Zapobieganie powstawaniu odpadów Zasada ta mówi o tym, aby tak zoptymalizować proces, żeby w jego wyniku powstawało jak najmniej odpadów. Lepszym rozwiązaniem jest zapobieganie powstawaniu odpadów, aniżeli ich utylizacja lub późniejsze składowanie.
Czynnik pokazujący wpływ odpadów na efektywność procesu opisuje się literą $E$. $E$ jest to tzw. czynnik środowiskowy, który możemy opisać wzorem: $E=\frac{\text{masa} \text{odpadów} \left[\text{kg}\right]}{\text{masa} \text{produktów} \left[\text{kg}\right]}$
Idealną wartością czynnika $E$ jest $0$., Ekonomia atomu Ekonomia atomu ($AE$) jest to miara ilości atomów z materiału wyjściowego, które są obecne w produktach głównych (pożądanych) na końcu procesu chemicznego. Dlatego też ważnym jest, aby tak dobrać substraty, żeby zminimalizować ilość powstałych odpadów. Ilustracja przedstawiająca dwa symboliczne równania reakcji, w pierwszym powstają jedynie pożądane produkty, a w drugim oprócz produktów pożądanych - produkty uboczne. Równanie pierwsze. Czerwona kulka dodać niebieska kulka reprezentujące substraty, strzałka w prawo, czerwona kulka styka się z niebieską kulką, jest to powstały w wyniku reakcji produkt. Równanie drugie. Czerwona kulka stykająca się na górze z zielonym trójkątem, co odpowiada pierwszemu substratowi. Dodać różowy kwadrat stykający się z czterema niebieskimi, małymi kulkami, co reprezentuje drugi substrat. Strzałka w prawo, czerwona kulka stykająca się z niebieską kulką, co odpowiada produktowi. Poniżej znajdują się produkty uboczne, to jest pierwszy reprezentowany przez różowy kwadrat stykający się u góry z zielonym trójkątem, a na dole z małą, niebieską kulką, dodać drugi produkt uboczny, któremu odpowiadają dwie małe stykające się niebieskie kulki. ^{Schematyczne przedstawienie $AE$. W pierwszej reakcji z dwóch substratów powstaje jeden produkt. W drugiej natomiast z dwóch substratów powstaje jeden produkt główny oraz dwa produkty uboczne.
Źródło: GroMar Sp. z o.o.; Licencja: CC BY-SA 3.0}
Czynnik $AE$ możemy wyrazić poniższym wzorem: $AE=\frac{M\left(\text{produktu}\right)}{\sum _{}M\left(\text{substratów}\right)}$
gdzie $M$ – masa molowa.
Np. dla reakcji: $\mathrm{A}+\mathrm{B}\to \mathrm{C}+\mathrm{D}$ produkt $\mathrm{D}$ jest produktem ubocznym, dlatego nie jest uwzględniany we wzorze. Otrzymujemy zatem: $AE =\frac{M_C}{{\text{M}}_A+M_B}$
Pożądana wartość $AE$ to $1$., Minimalizacja szkodliwych odczynników podczas syntezy Projektując syntezy chemiczne, należy tak dobierać reagenty, aby nie stanowiły one zagrożenia dla zdrowia i życia ludzi. Ponadto należy pamiętać o tym, aby synteza chemikaliów była jak najbezpieczniejsza, dlatego też należy używać, jako materiałów wyjściowych, substancji nietoksycznych, jeżeli stanowią one alternatywę dla tych niebezpiecznych. Proces produkcyjny należy projektować tak, aby uniknąć powstawania niebezpiecznych odpadów chemicznych, które następnie należy zutylizować. $\text{A}+\text{B}\to \text{C}+\text{HCl}$ $\text{A}+\text{D}\to \text{C}+{\text{C}}_2{\text{H}}_5\text{OH}$ Gdy dostępne są dwie ścieżki syntezy, należy przeanalizować produkty uboczne. W pierwszej reakcji z substratów $\text{A}$ i $\text{B}$ powstaje pożądany produkt $\text{C}$ oraz chlorowodór, który jest toksyczny i szkodliwy. W drugiej ścieżce syntetycznej z substratów $\text{A}$ i $\text{D}$, poza produktem $\text{C}$, powstaje etanol, który jest mniej szkodliwy niż chlorowodór.
