Wykład 2. Zielona chemia

Transkrypt

1 Wykład 2 Zielona chemia

2 Definicja zielonej chemii Szukanie, projektowanie i wdrażanie chemicznych produktów i procesów umożliwiających redukcję lub eliminację używania i wytwarzania niebezpiecznych substancji. Anastas P. T., Warner J.C., Green Chemistry: Theory and Practice, Oxford University Press, New York, Niebezpieczne substancje klasyfikuje się ze względu na palność, wybuchowość, kancerogenność, wpływ na zmiany klimatu, zanikanie ozonu w stratosferze.

3 Rys historyczny 1991 P. T. Anastas pojęcie zielonej chemii w programie opracowanym przez amerykańską Agencję Ochrony Środowiska (EPA) 1997 pierwsza międzynarodowa konferencja poświęcona zielonej chemii 1995 doroczna nagroda za osiągnięcia w zakresie stosowania i pomysłów na zastosowanie zielonej chemii 1996 Working Party on Green Chemistry w ramach IUPAC 1998 P. T. Anastas i J. Warner publikują 12 zasad zielonej chemii 1998 pierwsze naukowe czasopismo poświęcone zielonej chemii Journal of Clean Processes and Products 2001 N. Winterton zasady zielonej technologii 2003 P. T. Anastas i J. B. Zimmerman zasady zielonej inżynierii 2005 Nagroda Nobla dla Y. Chauvina, R. Grubbsa i R. Schrocka w dziedzinie chemii za opracowanie metody metatezy w syntezie organicznej

4 12 zasad zielonej chemii 1. zapobieganie wytwarzania odpadów Lepiej zapobiegać tworzeniu zanieczyszczeń i odpadów niż je unieszkodliwiać 2. oszczędzanie surowców gospodarka atomami Syntezy chemiczne powinny być projektowane w taki sposób, aby zmaksymalizować wbudowanie wszystkich materiałów użytych w procesie do produktu końcowego 3. ograniczanie zużycia niebezpiecznych substancji Syntezy chemiczne powinny być prowadzone z udziałem reagentów i materiałów nietoksycznych lub o nieznacznej toksyczności.

5 12 zasad zielonej chemii 4. projektowanie bezpiecznych produktów Powinno się dążyć do wytwarzania produktów alternatywnych, które zachowują swoje funkcje, będąc produktami nietoksycznymi. 5. używanie bezpiecznych rozpuszczalników Substancje pomocnicze (np. rozpuszczalniki, czynniki separujące) powinny być wyeliminowane, a tam gdzie to niemożliwe należy stosować substancje nieszkodliwe. 6. efektywne wykorzystanie energii Należy dążyć do prowadzenia syntez chemicznych w temperaturze i pod ciśnieniem otoczenia. 7. wykorzystanie surowców ze źródeł odnawialnych Gdzie tylko jest to możliwe, powinno się dążyć do stosowania surowców odnawialnych.

6 12 zasad zielonej chemii 8. ograniczanie procesów derywatyzacji Ograniczenie procesów derywatyzacji stosowanie grup blokujących, ochronnych może stanowić źródło dodatkowych odpadów. 9. wykorzystanie katalizatorów i biokatalizatorów Reakcje katalityczne (szczególnie wysoce selektywne) powinny być preferowane. 10. możliwość degradacji Produkty chemiczne po okresie ich używania nie powinny stanowić zagrożeń dla środowiska. 11. analityka procesowa w czasie rzeczywistym Niezbędne jest rozwijanie metod analitycznych on line. 12. właściwy poziom bezpieczeństwa Projektując proces należy dążyć do zminimalizowania niebezpieczeństwa wypadków.

7 12 zasad zielonej technologii N. Winterton, Green Chem., 3, G 73 (2001)

8 Opis wpływu procesu na środowisko czynnik środowiskowy E - factor [kg/kg] masa odpadów / 1 kg produktu Przemysł Skala produkcji rocznej [t] E Przemysł rafineryjny Przemysł chemiczny wielkotonażowy Przemysł farmaceutyczny około < R. A. Sheldon, Green Chemistry, 9, 2007,

9 Opis wpływu procesu na środowisko współczynnik środowiskowy EQ (Q iloraz zagrożenia środowiskowego wartość liczbowa zależy od ekotoksyczności) np. Q (NaCl) = 1, metale ciężkie < > Environmental Assesment Tool for Organic Synthesis EATOS wydajność masowa reakcji [%] (masa produktu reakcji/masa reagentów toksycznych lub niekorzystnie oddziałujących na środowisko) x 100 % ekonomia atomów AE lub efektywność atomowa (jaka część odczynników pozostaje w produkcie finalnym) AE = (mcz produktu/ suma mas cz substratów)x 100%

10 Procesy katalityczne w podwyższaniu AE Przykład I. Arends, R. Sheldon, U. Hanefeld, Green Chemistry and Catalysis 2007 WILEY-VCH Verlag GmbH.

11 Miary efektywności w zielonej chemii efektywność masowa RME określa jaki procent masy odczynników pozostaje w produkcie finalnym RME = (masa produktu/masy substratów zużytych do reakcji) x 100% wydajność węglowa CE CE = (zawartość węgla w produkcie/zawartość węgla w substratach) x 100% Współczynnik oddziaływania środowiskowego rozpuszczalników i katalizatorów - f f = suma mas rozpuszczalników i katalizatorów /kg produktu

12 Przykłady zielonych technologii Produkcja kwasu tereftalowego metodą katalitycznego utlenienia ksylenu prowadzoną w środowisku wody w stanie nadkrytycznym SCW (sc-h 2 O) bezodpadowa Rocznie na świecie wytwarza się 25 mln ton kwasu tereftalowego. Klasyczna metoda utleniania prowadzona w środowisku lodowatego kwasu octowego zmniejszenia liczby etapów pośrednich, a selektywność reakcji jest porównywalna z rozwiązaniem konwencjonalnym.

13 Zastosowanie płynów nadkrytycznych jako rozpuszczalników i mediów reakcyjnych Ciecz lub gaz osiągają stan nadkrytyczny i stają się płynami w stanie nadkrytycznym SCFs (supercritical fluids), gdy temperatura i ciśnienie w jakim się znajdują przekracza wartość ich parametrów krytycznych: temperatury (T kr ) i ciśnienia (P kr ). SCFs mają lepkość zbliżoną do gazów, gęstość do cieczy oraz wysokie współczynniki dyfuzji

14 SCW (sch 2 O) jako medium reakcyjne i katalizator Właściwości fizykochem. wody P=24 MPa

15 Wykorzystanie SCW w utylizacji odpadów (poliestrów, poliamidów) t=12.5 min W = 100% Hanna Pińkowska Woda w stanie pod- i nadkrytycznym jako nowe medium reakcyjne Wiedzainfo.pl

16 ScCO 2 jako medium reakcyjne i rozpuszczalnik Punkt krytyczny t kr = C, p kr = 73.8 bar) Polikondensacja (otrzymywanie poliestrów, poliwęglanów)

17 Ekstrakcja nadkrytyczna za pomocą ScCO 2 Mała lepkość, wysoka dyfuzyjność, brak korozyjności, niepalność, nietoksyczność, dużą lotność, co ułatwia jego usuwanie z produktu po procesie ekstrakcji, jest nieszkodliwy z fizjologicznego punktu widzenia oraz jest niedrogi, ponieważ jest składnikiem powietrza i materiałem odpadowym

18 Ekstrakcja nadkrytyczna za pomocą ScCO 2 Zalety: rozpuszczalność składników regulowana p, T, prowadzenie procesu w niskiej temp., łatwe usuwanie z produktu, prowadzenie ekstrakcji bez udziału powietrza co zapobiega utlenianiu, możliwa recyrkulacja rozpuszczalnika, duża selektywność. Wady: konieczność stosowania drogiej, wysokociśnieniowej aparatury, znaczne nakłady energetyczne na sprężanie rozpuszczalnika