Кіріспе

Химия және химиялық инженериядағы ғылыми-зерттеу саласы. Жасыл химия, тұрақты химия немесе айналмалы химия сияқты, химия және химиялық инженерияның қауіпті заттарды пайдалану мен өндіруді азайтуға немесе жоюға бағытталған өнімдер мен процестерді жобалауға арналған саласы болып табылады. Экологиялық химия ластаушы химиялық заттардың табиғатқа тигізетін әсеріне назар бөлсе, жасыл химия химияның экологиялық әсеріне, соның ішінде жаңартылмайтын ресурстарды тұтынуды азайтуға және ластануды алдын алудың технологиялық тәсілдеріне бағытталған. Жасыл химияның басты мақсаттары – молекулалардың, материалдардың, өнімдердің және процестердің ресурстарды тиімді пайдалануын және қауіпсіздігін арттыру – түрлі жағдайларда іске асырылуы мүмкін.

Тенденциялар

Химиялық процестің экологиялық тазалығын бағалау ғана емес, сонымен қатар химиялық өнімнің мөлшерін, реакция компоненттерінің бағасын, химиялық заттарды қолдану қауіпсіздігін, жабдық талаптарын, энергия тұтынуын және өнімді өңдеу мен тазартудың қарапайымдылығын ескеру үшін де күш салынуда. Бір сандық зерттеуде нитробензолды анилинге айналдыру 100 баллдан 64 балл алып, оны жалпы алғанда қанағаттанарлық синтез деп бағалайды, ал HMDS қолданылатын амид синтезі тек 32 баллмен жеткілікті деп сипатталады. Жасыл химия зерттеушілердің нанотехнологияның қоршаған ортаға тигізетін әсерін бағалау үшін пайдаланатын қуатты құрал ретінде қарастырылады. Наноматериалдар әзірленген кезде, олардың ұзақ мерзімді экономикалық тиімділігін қамтамасыз ету үшін өнімдердің өзінің және оларды өндіру процестерінің қоршаған ортаға және адам денсаулығына тигізетін әсерін ескеру қажет. Наноматериалдар технологиясы қолданысқа енгенімен, адамдар оның мүмкін болатын нанотоксикалық әсерін назарға алмайды. Сондықтан, адамдар наноматериалдармен байланысты заңдық, этикалық, қауіпсіздік және реттеу мәселелерін одан әрі қарастыруы керек.

