Устойчивое развитие и управление окружающей средой

Зелёная химия: принципы и применение в разработке безопасных процессов и материалов

Зелёная химия: принципы устойчивого развития в химии и химической инженерии. Минимизация опасных веществ, ресурсоэффективность, экологичные процессы.

11 мин чтения

100%

Источник: Green chemistry — Wikipedia

Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.

Содержание

Введение

Исследовательская область в химии и химической инженерии

Зеленая химия, подобно устойчивой химии или химии замкнутого цикла, – это область химии и химической инженерии, ориентированная на разработку продуктов и процессов, которые минимизируют или исключают использование и образование опасных веществ. В то время как экологическая химия изучает влияние загрязняющих химических веществ на природу, зеленая химия фокусируется на экологическом воздействии самой химии, включая сокращение потребления невозобновляемых ресурсов и разработку технологий для предотвращения загрязнения. Главные цели зеленой химии – более эффективное использование ресурсов и принципиально более безопасная разработка молекул, материалов, продуктов и процессов – могут быть достигнуты в самых разных областях.

Тенденции

В настоящее время предпринимаются попытки не только количественно оценить экологичность химического процесса, но и учитывать другие факторы, такие как выход химической реакции, стоимость реагентов, безопасность работы с химическими веществами, требования к оборудованию, энергетический профиль, а также простота выделения и очистки продукта. В одном количественном исследовании восстановление нитробензола до анилина получило 64 балла из 100, что указывает на приемлемость данного синтеза в целом, тогда как синтез амида с использованием HMDS был оценен как удовлетворительный, набрав лишь 32 балла. Зеленая химия все чаще рассматривается как мощный инструмент, который исследователи должны использовать для оценки воздействия на окружающую среду нанотехнологий. По мере разработки наноматериалов необходимо учитывать влияние как самих продуктов, так и процессов их производства на окружающую среду и здоровье человека для обеспечения их долгосрочной экономической целесообразности. Наблюдается тенденция к применению наноматериалов на практике, однако потенциальная нанотоксичность часто игнорируется. Поэтому необходимо более детально рассмотреть юридические, этические, вопросы безопасности и регулирования, связанные с наноматериалами.

Зеленые растворители

Основным применением растворителей в человеческой деятельности является производство красок и покрытий (46% использования). Применение в меньших объемах включает очистку, обезжиривание, клеи и химический синтез. Традиционные растворители часто токсичны или хлорированы. Зеленые растворители, напротив, как правило, менее вредны для здоровья и окружающей среды и предпочтительнее с точки зрения устойчивости. В идеале растворители должны быть получены из возобновляемых источников и биоразлагаться до безвредных веществ, часто встречающихся в природе. Однако производство растворителей из биомассы может оказаться более вредным для окружающей среды, чем производство тех же растворителей из ископаемого топлива. Таким образом, воздействие производства растворителей на окружающую среду необходимо учитывать при выборе растворителя для продукта или процесса. Еще одним важным фактором является судьба растворителя после использования. Если растворитель используется в замкнутой системе, где возможен сбор и переработка, следует учитывать энергозатраты и экологический ущерб, связанные с переработкой; в такой ситуации вода, требующая больших затрат энергии на очистку, может оказаться не самым экологичным выбором. С другой стороны, растворитель, содержащийся в потребительском продукте, скорее всего, будет высвобожден в окружающую среду при использовании, и поэтому воздействие самого растворителя на окружающую среду важнее, чем энергозатраты и воздействие переработки растворителя; в таком случае вода, вероятно, будет экологически чистым выбором. Вкратце, необходимо учитывать воздействие всего жизненного цикла растворителя, от производства до утилизации (или от производства до переработки, если он перерабатывается). Таким образом, наиболее полное определение зеленого растворителя следующее: "зеленый растворитель – это растворитель, который оказывает наименьшее воздействие на окружающую среду на протяжении всего жизненного цикла продукта или процесса". Следовательно, по определению, растворитель может быть зеленым для одного применения (поскольку он наносит меньший вред окружающей среде, чем любой другой растворитель, который можно использовать для этой цели), но не быть зеленым для другого применения. Классическим примером является вода, которая является очень зеленым растворителем для потребительских товаров, таких как средство для чистки унитазов, но не является зеленым растворителем для производства политетрафторэтилена. Для производства этого полимера использование воды в качестве растворителя требует добавления перфторированных поверхностно-активных веществ, которые обладают высокой устойчивостью. Вместо этого сверхкритический диоксид углерода представляется наиболее экологичным растворителем для этого применения, поскольку он эффективно работает без каких-либо поверхностно-активных веществ. Обзор 2005 года выявил три ключевых достижения в области зеленой химии в области органического синтеза: использование сверхкритического диоксида углерода в качестве зеленого растворителя, водного пероксида водорода для экологически чистых окислений и использование водорода в асимметричном синтезе. К другим примерам применения зеленой химии относятся сверхкритическое окисление воды, реакции в водной среде и реакции в сухих средах. Биоинженерия также рассматривается как перспективная технология для достижения целей зеленой химии. Ряд важных химических веществ может быть синтезирован в генетически модифицированных организмах, таких как шикимат, предшественник Тамифлю, который Roche ферментирует в бактериях. Химия «клик» часто упоминается как стиль химического синтеза, соответствующий целям зеленой химии. Недавно была сформулирована концепция «зеленой фармации», основанная на аналогичных принципах.