Istotną rolę pełnią również rozpuszczalniki wykorzystywane w reakcjach. Ilustracja przedstawiająca nazwy oraz wzory rozpuszczalników podzielone na trzy grupy na podstawie zasad zielonej chemii: rekomendowane, nadające się do użytku oraz nierekomendowane. Wymienione grupy zostały oznaczone kolorami, odpowiednio zielonym, żółtym i czerwonym. Wśród rekomendowanych rozpuszczalników znajdują się woda ${\text{H}}_2\text{O}$, alkohole takie jak: metanol ${\text{CH}}_3\text{OH}$, etanol ${\text{CH}}_3{\text{CH}}_2\text{OH}$ czy izopropanol zbudowany z grupy C H połączonej za pomocą wiązań pojedynczych z grupą hydroksylową oraz z dwiema grupami metylowymi ${\text{CH}}_3$. Ostatnim rekomendowanym rozpuszczalnikiem jest aceton, czyli propan-$2$ -on\; zbudowany\; z atomu\; węgla\; połączonego\; za\; pomocą\; wiązania\; podwójnego\; z atomem\; tlenu\; oraz\; za\; pomocą\; wiązań\; pojedynczych\; z dwiema\; grupami\; metylowymi$$${\text{CH}}_3$. Do drugiej grupy rozpuszczalników nadających się do użytku zaliczane są: toluen, który to stanowi sześcioczłonowy pierścień aromatyczny podstawiony jedną grupą metylową ${\text{CH}}_3$. Dalej heptan o wzorze sumarycznym ${\text{C}}_7{\text{H}}_{16}$, $\text{DMSO}$, to jest dimetylosulfotlenek składający się z atomu siarki połączonej za pomocą wiązania podwójnego z atomem tlenu oraz za pomocą wiązań pojedynczych z dwiema grupami metylowymi. Do omawianej grupy zaliczane są również $\text{THF}$, czyli tetrahydrofuran, który stanowi pięcioczłonowy nasycony pierścień składający się z czterech atomów węgla oraz jednego atomu tlenu, oraz acetonitryl ${\text{CH}}_3\text{CN}$. W ostatniej grupie rozpuszczalników nierekomendowanych znajdują się $\text{DMF}$ to jest dimetyloformamid zbudowany z atomu węgla połączonego za pomocą wiązania podwójnego z atomem tlenu oraz za pomocą wiązań pojedynczych z atomem wodoru oraz z atomem azotu, który to podstawiony jest dwiema grupami metylowymi ${\text{CH}}_3$. Dalej jest $1$ ,$ 4$ -dioksan\; zbudowany\; z czterech\; atomów\; węgla\; i dwóch\; atomów\; tlenu,\; które\; to\; tworzą\; razem\; sześcioczłonowy\; pierścień,\; przy\; czym\; atomy\; tlenu\; znajdują\; się\; w pozycjach\; pierwszej\; i czwartej\; pierścienia,\; który\; jest\; nasycony,\; zatem\; każdy\; węgiel\; podstawiony\; jest\; dwoma\; atomami\; wodoru.\; Nierekomendowane\; są\; również\; rozpuszczalniki\; chlorowane:\; chloroform,\; czyli\; trichlorometan\; zbudowany\; z atomu\; węgla\; podstawionego\; trzema\; atomami\; chloru\; i atomem\; wodoru,\; a także\; dichlorometan,\; który\; to\; stanowi\; atom\; węgla\; połączony\; z dwoma\; atomami\; wodoru\; i dwoma\; atomami\; chloru.\; Ostatnim\; wymienionym\; rozpuszczalnikiem\; jest\; benzen,\; czyli\; sześcioczłonowy\; pierścień\; aromatyczny\; składający\; się\; z sześciu\; atomów\; węgla\; i sześciu\; atomów\; wodoru.$$$$
^{Źródło: GroMar Sp. z o.o.; Licencja: CC BY-SA 3.0}
W reakcjach prowadzonych na dużą skalę lub w reakcjach, w wyniku których otrzymuje się różnego rodzaju medykamenty, zalecane jest wykorzystywanie rozpuszczalników rekomendowanych. Ze względu na wysoką toksyczność oraz zagrożenie dla środowiska, rozpuszczalników nierekomendowanych nie wykorzystuje się w procesach przemysłowych., Projektowanie chemikaliów w taki sposób, aby były one mniej szkodliwe, ale zachowywały swoje funkcje Powyższa zasada ściśle łączy się z poprzednią zasadą. Pracą chemików jest poszukiwanie nowych materiałów, które mogą zastąpić inne, bardziej szkodliwe. Projektowanie nowych związków i materiałów wymaga odpowiedniej wiedzy na temat ich wpływu na środowisko lub zdrowie i życie ludzi oraz zwierząt., Ograniczenie użycia rozpuszczalników oraz zminimalizowanie ich szkodliwości Wiele procesów i reakcji chemicznych potrzebuje użycia rozpuszczalników. Niektóre rozpuszczalniki charakteryzują się dużą toksycznością oraz niebezpieczeństwami związanymi z ich użytkowaniem, np. są łatwopalne i lotne. W większości przypadków użycie rozpuszczalników jest konieczne, aby zwiększyć wydajność, dlatego też należy odpowiednio dobrać ich ilość. Jednakże należy poszukiwać mniej toksycznych alternatyw lub, jeżeli to możliwe, pozostały po procesie rozpuszczalnik wykorzystać ponownie., Wydajne wykorzystanie energii w procesach chemicznych Energochłonne procesy nie są zgodne z zasadami zielonej chemii. Procesy lub reakcje należy projektować w taki sposób, aby nie było konieczne grzanie lub chłodzenie układu reakcyjnego, a jeżeli to możliwe, proces należy prowadzić w warunkach temperatury pokojowej i ciśnienia atmosferycznego. Przy projektowaniu procesu należy również wziąć pod uwagę procesy usuwania rozpuszczalników lub zanieczyszczeń, które również wymagają nakładów energii., Wykorzystanie surowców pochodzących ze źródeł odnawialnych Zasada ta odnosi się głównie do produktów powstających z nieodnawialnych źródeł energii, takich jak np. ropa naftowa. Z półproduktów powstających z ropy naftowej produkuje się tworzywa sztuczne, takie jak np. plastik. Ropa naftowa jest źródłem nieodnawialnym, o ograniczonym wydobyciu. Dlatego też w projektowaniu nowych materiałów można wykorzystywać substraty pochodzenia naturalnego – takie jak np. substancje pochodzenia roślinnego., Ograniczenie powstawania dodatkowych odpadów wskutek wykorzystania np. grup zabezpieczających Grupy zabezpieczające są często wykorzystywane w chemii organicznej. Niektóre grupy funkcyjne mogą znacząco zmniejszać reaktywność substratów lub wydajność. Wprowadzenie grup zabezpieczających zapobiega powstawaniu produktów ubocznych lub innych niepożądanych reakcji chemicznych. Jednakże wiąże się to z kolejnymi, dodatkowymi etapami reakcji chemicznych, które wymagają użycia dodatkowych reagentów, rozpuszczalników i zużycia energii. Dlatego też, projektując proces chemiczny, należy tak dobrać substraty, aby nie było koniecznym wykonywanie dodatkowych kroków w syntezie. Do przeprowadzenia niektórych procesów chemicznych można wykorzystać enzymy pochodzenia naturalnego – produkowane przez np. bakterie czy grzyby. Ilustracja przedstawiająca schemat reakcji. Od substratu A poprowadzona jest strzałka w prawo do produktu B. Nad strzałką zapis: enzym. Oprócz tego od substratu A poprowadzono strzałkę w dół do C, od C strzałkę w prawo do D, zaś od D strzałkę w górę do produktu B. Co obrazuje dwie drogi prowadzące do produktu B, jednoetapową z udziałem enzymu oraz wieloetapową bez wykorzystania enzymów.
^{Źródło: GroMar Sp. z o.o.; Licencja: CC BY-SA 3.0}
Aby z substratu $\text{A}$ otrzymać produkt $\text{B}$, można obrać dwie ścieżki: Czarną – z wykorzystaniem np. enzymów (jeden etap) Czerwoną – ze związku $\text{A}$ otrzymuje się związek $\text{C}$, ze związku $\text{C}$ – związek $\text{D}$, ze związku $\text{D}$ – finalny produkt $\text{B}$ (trzy etapy).
Czerwona ścieżka może reprezentować przeprowadzenie procesu z wykorzystaniem grupy zabezpieczającej. W planowaniu syntezy z wykorzystaniem grup zabezpieczających należy uwzględnić przynajmniej dwa dodatkowe etapy – etap "zabezpieczania" (blokowania) danej grupy funkcyjnej w określonym reagencie i etap jej "odbezpieczania"., Kataliza Kataliza jest to zjawisko, w którym następuje przyspieszenie reakcji chemicznej po dodaniu niewielkiej ilości katalizatora. Katalizator nie jest zużywany w trakcie reakcji, dlatego też może być ponownie wykorzystany. W niektórych przypadkach użycie katalizatora umożliwia przebieg reakcji, która nie zachodziłaby w danych warunkach, lub powoduje zmniejszenie ilości produktów ubocznych. Wykres zależności energii od przebiegu reakcji. Oś pionowa opisana jako energia, z kolei oś pozioma jako przebieg reakcji, czyli jej postęp w czasie. W pierwszym przypadku krzywa reprezentuje funkcję dla reakcji prowadzonej bez udziału katalizatora. Poziomy fragment prostopadły do osi pionowej odpowiada energii substratów, następnie funkcja gwałtownie rośnie w miarę postępu reakcji, osiągając maksimum, a następnie maleje, osiągając energię produktów reakcji, która w tym przypadku jest mniejsza od energii substratów. W drugim przypadku reakcja prowadzona jest z udziałem katalizatora, co obrazuje druga krzywa, energie substratów i produktów są jednakowe jak dla reakcji bez udziału katalizatora, jednakże maksymalna energia osiągnięta w trakcie jej przebiegu jest znacząco niższa, zatem katalizator wpłyną na zmniejszenie energii aktywacji reakcji.