Жасыл еріткіштер

Адамның қызметінде еріткіштердің басты қолданылуы – бояулар мен жабындарда (пайдаланудың 46%). Көлемі аз қолданылуларға тазалау, майсыздандыру, жақсытушы заттар және химиялық синтез кіреді. Дәстүрлі еріткіштер көбінесе улы немесе хлорланған болады. Ал жасыл еріткіштер әдетте денсаулыққа және қоршаған ортаға аз зиян келтіреді, сонымен қатар тұрақтырақ. Ең жақсы жағдайда еріткіштер жаңаруға болатын ресурстардан алынып, зиянсыз, көбінесе табиғи заттарға ыдырайды. Дегенмен, биомассадан еріткіштерді өндіру, сол еріткіштерді табиғи отыннан өндіруге қарағанда қоршаған ортаға зиянды болуы мүмкін. Сондықтан, өнім немесе процестің үшін еріткішті таңдағанда, еріткіш өндірісінің қоршаған ортаға тигізетін әсерін ескеру қажет. Тағы бір маңызды фактор – еріткішті пайдаланғаннан кейін оның тағдыры. Егер еріткіштің жиналуы мен қайта өңделуі мүмкін жабық ортада қолданса, қайта өңдеумен байланысты энергия шығыны мен қоршаған ортаға зияндылығын қарастыру керек; мұндай жағдайда тазарту үшін көп энергия қажет болатын су ең экологиялық таңдау болмауы мүмкін. Екінші жағынан, тұтынушы өніміндегі еріткіш пайдалану кезінде қоршаған ортаға шығарылуы мүмкін, сондықтан еріткіштің өзінің қоршаған ортаға тигізетін әсері, еріткішті қайта өңдеудің энергия шығыны мен әсерінен маңыздырақ; мұндай жағдайда су экологиялық таза таңдау болуы мүмкін. Қысқасы, еріткіштің өмірлік циклының барлық кезеңін, бастауынан соңына дейін (немесе қайта өңделген жағдайда бастауынан бастауына дейін) қарастыру керек. Осылайша, жасыл еріткіштің ең толық анықтамасы: «жасыл еріткіш – өнімнің немесе процестің өмірлік циклында қоршаған ортаға тигізетін әсерді ең төмен деңгейге дейін азайтатын еріткіш». Демек, анықтама бойынша, еріткіш бір қолдану үшін жасыл болуы мүмкін (өйткені ол осы қолдану үшін пайдаланылуы мүмкін кез келген басқа еріткішке қарағанда қоршаған ортаға аз зиян келтіреді), бірақ басқа қолдану үшін жасыл еріткіш болмауы мүмкін. Классикалық мысал – су, ол дәретханаларды тазартатын құрал сияқты тұтыну өнімдері үшін өте жасыл еріткіш, бірақ политетрафторэтилен өндірісі үшін жасыл еріткіш емес. Бұл полимерді өндіру үшін суды еріткіш ретінде пайдалану өте тұрақты перфторланған беттік белсенді заттарды қосуды талап етеді. Керісінше, суперкритикалық көмірқышқыл газ осы мақсатта ең жасыл еріткіш болып көрінеді, өйткені ол ешқандай беттік белсенді затсыз жақсы жұмыс істейді. 2005 жылғы шолу органикалық синтез саласындағы жасыл химиядағы үш маңызды дамуды анықтады: жасыл еріткіш ретінде суперкритикалық көмірқышқыл газды пайдалану, таза тотығулар үшін сулы сутек пероксиді және асимметриялық синтезде сутекті пайдалану. Қолданылатын жасыл химияның басқа мысалдары – судағы реакциялар, құрғақ ортадағы реакциялар және судың суперкритикалық тотығуы. Биоинженерия да жасыл химия мақсаттарына жетудің перспективті әдісі ретінде қарастырылады. Бірқатар маңызды химиялық заттар инженерлік организмдерде синтезделуі мүмкін, мысалы, шикимат, бактерияларда Roche ферменттейтін Тамифлю прекурсоры. «Химия клик» көбінесе жасыл химия мақсаттарына сәйкес келетін химиялық синтез стилі ретінде аталады. Жақында осыған ұқсас принциптерге негізделіп «жасыл фармация» тұжырымы қалыптастырылды.

Көмірқышқыл газын үрлеу құралы ретінде

1996 жылы Dow Chemical компаниясы полистирол көбігін өндіру үшін 100% көмірқышқыл газын қолдануы үшін 1996 жылғы «Жасыл реакция жағдайлары» сыйлығын жеңіп алды. Полистирол көбігі – қаптау және тағам тасымалдау үшін кеңінен қолданылатын материал. АҚШ-та ғана жыл сайын 700 миллион фунт өндіріледі. Бұрын көбік плиталарын жасау кезінде CFC және озон қабатын бұзатын басқа да химиялық заттар қолданылып келді, бұл қоршаған ортаға үлкен қауіп төндірді. CFC-ге орналастырылған тұтанғыш, жарылғыш және кейбір жағдайларда улы көмірсутектер де қолданылды, бірақ олардың да өз кемшіліктері бар. Dow Chemical компаниясы суперкритикалық көмірқышқыл газының қауіпті заттарсыз, үрлеу агенті ретінде тиімді жұмыс істейтінін анықтады, бұл полистиролды қайта өңдеуді жеңілдетті. Процесте қолданылатын CO2 басқа салалардан қайта пайдаланылады, сондықтан процестен бөлінетін көміртегінің мөлшері нөлге тең.

1,3-пропандиол

7-ші қағиданы қарастыру – 1,3 пропандиолға экологиялық балама жол болып табылады, ол дәстүрлі түрде мұнай-химиялық шикізаттан өндіріледі. Оны жаңартылатын шикізаттан, 1,3 пропандиолды генетикалық өзгертілген E. coli штаммы арқылы биоажырату арқылы алуға болады. Бұл диол кілемдерді жасау үшін жаңа полиэстерлер өндірінде қолданылады.

Лактид

2002 жылы Cargill Dow (қазіргі NatureWorks) полилактид қышқылын полимерлеудің жақсартылған әдісі үшін «Жасыл реакция жағдайлары» сыйлығын жеңіп алды. Алайда, лактид негізді полимерлер тиімді болмады және Dow компаниясы сыйлық алғаннан кейін көп ұзамай жобаны тоқтатты. Сүт қышқылы жүгеріні ферментациялау арқылы өндіріледі және тиімді қалай катализді циклдеуді пайдалана отырып, сүт қышқылының циклдік димер эфирі – лактидке айналады. L,L лактид энантиомері дистилляция арқылы бөлініп алынып, балқыту арқылы полимерлендіріледі, нәтижесінде кристалданатын полимер пайда болады, ол тоқыма және киім, ас-аяқ және тағам қаптамасы сияқты қолданыстарда қолданылады. Wal-Mart компаниясы өнімдерін қаптау үшін PLA қолданатынын/қолданатынын хабарлады. NatureWorks PLA процесі жаңартылатын материалдарды мұнай шикізаттарымен алмастырады, басқа PLA процестерінде кең таралған қауіпті органикалық еріткіштерді пайдалану қажеттілігін жолайды және қайта өңдеуге және компосттауға болатын жоғары сапалы полимерді қамтамасыз етеді.

Кілемнің тақташалары

2003 жылы Shaw Industries EcoWorx үшін полиолефин смолаларының комбинациясын негізгі полимер ретінде таңдады, себебі оның бастау материалының уы аз, жабысу қасиеттері жоғары, өлшемдік тұрақтылығы бар және қайта өңдеуге жарамды. EcoWorx құрамы сондай-ақ нейлон кілем талшығымен үйлесімді болуын қамтамасыз етуі керек еді. EcoWorx кез келген талшықтан қалпына келтірілуі мүмкін болғанымен, нейлон 6 едәуір артықшылықтар ұсынады. Полиолефиндер белгілі нейлон 6 деполимерлендіру әдістерімен үйлесімді. ПВХ осы процестерге кедергі келтіреді. Нейлон 6 химиясы жақсы зерттелген және бірінші буын өндірісінде қарастырылмады. EcoWorx өзінің құрылысынан бастап өнімділік, денсаулық және қоршаған орта аспектілері бойынша нарықтың қажеттіліктерін қанағаттандыруға қажетті барлық жобалау талаптарына сай келді. Зерттеулер көрсеткендей, талшықты және негізді элютриялау, ұнтақтау және ауамен бөлу арқылы бөлу – беткі және негізгі компоненттерді қалпына келтірудің ең тиімді жолы болды, бірақ қолданылған EcoWorx-ты элютриялау процесіне қайтару үшін инфрақұрылым қажет еді. Сондай-ақ зерттеулер тұтынудан кейінгі кілем плиткасының қызмет ету мерзімі біткеннен кейін оң экономикалық құндылығы бар екенін көрсетті. EcoWorx MBDC ұйымымен "бесіктен бесікке" дизайн ретінде сертификатталған.

Майларды трансэстерлеу

2005 жылы «Арчер Дэниелс Мидленд» (ADM) және «Новозимс» компаниялары ферменттік интерстерификациялау процесі үшін «Жасыл синтетикалық жолдар» сыйлығын жеңіп алды. АҚШ-тың Азық-түлік және дәрі-дәрмек басқармасының (FDA) 2006 жылдың 1 қаңтарына дейін тамақтану туралы мәліметтерде транс-майларды міндетті түрде көрсету талабына жауап ретінде, «Новозимс» және «ADM» компаниялары қаныққан және қанықпаған май қышқылдарын алмастыру арқылы майлар мен майларды интерстерификациялау үшін таза, ферменттік процесті бірлесіп әзірледі. Нәтижесінде транс-майларсыз коммерциялық өнімдерге қол жеткізілді. Транс-майларды жоюдың адам денсаулығына тигізетін пайдасынан өзге, бұл процесс улы химиялық заттар мен судың қолданылуын азайтады, көп мөлшерде қосалқы өнімдердің пайда болуын болдырмайды және майлар мен майлардың ысырапқа келу мөлшерін азайтады.

Биосукцин қышқылы

2011 жылы шағын бизнес үшін "жасыл химиядағы ең үлкен жетістіктері" сыйлығы BioAmber Inc. компаниясына, биологиялық негістес сукцин қышқылын интеграцияланған өндірісі және одан әрі қолданылуы үшін берілді. Сукцин қышқылы – күнделікті қолданылатын өнімдерді жасауда маңызды бастапқы материал болып табылатын платформалық химиялық зат. Дәстүрлі түрде сукцин қышқылы мұнайдан алынатын шикізаттан өндіріледі. BioAmber компаниясы жаңаруға жарамды шикізатты ферментациялау арқылы сукцин қышқылын мұнай өндірісімен салыстырғанда арзанға және аз энергия жұмсап, өндіретін процестер мен технологияны әзірледі, сонымен қатар көміртегін шығарудың орнына сіңіріп алады. Алайда, мұнай бағасының төмендеуі компанияны банкротқа дейін жеткізді және қазір биологиялық сукцин қышқылы өндірісі көлемді түрде жүргізілмейді.

Зертханалық химиялық заттар

Бірнеше зертханалық химикаттар жасыл химия тұрғысынан даулы. Массачусетс технология институты баламаларды анықтауға көмектесетін "Жасыл баламалар шебері" құралын жасады. Этидий бромиді, ксилен, сынап және формальдегид "ең нашар қылмыскерлер" ретінде анықталды, олардың баламалары бар. Әсіресе еріткіштер химиялық өндірістің қоршаған ортаға тигізетін әсеріне үлкен үлес қосады, сондықтан осы процестерді әзірлеудің бастапқы кезеңінде жасыл еріткіштерді енгізуге басымдық берілуде: зертханалық деңгейдегі реакциялар мен тазарту әдістері. Фармацевтикалық индустрияда GSK және Pfizer компаниялары өздерінің жаңа дәрілерді іздеуші химиктері үшін еріткіштерді таңдау бойынша нұсқаулықтарды жариялады.

Еуропалық Одақ

2007 жылы ЕО химиялық заттарды тіркеу, бағалау, рұқсаттама беру және шектеу (REACH) бағдарламасын қолданысқа енгізді, бұл бағдарлама компаниялардан өнімдерінің қауіпсіз екенін көрсететін деректерді ұсынуды талап етеді. Осы регламент (1907/2006) химиялық заттардың зияндылығын және оларды пайдалану кезіндегі тәуекелдерді бағалауды қамтамасыз етеді, сонымен қатар нақты заттарды қолдануға тыйым салу немесе шектеу/рұқсат беру шараларын да қамтиды. ЕХА, Хельсинкиде орналасқан ЕО химиялық заттар агенттігі, осы регламентті іске асырады, ал оның орындалуы ЕО мүше мемлекеттерінің құзыретінде.

Америка Құрама Штаттары

1970 жылы АҚШ адам және қоршаған ортаның денсаулығын қорғау үшін, қоршаған ортаны қорғау агенттігін (EPA) құрды, оның міндеті – қоршаған ортаны қорғау ережелерін жасау және оларды күшіне енгізу болды. Жасыл химия EPA-ның мақсаттарын дамытады, химияшылар мен инженерлерді токсиндер мен қалдықтардың пайда болуын болдырмайтын химиялық заттарды, процестерді және өнімдерді жобалауға ынталандырады. АҚШ-тағы өнеркәсіптік химиялық заттардың көп бөлігін (пестицидтер, тағамдық өнімдер және фармацевтикалық препараттарды қоспағанда) реттейтін заң – 1976 жылғы Токсикалық заттарды бақылау туралы заң (TSCA). АҚШ-та жасыл химияның дамуына реттеуші бағдарламалардың әсерін зерттеген сарапшылар TSCA-да құрылымдық кемшіліктер мен ұзақ жылдар бойы сақталған әлсіздіктерді анықтады. Мысалы, 2006 жылғы Калифорния заң шығарушы органына ұсынылған баяндамада TSCA химиялық заттардың қауіпті қасиеттерін олардың функциясына, бағасына және тиімділігіне қатысты төмендететін отандық химиялық нарықты қалыптастырғаны айтылды. Ғалымдар мұндай нарықтық жағдайлар АҚШ-тағы жасыл химияның ғылыми, техникалық және коммерциялық сәттілігіне кедергі келтіретінін дәлелдеді және осы кемшіліктерді түзету үшін негізгі саяси өзгерістер қажет екенін мәлімдеді. 1990 жылы қабылданған Ластануды алдын алу туралы заң, ластану мәселелерін олар пайда болудың алдында шешу арқылы жаңа тәсілдерді дамытуға көмектесті. АҚШ-та 1990 жылғы Ластануды алдын алу туралы заң қабылданғаннан кейін жасыл химияның танымалдылығы артты. Бұл заңда ластануды жою және тазартудың орнына, дизайн мен өнімді жақсарту арқылы азайту керектігі көрсетілді. Бұл ережелер химияшыларды ластануды қайта қарастыруға және атмосферадағы зиянды заттарды шектеудің жолдарын зерттеуге бағытталды. 1991 жылы EPA-ның Ластануды алдын алу және токсикалық заттар жөніндегі кеңсесі, қоршаған ортаға және адам денсаулығына тигізетін зиянды азайту мақсатында химиялық өнімдер мен процестерді зерттеуге және жаңартуға бағытталған ғылыми гранттар бағдарламасын құрды. EPA жыл сайын «Жасыл химия» шалқаруын өткізеді, бұл жасыл химияны дамыту және пайдаланудың экономикалық және экологиялық пайдасын ынталандыруға бағытталған. 2008 жылы Калифорния штаты жасыл химияны қолдау мақсатында екі заңды бекітті, соның нәтижесінде Калифорнияның жасыл химия бастамасы іске қосылды. Осы заңдардың бірі Калифорнияның Токсикалық заттарды бақылау департаментінен (DTSC) «назар аударуды қажет ететін химиялық заттарды» анықтап, қауіпті химиялық заттарды қауіпсіз баламаларымен алмастыруды қолдау үшін жаңа ережелерді әзірлеуді талап етті. Нәтижесінде 2013 жылы күшіне енген ережелер DTSC-нің тұтынушылар үшін қауіпсіз өнімдер бағдарламасын бастауға мүмкіндік берді.

Даулы анықтама

Жасыл химияның анықтамасында және оны ғылымның, саясаттың және бизнес қауымдастықтарының кең салаларында қабылдау дәрежесінде белгісіздіктер бар. Химия ғылымының өзінде де, зерттеушілер «жасыл химия» терминін Анастас пен Уорнер ұсынған (12 принцип) аясынан тыс, түрлі жұмыстарды сипаттау үшін қолданды.

Марапаттар

Бірнеше ғылыми қоғамдар жасыл химия саласындағы зерттеулерді ынталандыру үшін марапаттар құрды. Австралияның «Жасыл химия шақыруы» сыйлығы Корольдік Австралия химия институты (RACI) тарапынан бақыланады. Канаданың «Жасыл химия медалі». Италияда жасыл химия қызметі университеттер аралық INCA консорциумының айналасында шоғырланған. Жапонияда «Green & Sustainable Chemistry Network» GSC марапаттау бағдарламасын қадағалайды. Ұлыбританияда «Жасыл химиялық технология» сыйлығын Кристал Фарадей табыстайды. АҚШ-та «Президенттік жасыл химия шақыруы» сыйлығы жеке тұлғалар мен кәсіпорындарды марапаттайды.