The major application of solvents in human activities is in paints and coatings (46% of usage). Smaller volume applications include cleaning, de greasing, adhesives, and in chemical synthesis. Traditional solvents are often toxic or are chlorinated. Green solvents, on the other hand, are generally less harmful to health and the environment and preferably more sustainable. Ideally, solvents would be derived from renewable resources and biodegrade to innocuous, often a naturally occurring product. However, the manufacture of solvents from biomass can be more harmful to the environment than making the same solvents from fossil fuels. Thus the environmental impact of solvent manufacture must be considered when a solvent is being selected for a product or process. Another factor to consider is the fate of the solvent after use. If the solvent is being used in an enclosed situation where solvent collection and recycling is feasible, then the energy cost and environmental harm associated with recycling should be considered; in such a situation water, which is energy intensive to purify, may not be the greenest choice. On the other hand, a solvent contained in a consumer product is likely to be released into the environment upon use, and therefore the environmental impact of the solvent itself is more important than the energy cost and impact of solvent recycling; in such a case water is very likely to be a green choice. In short, the impact of the entire lifetime of the solvent, from cradle to grave (or cradle to cradle if recycled) must be considered. Thus the most comprehensive definition of a green solvent is the following: "a green solvent is the solvent that makes a product or process have the least environmental impact over its entire life cycle." By definition, then, a solvent might be green for one application (because it results in less environmental harm than any other solvent that could be used for that application) and yet not be a green solvent for a different application. A classic example is water, which is a very green solvent for consumer products such as toilet bowl cleaner but is not a green solvent for the manufacture of polytetrafluoroethylene. For the production of that polymer, the use of water as solvent requires the addition of perfluorinated surfactants which are highly persistent. Instead, supercritical carbon dioxide seems to be the greenest solvent for that application because it performs well without any surfactant. A 2005 review identified three key developments in green chemistry in the field of organic synthesis: use of supercritical carbon dioxide as green solvent, aqueous hydrogen peroxide for clean oxidations and the use of hydrogen in asymmetric synthesis. Some further examples of applied green chemistry are supercritical water oxidation, on water reactions, and dry media reactions. Bioengineering is also seen as a promising technique for achieving green chemistry goals. A number of important process chemicals can be synthesized in engineered organisms, such as shikimate, a Tamiflu precursor which is fermented by Roche in bacteria. Click chemistry is often cited as a style of chemical synthesis that is consistent with the goals of green chemistry. The concept of 'green pharmacy' has recently been articulated based on similar principles.

Диоксид углерода в качестве продувляющего агента

В 1996 году компания Dow Chemical получила награду Greener Reaction Conditions за разработку 100% агента вспенивания на основе диоксида углерода для производства пенополистирола. Пенополистирол – широко используемый материал для упаковки и транспортировки пищевых продуктов. Только в Соединенных Штатах ежегодно производится 700 миллионов фунтов этого материала. Ранее в процессе производства пенопласта использовались хлорфторуглероды (ХФУ) и другие вещества, разрушающие озоновый слой, что представляло серьезную угрозу для окружающей среды. В качестве замены ХФУ также применялись легковоспламеняющиеся, взрывоопасные и в некоторых случаях токсичные углеводороды, однако они создавали собственные проблемы. Компания Dow Chemical обнаружила, что сверхкритический диоксид углерода является столь же эффективным агентом вспенивания, при этом не требуются опасные вещества, что облегчает переработку полистирола. Диоксид углерода, используемый в процессе, является вторичным продуктом других отраслей промышленности, поэтому суммарные выбросы углерода в процессе равны нулю.

1,3-пропандиол

Принцип №7 – это экологически чистый путь получения 1,3-пропандиола, который традиционно производится из нефтехимического сырья. Его можно получать из возобновляемого сырья посредством биосепарации 1,3-пропандиола с использованием генетически модифицированного штамма E. coli. Этот диол используется для создания новых полиэстеров для изготовления ковров.

Лактид

В 2002 году Cargill Dow (ныне NatureWorks) получила награду Greener Reaction Conditions Award за усовершенствованный метод полимеризации полимолочной кислоты. К сожалению, полимеры на основе лактида не демонстрировали достаточных эксплуатационных характеристик, и проект был закрыт компанией Dow вскоре после получения награды. Молочная кислота производится путем ферментации кукурузы и затем превращается в лактид – циклический димерный эфир молочной кислоты – с использованием эффективной циклизации, катализируемой оловом. L,L-лактидный энантиомер выделяют посредством дистилляции и полимеризуют в расплаве для получения кристаллизуемого полимера, который находит применение в производстве текстиля и одежды, столовых приборов и упаковки для пищевых продуктов. Компания Wal-Mart объявила о текущем и планируемом использовании ПЛА для упаковки свежих продуктов. Технология NatureWorks PLA заменяет возобновляемое сырье на нефтехимическое, не требует применения опасных органических растворителей, характерных для других технологий производства ПЛА, и позволяет получать высококачественный полимер, пригодный для переработки и компостирования.

Подкладки для ковровых плиток

В 2003 году компания Shaw Industries выбрала комбинацию полиолефиновых смол в качестве основного полимера для EcoWorx благодаря низкой токсичности исходного сырья, превосходным адгезионным свойствам, размерной стабильности и возможности переработки. Состав EcoWorx также должен был быть разработан с учетом совместимости с нейлоновым ковровым волокном. Хотя EcoWorx можно восстанавливать из любого типа волокна, нейлон 6 обеспечивает существенное преимущество. Полиолефины совместимы с известными методами деполимеризации нейлона 6. ПВХ препятствует этим процессам. Химия нейлона 6 хорошо изучена и не рассматривалась при производстве первого поколения. С момента своего создания EcoWorx соответствовал всем критериям проектирования, необходимым для удовлетворения потребностей рынка в отношении эксплуатационных характеристик, безопасности для здоровья и экологичности. Исследования показали, что разделение волокна и основы посредством элютрирования, измельчения и воздушной сепарации является наиболее эффективным способом восстановления лицевой и базовой составляющих, однако для возврата отходов производства и потребления EcoWorx в процесс элютрирования требовалась соответствующая инфраструктура. Исследования также показали, что ковровое покрытие после использования имеет положительную экономическую ценность по окончании срока службы. EcoWorx сертифицирован MBDC как продукт, соответствующий принципам концепции «от колыбели до колыбели».

Трансэстерификация жиров

В 2005 году компании Archer Daniels Midland (ADM) и Novozymes были удостоены награды Greener Synthetic Pathways Award за их процесс ферментативной интерстерификации. В связи с требованием Управления по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США (FDA) о маркировке трансжиров в составе пищевой ценности к 1 января 2006 года, Novozymes и ADM совместно разработали экологически чистый ферментативный процесс интерстерификации масел и жиров, основанный на обмене насыщенными и ненасыщенными жирными кислотами. Результатом стали коммерчески востребованные продукты, не содержащие трансжиров. Помимо пользы для здоровья, связанной с исключением трансжиров, этот процесс позволил снизить использование токсичных химических веществ и воды, предотвратить образование значительного количества побочных продуктов и уменьшить потери масел и жиров.

Биосукциновая кислота

В 2011 году награда за выдающиеся достижения в области зеленой химии для малого бизнеса была присуждена компании BioAmber Inc. за комплексное производство и последующее применение янтарной кислоты, полученной из биомассы. Янтарная кислота – это базовый химический продукт, являющийся важным исходным материалом в составе многих повседневных товаров. Традиционно янтарная кислота производится из сырья, полученного из нефти. BioAmber разработала процесс и технологию, позволяющие производить янтарную кислоту путем ферментации возобновляемого сырья с меньшими затратами и энергопотреблением, чем при использовании нефтяного сырья, при этом поглощая CO₂ вместо его выброса. Однако падение цен на нефть привело компанию к банкротству, и янтарная кислота, полученная из биомассы, сейчас производится в незначительных количествах.

Лабораторные химические вещества

Несколько лабораторных химических веществ вызывают споры с точки зрения принципов зеленой химии. Массачусетский технологический институт разработал "Зеленый" помощник по поиску альтернатив, чтобы помочь в их идентификации. Бромистый этидий, ксилен, ртуть и формальдегид были признаны наиболее проблемными веществами, для которых существуют альтернативы. Растворители, в частности, вносят значительный вклад в воздействие химического производства на окружающую среду, и все большее внимание уделяется внедрению более экологичных растворителей на самых ранних этапах разработки этих процессов: реакций и методов очистки в лабораторном масштабе. В фармацевтической промышленности компании GSK и Pfizer опубликовали руководства по выбору растворителей для своих химиков, занимающихся поиском новых лекарственных средств.

Европейский союз

В 2007 году ЕС внедрил программу регистрации, оценки, авторизации и ограничения химических веществ (REACH), которая обязывает компании предоставлять данные, подтверждающие безопасность их продукции. Данный регламент (1907/2006) обеспечивает не только оценку опасных свойств химических веществ и рисков, связанных с их использованием, но и предусматривает меры по запрету или ограничению/авторизации использования определенных веществ. Агентство Европейского Союза по химическим веществам (ECHA) в Хельсинки отвечает за реализацию регламента, а контроль за его соблюдением возложен на государства-члены ЕС.

Соединенные Штаты

В 1970 году в США было создано Агентство по охране окружающей среды (EPA) для защиты здоровья человека и окружающей среды путем разработки и обеспечения соблюдения экологических норм. Зеленая химия опирается на цели EPA, поощряя химиков и инженеров разрабатывать химические вещества, процессы и продукты, которые предотвращают образование токсинов и отходов. Закон США, регулирующий большинство промышленных химических веществ (за исключением пестицидов, продуктов питания и фармацевтических препаратов), – это Закон о контроле за токсичными веществами (TSCA) 1976 года. Анализ роли регулятивных программ в развитии зеленой химии в Соединенных Штатах выявил структурные недостатки и давние слабости TSCA. Например, в отчете 2006 года для законодательного собрания Калифорнии сделан вывод, что TSCA сформировало внутренний рынок химикатов, который недооценивает опасность химических веществ по сравнению с их функциональностью, ценой и эффективностью. Ученые утверждают, что такие рыночные условия являются ключевым препятствием для научного, технического и коммерческого успеха зеленой химии в США, и для устранения этих недостатков необходимы фундаментальные изменения в политике. Закон о предотвращении загрязнения, принятый в 1990 году, способствовал внедрению новых подходов к решению проблем загрязнения путем предотвращения экологических проблем до их возникновения. После принятия Закона о предотвращении загрязнения 1990 года популярность зеленой химии в Соединенных Штатах возросла. Этот закон провозгласил, что загрязнение следует сокращать путем улучшения конструкции и продукции, а не за счет обработки и утилизации. Эти нормы побудили химиков переосмыслить проблему загрязнения и исследовать способы снижения содержания токсинов в атмосфере. В 1991 году Управление EPA по предотвращению загрязнения и токсическим веществам создало программу исследовательских грантов, направленную на стимулирование исследований и разработки химических продуктов и процессов с целью снижения воздействия на окружающую среду и здоровье человека. EPA ежегодно проводит конкурс "Зеленая химия", чтобы стимулировать экономические и экологические преимущества разработки и внедрения зеленой химии. В 2008 году штат Калифорния утвердил два закона, направленных на поддержку зеленой химии, и запустил Калифорнийскую инициативу по зеленой химии. Один из этих законов обязывал Департамент по контролю за токсичными веществами (DTSC) Калифорнии разработать новые правила для определения приоритетности "химических веществ, вызывающих опасения" и содействия замене опасных химических веществ более безопасными альтернативами. Полученные правила вступили в силу в 2013 году, запустив программу DTSC по производству более безопасных потребительских товаров.

The United States formed the Environmental Protection Agency (EPA) in 1970 to protect human and environmental health by creating and enforcing environmental regulation. Green chemistry builds on the EPA’s goals by encouraging chemists and engineers to design chemicals, processes, and products that avoid the creation of toxins and waste. The U. S. law that governs the majority of industrial chemicals (excluding pesticides, foods, and pharmaceuticals) is the Toxic Substances Control Act (TSCA) of 1976. Examining the role of regulatory programs in shaping the development of green chemistry in the United States, analysts have revealed structural flaws and long standing weaknesses in TSCA; for example, a 2006 report to the California Legislature concludes that TSCA has produced a domestic chemicals market that discounts the hazardous properties of chemicals relative to their function, price, and performance. Scholars have argued that such market conditions represent a key barrier to the scientific, technical, and commercial success of green chemistry in the U. S., and fundamental policy changes are needed to correct these weaknesses. Passed in 1990, the Pollution Prevention Act helped foster new approaches for dealing with pollution by preventing environmental problems before they happen. Green chemistry grew in popularity in the United States after the Pollution Prevention Act of 1990 was passed. This Act declared that pollution should be lowered by improving designs and products rather than treatment and disposal. These regulations encouraged chemists to reimagine pollution and research ways to limit the toxins in the atmosphere. In 1991, the EPA Office of Pollution Prevention and Toxics created a research grant program encouraging the research and recreation of chemical products and processes to limit the impact on the environment and human health. The EPA hosts The Green Chemistry Challenge each year to incentivize the economic and environmental benefits of developing and utilizing green chemistry. In 2008, the State of California approved two laws aiming to encourage green chemistry, launching the California Green Chemistry Initiative. One of these statutes required California's Department of Toxic Substances Control (DTSC) to develop new regulations to prioritize "chemicals of concern" and promote the substitution of hazardous chemicals with safer alternatives. The resulting regulations took effect in 2013, initiating DTSC's Safer Consumer Products Program.

Обжалуемое определение

Существуют неоднозначности в определении «зеленой химии», а также в понимании этого понятия в более широких научных, политических и деловых кругах. Даже среди химиков исследователи использовали термин «зеленая химия» для описания различных направлений работы, не связанных с предложенной Анастасом и Уорнером структурой (то есть 12 принципами).

Награды

Несколько научных обществ учредили награды для стимулирования исследований в области зеленой химии. В Австралии существуют премии "Зеленая химия", проводимые под эгидой Королевского австралийского химического института (RACI). В Канаде вручается Медаль канадской зеленой химии. В Италии деятельность в области зеленой химии координируется межвузовским консорциумом INCA. В Японии сеть "Зеленая и устойчивая химия" курирует программу награждения GSC. В Соединенном Королевстве награды за экологически чистые химические технологии вручает Crystal Faraday. В США Президентские премии в области зеленой химии отмечают достижения отдельных лиц и организаций.