^{Źródło: GroMar Sp. z o.o.; Licencja: CC BY-SA 3.0}
Użycie katalizatora zmniejsza energię potrzebną do zajścia reakcji chemicznej, dzięki czemu zużywa się mniej energii do jej przeprowadzenia, a to jest korzystne dla środowiska. Co więcej, warto stosować katalizatory naturalnego pochodzenia – enzymy – zamiast katalizatorów zawierających w centrach aktywnych metale ciężkie, np. pallad, platynę czy nikiel., Projektowanie produktów w taki sposób, aby po okresie ich użytkowania rozkładały się do substancji nieszkodliwych Idealne produkty reakcji chemicznych powinny być zaprojektowane tak, aby po okresie ich zużycia rozpadały się na substancje nieszkodliwe dla środowiska. Niektóre zanieczyszczenia organiczne mogą wykazywać wysoką trwałość oraz utrzymywać się w środowisku przez wiele lat. Jednym z przykładów trwałych i szkodliwych dla środowiska związków chemicznych może być związek DDT (dichlorodifenylotrichloroetan). Rozkłada się on do związków DDD i DDE, które są równie trwałe oraz równie szkodliwe. Schemat reakcji przedstawiających produkty, do jakich przekształcany jest DDT w wyniku metabolizmu. D D T zbudowany jest z grupy $\text{CH}$ połączonej za pomocą wiązań pojedynczych z dwoma podstawnikami $4$-chlorofenylowymi, a także z atomem węgla podstawionym trzema atomami chloru. Może on ulegać dwóm przemianom. W wyniku pierwszej od D D T odłącza się jedna cząsteczka chlorowodoru, co prowadzi do powstania D D E zbudowanego z atomu węgla połączonego za pomocą wiązań pojedynczych z dwiema grupami $4$-chlorofenylowymi, a także za pomocą wiązania podwójnego z atomem węgla podstawionym dwoma atomami chloru. Na drodze drugiej możliwej przemiany, która polega na redukcji z uwolnieniem cząsteczki chlorowodoru, powstaje D D D zbudowany z grupy $\text{CH}$ połączonej za pomocą wiązań pojedynczych z dwoma podstawnikami $4$-chlorofenylowymi, a także z atomem węgla podstawionym dwoma atomami chloru i jednym wodoru.
^{Źródło: www.wikipedia.org; Licencja: domena publiczna}
Dlatego ważnym jest, aby projektować produkty w taki sposób, aby ulegały degradacji do nieszkodliwych substancji pod wpływem promieniowania UV, wilgoci lub organizmów żywych, głównie saprobiontów (tzw. biodegradacja)., Kontrolowanie w czasie rzeczywistym procesów chemicznych, aby uniknąć powstawania szkodliwych zanieczyszczeń Monitorowanie reakcji w czasie rzeczywistym może odbywać się przy pomocy odpowiednich technik analitycznych. Monitoring procesu pozwala na uniknięcie powstawania niebezpiecznych i szkodliwych substancji, mogących stanowić zagrożenie dla zdrowia lub życia osób pracujących przy procesie. Odpowiednia kontrola pozwala na odpowiednio wczesne zatrzymanie procesu, a co za tym idzie uniknięcie niebezpiecznych wypadków., Stosowanie substancji ograniczających możliwość powstawania wypadków Nieodłącznym elementem pracy z chemikaliami jest ryzyko. Odpowiednie zarządzanie zagrożeniami może je zminimalizować. Zasada $12$ ściśle łączy się z innymi zasadami omawiającymi niebezpieczne reagenty. Tam, gdzie jest to możliwe, należy wyeliminować narażenie na zagrożenie, a w przypadku, gdy eliminacja jest niemożliwa, proces powinien być zaprojektowany w taki sposób, aby je zminimalizować.