Зелёная химия , похожая на устойчивую химию или круговую химию , [1] является областью химии и химической инженерии, сосредоточенной на разработке продуктов и процессов, которые минимизируют или исключают использование и образование опасных веществ. [2] В то время как химия окружающей среды фокусируется на воздействии загрязняющих химических веществ на природу, зелёная химия фокусируется на воздействии химии на окружающую среду, включая снижение потребления невозобновляемых ресурсов и технологические подходы для предотвращения загрязнения . [3] [4] [5] [6] [7] [8]
Главные цели зеленой химии, а именно более ресурсоэффективное и безопасное проектирование молекул, материалов, продуктов и процессов, могут быть достигнуты в широком диапазоне контекстов.
Зеленая химия (устойчивая химия) : Разработка химических продуктов и процессов, которые минимизируют или исключают использование или образование веществ, опасных для людей, животных, растений и окружающей среды. Примечание 1: Изменено из ссылки [9] для большей обобщенности.
Примечание 2: Зеленая химия обсуждает инженерную концепцию предотвращения загрязнения и нулевых отходов как в лабораторных, так и в промышленных масштабах. Она поощряет использование экономичных и экологически совместимых методов, которые не только повышают выход, 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 Соединенных Штатах было связано с изменением стратегий решения экологических проблем: движением от командно-контрольного регулирования и обязательного снижения промышленных выбросов на «конце трубы» к активному предотвращению загрязнения посредством инновационного проектирования самих производственных технологий. Набор концепций, которые теперь признаются как зеленая химия, объединился в середине-конце 1990-х годов, наряду с более широким принятием термина (который преобладал над конкурирующими терминами, такими как «чистая» и «устойчивая» химия). [11] [12]
В Соединенных Штатах Агентство по охране окружающей среды сыграло важную раннюю роль в содействии зеленой химии посредством своих программ по предотвращению загрязнения, финансирования и профессиональной координации. В то же время в Соединенном Королевстве исследователи из Йоркского университета внесли вклад в создание Сети зеленой химии в Королевском химическом обществе и запуск 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 корпорации Polaroid ) опубликовали набор принципов для руководства практикой зеленой химии. [13] Двенадцать принципов охватывают ряд способов снижения воздействия химического производства на окружающую среду и здоровье, а также указывают приоритеты исследований для разработки 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 , стоимость компонентов реакции, безопасность обращения с химикатами, требования к оборудованию, энергетический профиль и простота обработки и очистки продукта. В одном количественном исследовании [ 15] восстановление нитробензола до анилина получает 64 балла из 100 , что в целом характеризует его как приемлемый синтез, тогда как синтез амида с использованием HMDS описывается как адекватный только с общими 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 на окружающую среду и здоровье человека как самих продуктов, так и процессов их производства, чтобы обеспечить их долгосрочную экономическую жизнеспособность. Существует тенденция к использованию наноматериальных технологий в практике, однако люди игнорировали потенциальную нанотоксичность . Поэтому людям необходимо рассмотреть дополнительные соображения по правовым, этическим, нормативным вопросам, вопросам безопасности, связанным с наноматериалами , [17]
Основное применение растворителей в человеческой деятельности — это краски и покрытия (46% использования). Менее объемные применения включают очистку, обезжиривание, клеи и химический синтез. [18] Традиционные растворители часто токсичны или хлорированы. Зеленые растворители, с другой стороны, обычно менее вредны для здоровья и окружающей среды и, желательно, более устойчивы. В идеале растворители должны быть получены из возобновляемых ресурсов и биоразлагаться до безвредного, часто встречающегося в природе продукта. [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, воздействие производства растворителей на окружающую среду необходимо учитывать при выборе растворителя для продукта или процесса. [22] Другим фактором, который следует учитывать, является судьба растворителя после использования. Если растворитель используется в закрытой среде, где сбор и переработка растворителя осуществимы, то следует учитывать затраты на энергию и экологический вред, связанный с переработкой; В такой ситуации вода, очистка которой требует больших затрат энергии, может оказаться не самым экологичным выбором. С другой стороны, растворитель, содержащийся в потребительском продукте, скорее всего, будет выброшен в окружающую среду при использовании, и поэтому воздействие самого растворителя на окружающую среду важнее, чем стоимость энергии и воздействие переработки растворителя; в таком случае вода, скорее всего, будет экологичным выбором. Короче говоря, необходимо учитывать воздействие всего срока службы растворителя, от колыбели до могилы (или от колыбели до колыбели, если он перерабатывается). Таким образом, наиболее полное определение зеленого растворителя следующее: « зеленый растворитель — это растворитель, который делает продукт или процесс оказывающим наименьшее воздействие на окружающую среду в течение всего его жизненного цикла » . [23]
По определению, растворитель может быть зеленым для одного применения (потому что он наносит меньший вред окружающей среде, чем любой другой растворитель, который может быть использован для этого применения) и все же не быть зеленым растворителем для другого применения. Классическим примером является вода , которая является очень зеленым растворителем для потребительских товаров, таких как очиститель для 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 являются очень стойкими. Вместо этого сверхкритический диоксид углерода , по-видимому, является самым зеленым растворителем для этого применения, поскольку он хорошо работает без какого-либо поверхностно-активного вещества. [23] Подводя итог, можно сказать, что ни один растворитель не может быть объявлен «зеленым растворителем», если декларация не ограничена конкретным применением.
Новые или усовершенствованные методы синтеза часто могут обеспечить улучшенные экологические показатели 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 явной ссылкой на его вклад в зеленую химию и «более умное производство». [24] Обзор 2005 года определил три ключевых события в зеленой химии в области органического синтеза : использование сверхкритического диоксида углерода в качестве зеленого растворителя, водной перекиси водорода для чистого окисления и использование водорода в асимметрическом синтезе . [25] Еще несколько примеров прикладной зеленой химии — это сверхкритическое окисление в воде , реакции на воде и реакции в сухой среде . [ требуется ссылка ]
Биоинженерия также рассматривается как перспективный метод достижения целей зеленой химии. Ряд важных химических процессов может быть синтезирован в сконструированных организмах, таких как шикимат , предшественник Тамифлю , который ферментируется Roche в бактериях. Клик-химия часто цитируется [ требуется ссылка ] как стиль химического синтеза, который согласуется с целями зеленой химии. Концепция «зеленой аптеки» недавно была сформулирована на основе схожих принципов. [26]
В 1996 году компания Dow Chemical выиграла премию Greener Reaction Conditions 1996 года за свой 100%-ный вспенивающий агент на основе диоксида углерода для производства пенополистирола . Пенополистирол является распространенным материалом, используемым для упаковки и транспортировки продуктов питания. Только в Соединенных Штатах его производится ежегодно семьсот миллионов фунтов. Традиционно в процессе производства листов пенопласта использовались ХФУ и другие озоноразрушающие химикаты, что представляет серьезную опасность для окружающей среды . Легковоспламеняющиеся, взрывоопасные и, в некоторых случаях, токсичные углеводороды также использовались в качестве заменителей ХФУ, но они представляют свои собственные проблемы. Компания Dow Chemical обнаружила, что сверхкритический диоксид углерода работает так же хорошо, как вспенивающий агент, без необходимости использования опасных веществ, что позволяет полистиролу легче перерабатываться. CO 2 , используемый в процессе, повторно используется из других отраслей промышленности, поэтому чистый углерод, выделяемый в процессе, равен нулю.
Принцип решения № 2 — это процесс перекиси для получения гидразина без сопутствующей генерации соли. Гидразин традиционно производится по процессу Олина-Рашига из гипохлорита натрия (активного ингредиента многих отбеливателей ) и аммиака . Чистая реакция производит один эквивалент хлорида натрия на каждый эквивалент целевого продукта гидразина: [27]
В более экологичном процессе перекиси водорода в качестве окислителя используется перекись водорода, а побочным продуктом является вода. Чистая конверсия следующая:
Обращаясь к принципу № 4, этот процесс не требует вспомогательных экстрагирующих растворителей. Метилэтилкетон используется в качестве носителя для гидразина, промежуточная фаза кетазина отделяется от реакционной смеси, облегчая обработку без необходимости экстрагирующего растворителя.
Решение принципа №7 — это зеленый путь к 1,3-пропандиолу , который традиционно производится из нефтехимических прекурсоров. Его можно производить из возобновляемых прекурсоров путем биоразделения 1,3-пропандиола с использованием генетически модифицированного штамма E. coli . [28] Этот диол используется для производства новых полиэфиров для производства ковров.
В 2002 году компания Cargill Dow (теперь NatureWorks ) выиграла премию Greener Reaction Conditions Award за усовершенствованный метод полимеризации полимолочной кислоты . К сожалению, полимеры на основе лактида не очень эффективны, и проект был прекращен компанией Dow вскоре после получения награды. Молочная кислота производится путем ферментации кукурузы и преобразуется в лактид , циклический димерный эфир молочной кислоты с использованием эффективной циклизации, катализируемой оловом. Энантиомер L,L-лактида выделяется путем перегонки и полимеризуется в расплаве для получения кристаллизующегося полимера , который имеет ряд применений, включая текстиль и одежду, столовые приборы и упаковку для 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, пригодного для вторичной переработки и компостирования.
В 2003 году Shaw Industries выбрала комбинацию полиолефиновых смол в качестве базового полимера для EcoWorx из-за низкой токсичности его исходного сырья, превосходных адгезионных свойств, размерной стабильности и возможности его вторичной переработки. Состав EcoWorx также должен был быть разработан таким образом, чтобы быть совместимым с нейлоновым ковровым волокном. Хотя EcoWorx можно извлечь из любого типа волокна, нейлон-6 обеспечивает значительное преимущество. Полиолефины совместимы с известными методами деполимеризации нейлона-6. ПВХ мешает этим процессам. Химия нейлона-6 хорошо известна и не рассматривается в производстве первого поколения. С самого начала EcoWorx соответствовал всем критериям проектирования, необходимым для удовлетворения потребностей рынка с точки зрения производительности, здоровья и экологии. Исследования показали, что разделение волокна и подложки путем отмучивания , измельчения и воздушной сепарации оказалось наилучшим способом восстановления лицевых и подложечных компонентов, но была необходима инфраструктура для возврата EcoWorx из отходов потребления в процесс отмучивания. Исследования также показали, что ковровая плитка из отходов потребления имела положительную экономическую ценность в конце своего срока службы. EcoWorx признан MBDC сертифицированным дизайном «от колыбели до колыбели» .
В 2005 году компании Archer Daniels Midland (ADM) и Novozymes выиграли премию Greener Synthetic Pathways Award за свой процесс ферментативной переэтерификации. В ответ на требование Управления по контролю за продуктами и лекарствами США (FDA) о маркировке трансжиров в информации о пищевой ценности с 1 января 2006 года компании Novozymes и ADM совместно работали над разработкой чистого ферментативного процесса переэтерификации масел и жиров путем замены насыщенных и ненасыщенных жирных кислот. Результатом стали коммерчески жизнеспособные продукты без трансжиров . Помимо преимуществ для здоровья человека от устранения трансжиров , этот процесс сократил использование токсичных химикатов и воды, предотвращает образование большого количества побочных продуктов и уменьшает количество жиров и масел, которые выбрасываются в отходы.
В 2011 году премия «Выдающиеся достижения в области зеленой химии» была присуждена компании BioAmber Inc. за интегрированное производство и последующее применение янтарной кислоты на биологической основе . Янтарная кислота — это платформенное химическое вещество, являющееся важным исходным материалом в формулах повседневных продуктов. Традиционно янтарная кислота производится из нефтяного сырья. Компания BioAmber разработала процесс и технологию, которые производят янтарную кислоту путем ферментации возобновляемого сырья с более низкой стоимостью и меньшими затратами энергии, чем нефтяной эквивалент, при этом поглощая CO2, а не выбрасывая его. [29] Однако низкие цены на нефть привели компанию к банкротству [30] , и янтарная кислота из биологического сырья в настоящее время практически не производится. [31]
Несколько лабораторных химикатов являются спорными с точки зрения зеленой химии. Массачусетский технологический институт создал «зеленого» мастера альтернатив [1], чтобы помочь определить альтернативы. Бромистый этидий , ксилол , ртуть и формальдегид были определены как «худшие нарушители», у которых есть альтернативы. [32] Растворители, в частности, вносят большой вклад в воздействие химического производства на окружающую среду, и все больше внимания уделяется внедрению более зеленых растворителей на самой ранней стадии разработки этих процессов: лабораторные методы реакции и очистки. [33] В фармацевтической промышленности и 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 химических веществ (REACH), которая требует от компаний предоставления данных, подтверждающих безопасность их продукции. Этот регламент (1907/2006) обеспечивает не только оценку опасностей химических веществ, а также рисков при их использовании, но и включает меры по запрету или ограничению/разрешению использования определенных веществ. ECHA, химическое агентство ЕС в Хельсинки, реализует регламент, тогда как обеспечение его соблюдения возложено на государства-члены ЕС.
В 1970 году Соединенные Штаты сформировали Агентство по охране окружающей среды (EPA) для защиты здоровья человека и окружающей среды путем создания и обеспечения соблюдения экологических норм. Зеленая химия основывается на целях EPA, поощряя химиков и инженеров разрабатывать химикаты, процессы и продукты, которые избегают создания токсинов и отходов. [36]
Закон США, регулирующий большинство промышленных химикатов (за исключением пестицидов, продуктов питания и фармацевтических препаратов), — это Закон о контроле за токсичными веществами (TSCA) 1976 года. Изучая роль регулирующих программ в формировании развития зеленой химии в Соединенных Штатах, аналитики выявили структурные недостатки и давние слабости TSCA; например, в отчете 2006 года Законодательному собранию Калифорнии делается вывод о том, что TSCA создал внутренний рынок химикатов, который обесценивает опасные свойства химикатов по сравнению с их функцией, ценой и производительностью. [37] Ученые утверждают, что такие рыночные условия представляют собой ключевое препятствие для научного, технического и коммерческого успеха зеленой химии в США, и для исправления этих слабостей необходимы фундаментальные изменения политики. [38]
Принятый в 1990 году Закон о предотвращении загрязнения окружающей среды помог разработать новые подходы к борьбе с загрязнением путем предотвращения экологических проблем до их возникновения.
Зеленая химия стала популярной в Соединенных Штатах после принятия Закона о предотвращении загрязнения 1990 года . Этот Закон гласил, что загрязнение должно быть снижено путем улучшения конструкций и продуктов, а не обработки и утилизации. Эти правила поощряли химиков переосмысливать загрязнение и исследовать способы ограничения токсинов в атмосфере. В 1991 году Управление по предотвращению загрязнения и токсичности Агентства по охране окружающей среды создало программу исследовательских грантов, поощряющую исследования и воссоздание химических продуктов и процессов для ограничения воздействия на окружающую среду и здоровье человека. [39] Агентство по охране окружающей среды ежегодно проводит Конкурс зеленой химии, чтобы стимулировать экономические и экологические выгоды от разработки и использования зеленой химии. [40]
В 2008 году штат Калифорния одобрил два закона, направленных на поощрение зеленой химии, запустив Инициативу зеленой химии Калифорнии . Один из этих законов потребовал от Департамента по контролю токсичных веществ Калифорнии (DTSC) разработать новые правила для определения приоритетов «химических веществ, вызывающих беспокойство» и содействия замене опасных химических веществ более безопасными альтернативами. Полученные правила вступили в силу в 2013 году, инициировав Программу более безопасных потребительских товаров DTSC . [41]
Существуют двусмысленности в определении зеленой химии и в том, как она понимается в более широких научных, политических и деловых сообществах. Даже в химии исследователи использовали термин «зеленая химия» для описания ряда работ независимо от структуры, предложенной Анастасом и Уорнером (т. е. 12 принципов). [12] Хотя не все применения термина являются законными (см. гринвошинг ), многие из них являются таковыми, и авторитетный статус любого отдельного определения неопределен. В более широком смысле, идею зеленой химии можно легко связать (или спутать) с родственными концепциями, такими как зеленая инженерия , экологический дизайн или устойчивость в целом. Сложность и многогранность зеленой химии затрудняют разработку четких и простых показателей . В результате, «что такое зеленый» часто является предметом споров. [42]
Несколько научных обществ учредили премии для поощрения исследований в области зеленой химии.
{{cite book}}
: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка )