Зеленая химия , похожая на устойчивую химию или циркулярную химию , [1] — это область химии и химической инженерии, ориентированная на разработку продуктов и процессов, которые сводят к минимуму или исключают использование и образование опасных веществ. [2] В то время как химия окружающей среды фокусируется на влиянии загрязняющих химических веществ на природу, зеленая химия фокусируется на воздействии химии на окружающую среду, включая снижение потребления невозобновляемых ресурсов и технологических подходов для предотвращения загрязнения . [3] [4] [5] [6] [7] [8]
Главные цели зеленой химии, а именно, более ресурсоэффективный и по сути более безопасный дизайн молекул, материалов, продуктов и процессов, можно преследовать в широком диапазоне контекстов.
Зеленая химия (устойчивая химия) : Разработка химических продуктов и процессов, которые сводят к минимуму или исключают использование или образование веществ, опасных для людей, животных, растений и окружающей среды. Примечание 1: Изменено по ссылке. [9] в более общем плане.
Примечание 2: В зеленой химии обсуждается инженерная концепция предотвращения загрязнения и нулевых отходов как в лабораторных, так и в промышленных масштабах. Он поощряет использование экономичных и экологически совместимых методов, которые не только повышают производительность, но и снижают стоимость утилизации отходов в конце химического процесса. [10]
Зеленая химия возникла из множества существующих идей и исследовательских усилий (таких как атомная экономика и катализ ) в период, предшествовавший 1990-м годам, в контексте растущего внимания к проблемам химического загрязнения и истощения ресурсов . Развитие зеленой химии в Европе и США было связано со сдвигом в стратегиях решения экологических проблем: переходом от командно-контрольного регулирования и обязательного снижения промышленных выбросов в «конце трубы» к активному предотвращению загрязнение окружающей среды за счет инновационного проектирования самих производственных технологий. Набор концепций, ныне признанных зеленой химией, объединился в середине-конце 1990-х годов вместе с более широким распространением этого термина (который преобладал над конкурирующими терминами, такими как «чистая» и «устойчивая» химия). [11] [12]
В Соединенных Штатах Агентство по охране окружающей среды сыграло важную роль в развитии зеленой химии посредством своих программ предотвращения загрязнения, финансирования и профессиональной координации. В то же время в Соединенном Королевстве исследователи из Йоркского университета способствовали созданию Сети зеленой химии в рамках Королевского химического общества и запуску журнала Green Chemistry . [12]
В 1998 году Пол Анастас (который тогда руководил Программой зеленой химии в Агентстве по охране окружающей среды США) и Джон К. Уорнер (тогда работавший в Polaroid Corporation ) опубликовали набор принципов, которыми следует руководствоваться в практике зеленой химии. [13] Двенадцать принципов касаются ряда способов снижения воздействия химического производства на окружающую среду и здоровье, а также указывают исследовательские приоритеты для развития технологий зеленой химии.
Принципы охватывают такие понятия, как:
Двенадцать принципов зеленой химии: [14]
Предпринимаются попытки не только количественно оценить экологичность химического процесса, но и учесть другие переменные, такие как химический выход , цена реакционных компонентов, безопасность при обращении с химикатами, требования к оборудованию, энергетический профиль и простота обработки и очистки продукта. В одном количественном исследовании [15] восстановление нитробензола до анилина получило 64 балла из 100 , что делает его в целом приемлемым синтезом, тогда как синтез амида с использованием ГМДС описывается как адекватный только с совокупной 32 баллами.
Зеленая химия все чаще рассматривается как мощный инструмент, который исследователи должны использовать для оценки воздействия нанотехнологий на окружающую среду . [16] По мере разработки наноматериалов необходимо учитывать воздействие как самих продуктов, так и процессов их производства на окружающую среду и здоровье человека, чтобы обеспечить их долгосрочную экономическую жизнеспособность. В практике существует тенденция использования наноматериалов, однако люди игнорировали потенциальную нанотоксичность. Поэтому людям необходимо заняться дальнейшим рассмотрением юридических, этических, безопасности и нормативных вопросов, связанных с наноматериалами [17] .
Основное применение растворителей в деятельности человека приходится на производство красок и покрытий (46% использования). Применения меньшего объема включают очистку, обезжиривание, клеи и химический синтез. [18] Традиционные растворители часто токсичны или хлорированы. С другой стороны, зеленые растворители, как правило, менее вредны для здоровья и окружающей среды и предпочтительно более экологичны. В идеале растворители должны быть получены из возобновляемых ресурсов и биоразлагаться до безвредных, часто встречающихся в природе продуктов. [19] [20] Однако производство растворителей из биомассы может быть более вредным для окружающей среды, чем производство тех же растворителей из ископаемого топлива. [21] Таким образом, при выборе растворителя для продукта или процесса необходимо учитывать воздействие производства растворителей на окружающую среду. [22] Еще одним фактором, который следует учитывать, является судьба растворителя после использования. Если растворитель используется в закрытом помещении, где возможен сбор и переработка растворителя, следует учитывать затраты на электроэнергию и вред окружающей среде, связанный с переработкой; в такой ситуации вода, очистка которой требует энергоемких затрат, может оказаться не самым экологичным выбором. С другой стороны, растворитель, содержащийся в потребительском товаре, скорее всего, будет выброшен в окружающую среду при использовании, и поэтому воздействие самого растворителя на окружающую среду более важно, чем затраты на электроэнергию и влияние переработки растворителя; в таком случае вода, скорее всего, будет зеленым выбором. Короче говоря, необходимо учитывать влияние всего срока службы растворителя, от «колыбели» до «могилы» (или «от колыбели до колыбели», если его перерабатывать). Таким образом, наиболее полное определение «зеленого растворителя» следующее: « Зеленый растворитель – это растворитель, благодаря которому продукт или процесс оказывают наименьшее воздействие на окружающую среду на протяжении всего своего жизненного цикла » . [23]
Таким образом, по определению растворитель может быть зеленым для одного применения (поскольку он наносит меньший вред окружающей среде, чем любой другой растворитель, который можно использовать для этого применения), но при этом не быть зеленым растворителем для другого применения. Классическим примером является вода , которая является экологически чистым растворителем для потребительских товаров, таких как средства для чистки унитазов, но не является экологически чистым растворителем для производства политетрафторэтилена . Для производства этого полимера использование воды в качестве растворителя требует добавления перфторированных поверхностно-активных веществ, которые обладают высокой стойкостью. Вместо этого сверхкритический диоксид углерода кажется самым экологически чистым растворителем для этого применения, поскольку он хорошо работает без каких-либо поверхностно-активных веществ. [23] Таким образом, ни один растворитель не может быть объявлен «зеленым растворителем», если это заявление не ограничивается конкретным применением.
Новые или усовершенствованные методы синтеза часто могут обеспечить улучшение экологических показателей или обеспечить лучшее соблюдение принципов зеленой химии. Например, Нобелевская премия по химии 2005 года была присуждена Иву Шовену, Роберту Х. Граббсу и Ричарду Р. Шроку за разработку метода метатезиса в органическом синтезе с явным упоминанием его вклада в зеленую химию и «более разумное производство». " [24] Обзор 2005 года определил три ключевых события в зеленой химии в области органического синтеза : использование сверхкритического диоксида углерода в качестве зеленого растворителя, водного перекиси водорода для чистого окисления и использование водорода в асимметричном синтезе . [25] Еще одними примерами прикладной зеленой химии являются сверхкритическое окисление воды , реакции на воде и реакции в сухих средах . [ нужна цитата ]
Биоинженерия также рассматривается как многообещающий метод достижения целей зеленой химии. Ряд важных технологических химикатов может быть синтезирован в искусственно созданных организмах, например шикимат , предшественник Тамифлю , который ферментируется компанией Рош в бактериях. Клик-химию часто называют [ нужна ссылка ] как стиль химического синтеза, соответствующий целям зеленой химии. Недавно на основе аналогичных принципов была сформулирована концепция «зеленой аптеки». [26]
В 1996 году компания Dow Chemical получила награду «Зеленые условия реакции» за свой 100% углекислый вспениватель для производства пенополистирола . Пенополистирол – распространенный материал, используемый при упаковке и транспортировке пищевых продуктов. Только в Соединенных Штатах ежегодно производится семьсот миллионов фунтов. Традиционно в процессе производства листов пенопласта использовались ХФУ и другие озоноразрушающие химикаты, что представляло серьезную опасность для окружающей среды . В качестве заменителей ХФУ также использовались легковоспламеняющиеся, взрывоопасные и, в некоторых случаях, токсичные углеводороды, но они создают свои собственные проблемы. Компания Dow Chemical обнаружила, что сверхкритический диоксид углерода работает так же хорошо, как и вспениватель, без необходимости использования опасных веществ, что позволяет легче перерабатывать полистирол. CO 2 , используемый в этом процессе, повторно используется в других отраслях промышленности, поэтому чистый выброс углерода в процессе равен нулю.
Решением принципа №2 является перекисный процесс производства гидразина без когенерирующей соли. Гидразин традиционно производится по процессу Олина Рашига из гипохлорита натрия (активного ингредиента многих отбеливателей ) и аммиака . В результате суммарной реакции образуется один эквивалент хлорида натрия на каждый эквивалент гидразина целевого продукта: [27]
В более экологичном перекисном процессе в качестве окислителя используется перекись водорода, а побочным продуктом является вода. Чистая конверсия следующая:
Следуя принципу № 4, этот процесс не требует дополнительных экстрагирующих растворителей. Метилэтилкетон используется в качестве носителя для гидразина, промежуточная фаза кетазина отделяется от реакционной смеси, что облегчает обработку без необходимости использования экстрагирующего растворителя.
Принцип №7 – это зеленый путь к 1,3-пропандиолу , который традиционно получают из нефтехимических прекурсоров. Его можно производить из возобновляемых предшественников путем биоразделения 1,3-пропандиола с использованием генетически модифицированного штамма E. coli . [28] Этот диол используется для изготовления новых полиэфиров для производства ковров.
В 2002 году компания Cargill Dow (ныне NatureWorks ) получила премию Greener Reaction Conditions Award за усовершенствованный метод полимеризации полимолочной кислоты . К сожалению, полимеры на основе лактида неэффективны, и вскоре после получения награды компания Dow прекратила проект. Молочная кислота производится путем ферментации кукурузы и превращается в лактид , циклический димерный эфир молочной кислоты, с использованием эффективной циклизации, катализируемой оловом. Энантиомер L,L-лактида выделяют перегонкой и полимеризуют в расплаве с получением кристаллизующегося полимера , который находит некоторые применения, включая текстиль и одежду, столовые приборы и упаковку пищевых продуктов . Wal-Mart объявила, что использует/будет использовать PLA для упаковки своей продукции. Процесс NatureWorks PLA заменяет нефтяное сырье возобновляемыми материалами, не требует использования опасных органических растворителей, типичных для других процессов PLA, и приводит к получению высококачественного полимера, который пригоден для вторичной переработки и компостирования.
В 2003 году компания Shaw Industries выбрала комбинацию полиолефиновых смол в качестве основного полимера для EcoWorx из-за низкой токсичности ее сырья, превосходных адгезионных свойств, стабильности размеров и способности к вторичной переработке. Компаунд EcoWorx также должен был быть разработан так, чтобы быть совместимым с нейлоновым ковровым волокном. Хотя EcoWorx можно получить из любого типа волокна, нейлон-6 дает значительное преимущество. Полиолефины совместимы с известными методами деполимеризации нейлона-6. ПВХ вмешивается в эти процессы. Химический состав нейлона-6 хорошо известен и не используется в производстве первого поколения. С момента своего создания EcoWorx отвечал всем критериям проектирования, необходимым для удовлетворения потребностей рынка с точки зрения производительности, здоровья и окружающей среды. Исследования показали, что разделение волокна и подложки посредством отмывания , измельчения и воздушного разделения оказалось лучшим способом восстановления лицевой и основной компонентов, но была необходима инфраструктура для возврата постпотребительского EcoWorx в процесс отмывания. Исследования также показали, что бывшая в употреблении ковровая плитка имела положительную экономическую ценность в конце срока ее службы. EcoWorx признан MBDC сертифицированным комплексным решением .
В 2005 году компании Archer Daniels Midland (ADM) и Novozymes получили премию Greener Synthetic Pathways Award за свой процесс переэтерификации ферментов . В ответ на требование Управления по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США (FDA) к 1 января 2006 года обязать маркировать трансжиры с информацией о пищевой ценности, компании Novozymes и ADM совместно работали над разработкой чистого ферментативного процесса переэтерификации масел и жиров путем замены насыщенных и жирных кислот. ненасыщенные жирные кислоты. Результатом являются коммерчески жизнеспособные продукты без трансжиров . Помимо преимуществ для здоровья человека, связанных с отказом от трансжиров , этот процесс позволил сократить использование токсичных химикатов и воды, предотвратить образование огромного количества побочных продуктов и уменьшить количество выбрасываемых жиров и масел.
В 2011 году награда малого бизнеса за выдающиеся достижения в области зеленой химии была вручена компании BioAmber Inc. за комплексное производство и дальнейшее применение янтарной кислоты биологического происхождения . Янтарная кислота представляет собой базовое химическое вещество, которое является важным исходным материалом в рецептурах повседневных продуктов. Традиционно янтарную кислоту производят из нефтяного сырья. Компания BioAmber разработала процесс и технологию, позволяющие производить янтарную кислоту путем ферментации возобновляемого сырья с меньшими затратами и энергетическими затратами, чем нефтяной эквивалент, при этом улавливая CO 2 , а не выбрасывая его в атмосферу. [29] Однако более низкие цены на нефть привели компанию к банкротству [30], а янтарная кислота биологического происхождения в настоящее время практически не производится. [31]
Некоторые лабораторные химикаты вызывают споры с точки зрения «зеленой химии». Массачусетский технологический институт создал «Мастер зеленых» альтернатив [1], который помогает идентифицировать альтернативы. Бромид этидия , ксилол , ртуть и формальдегид были определены как «худшие нарушители», которым есть альтернативы. [32] Растворители, в частности, вносят большой вклад в воздействие химического производства на окружающую среду, и все большее внимание уделяется внедрению растворителей Greener на самых ранних стадиях развития этих процессов: лабораторных реакций и методов очистки. [33] В фармацевтической промышленности компании GSK [34] и Pfizer [35] опубликовали Руководства по выбору растворителей для своих химиков, занимающихся разработкой лекарств.
В 2007 году ЕС ввел в действие программу регистрации, оценки, авторизации и ограничения использования химических веществ (REACH), которая требует от компаний предоставления данных, подтверждающих безопасность их продукции. Этот регламент (1907/2006) обеспечивает не только оценку опасности химических веществ, а также рисков при их использовании, но также включает меры по запрету или ограничению/разрешению использования конкретных веществ. ECHA, Химическое агентство ЕС в Хельсинки, реализует это постановление, а обеспечение соблюдения лежит на государствах-членах ЕС.
В 1970 году в Соединенных Штатах было создано Агентство по охране окружающей среды (EPA) для защиты здоровья человека и окружающей среды путем создания и обеспечения соблюдения экологических норм. Зеленая химия опирается на цели Агентства по охране окружающей среды, поощряя химиков и инженеров разрабатывать химические вещества, процессы и продукты, которые позволяют избежать образования токсинов и отходов. [36]
Законом США, который регулирует большинство промышленных химикатов (за исключением пестицидов, продуктов питания и фармацевтических препаратов), является Закон о контроле за токсичными веществами (TSCA) 1976 года. Аналитики изучают роль программ регулирования в формировании развития зеленой химии в Соединенных Штатах. выявили структурные недостатки и давние слабости в TSCA; например, в отчете Законодательного собрания Калифорнии за 2006 год делается вывод, что TSCA создала внутренний рынок химикатов, на котором опасные свойства химикатов не учитываются по сравнению с их функциями, ценой и эффективностью. [37] Ученые утверждают, что такие рыночные условия представляют собой ключевой барьер на пути научного, технического и коммерческого успеха зеленой химии в США, и для исправления этих недостатков необходимы фундаментальные политические изменения. [38]
Принятый в 1990 году Закон о предотвращении загрязнения помог разработать новые подходы к борьбе с загрязнением, предотвращая экологические проблемы до того, как они возникнут.
Популярность зеленой химии в Соединенных Штатах возросла после принятия Закона о предотвращении загрязнения 1990 года . В этом Законе провозглашалось, что загрязнение следует снижать за счет улучшения конструкций и продукции, а не за счет очистки и утилизации. Эти правила побудили химиков переосмыслить загрязнение и исследовать способы ограничения содержания токсинов в атмосфере. В 1991 году Управление по предотвращению загрязнения и токсичным веществам Агентства по охране окружающей среды создало программу исследовательских грантов , поощряющую исследования и воссоздание химических продуктов и процессов с целью ограничения воздействия на окружающую среду и здоровье человека. [39] Агентство по охране окружающей среды ежегодно проводит конкурс «Зеленая химия», чтобы стимулировать экономические и экологические выгоды от разработки и использования «зеленой» химии. [40]
В 2008 году штат Калифорния утвердил два закона, направленных на поощрение зеленой химии, положив начало Калифорнийской инициативе зеленой химии . Один из этих законов требовал от Департамента по контролю за токсичными веществами Калифорнии (DTSC) разработать новые правила, определяющие приоритетность «химических веществ, вызывающих озабоченность», и способствующих замене опасных химикатов более безопасными альтернативами. Принятые в результате постановления вступили в силу в 2013 году, положив начало программе DTSC « Безопасные потребительские товары» . [41]
Существуют двусмысленности в определении «зеленой химии» и в том, как ее понимают в более широком научном, политическом и бизнес-сообществе. Даже в области химии исследователи использовали термин «зеленая химия» для описания диапазона работ независимо от концепции, выдвинутой Анастасом и Уорнером (т.е. 12 принципов). [12] Хотя не все виды использования этого термина являются законными (см. «зеленое отмывание »), многие из них являются законными, и авторитетный статус любого отдельного определения неясен. В более широком смысле, идею «зеленой химии» можно легко связать (или спутать) со смежными концепциями, такими как «зеленая инженерия» , экологический дизайн или устойчивое развитие в целом. Сложность и многогранность зеленой химии затрудняет разработку четких и простых показателей . В результате вопрос «что такое зеленый» часто является предметом дискуссий. [42]
Несколько научных обществ учредили награды для поощрения исследований в области зеленой химии.
{{cite book}}
: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка )