є ілюстрацією вищевикладеного принципу, оскільки з гіпохлориту в якості побічного продукту утворюється хлорид натрію, що не є, на відміну від сполук хрому .

Принцип 2. Стратегія синтезу має бути обрана таким чином, щоб ВСІ матеріали, що використовувалися в процесі синтезу, максимально увійшли до складу продукту.

Тут слід запровадити поняття атомної економії чи атомної ефективності, запропоновані різних модифікаціях Б. Тростом і Р. Шелдоном. Повнота використання вихідної речовини називається атомною ефективністю, і цей показник можна використовувати як міру "зеленості" хімічного виробництва:

Атомна ефективність = Кількість атомів у продукті Ч 100%/Кількість атомів у вихідних речовинах.

Звичайно, процес в одну стадію А + В = С (наприклад, полімеризація етилену) набагато ефективніше, ніж А + В = С (потрібний продукт) + D (побічний продукт). Ідею атомної ефективності Р. Шелдон висловлював через Е-фактор, який показує кількість втрат на кілограм.продукту.

Кількість тонн продуктів

Співвідношення, кг (Е) побічний продукт/потрібний продукт