Принципы зеленой химии. Зеленая химия реферат

Министерство образования и науки

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФГБОУ ВПО «ПЕРМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Реферат

Зеленая химия. Достижения и перспективы

Выполнила: Шилова А.Н.

Проверил: Стрельников В.Н.

Пермь 2013

Содержание

Введение

Зелёная химия — научное направление в химии, к которому можно отнести любое усовершенствование химических процессов, которое положительно влияет на окружающую среду. Как научное направление, возникло в 90-е годы XX века.

Новые схемы химических реакций и процессов, которые разрабатываются во многих лабораториях мира, призваны кардинально сократить влияние на окружающую среду крупнотоннажных химических производств. Химические риски, неизбежно возникающие при использовании агрессивных сред, производственники традиционно пытаются уменьшить, ограничивая контакты работников с этими веществами.

В то же время, Зелёная химия предполагает другую стратегию — вдумчивый отбор исходных материалов и схем процессов, который вообще исключает использование вредных веществ. Таким образом, Зеленая химия — это своего рода искусство, позволяющее не просто получить нужное вещество, но получить его таким путем, который, в идеале, не вредит окружающей среде на всех стадиях своего получения.

Последовательное использование принципов Зеленой химии приводит к снижению затрат на производство, хотя бы потому, что не требуется вводить стадии уничтожения и переработки вредных побочных продуктов, использованных растворителей и других отходов, — поскольку их просто не образуется. Сокращение числа стадий ведет к экономии энергии, и это тоже положительно сказывается на экологической и экономической оценке производства.

В настоящее время Зелёная химия как новое научное направление имеет большое число сторонников[1].

История возникновения

Зеленая химия возникла после издания в США Акта о предотвращении загрязнений, хотя к ранним предпосылкам ее возникновения можно отнести движение, направленное на ресурсо- и энергосбережение, которое было популярным в СССР и других странах с момента развития промышленности. Основная цель зеленой химии – поиск безопасных с точки зрения химии и экологии способов деятельности общества во всех аспектах – начиная от процессов производства и способов использования энергоресурсов и до способов выполнения нашей ежедневной домашней работы. Химики и обычные люди, которые следуют принципам зеленой химии, нацелены на то, чтобы меньше использовать или вообще не использовать и не создавать опасных веществ и продуктов, а также процессов, в которых образуются такие вещества. Таким образом, они предотвращают воздействие отходов и опасных веществ самым надежным способом – не допускают их образования.

Когда-нибудь в будущем вся химия станет зеленой. До этого момента необходимы усилия общества и специалистов, направленные на то, чтобы сделать наш мир более зеленым местом. В США эту работу возглавляет Институт Зеленой химии Американского химического общества. В России такие усилия осуществляются в ряде общественных организаций, в нашем Научно-образовательном центре МГУ имени М.В.Ломоносова «Зеленая химия – химия в интересах устойчивого развития» и в Институте устойчивого развития РХТУ им.Д.И.Менделеева.

Основные отличия

В то время как Химия окружающей среды изучает источники, распространение, устойчивость и воздействие химических загрязнителей; Химия для окружающей среды обеспечивает химические решения для того, чтобы избавиться от загрязнений. При этом существуют следующие возможные пути химических решений:

1. Уничтожать загрязнители, поступившие в окружающую среду;

2. Ограничивать их распространение, если они локальные;

3. Прекратить их производство — путем замены существующих способов получения химических продуктов на новые.

Первые два направления входят в область исследований Экологической химии; последнее направление представляет собой ту область, которой занимается Зеленая химия[2].

studfiles.net

Зеленая химия — реферат

С точки зрения защиты растений важен не столько процесс, сколько конечный результат, который может быть достигнут и другими путями, например, использованием феромонов вместо традиционных инсектицидов.

В последнее время широким фронтом ведутся также работы по получению биоразлагаемых полимеров для современных упаковок, в том числе и для пищевых продуктов. Остановимся на этом чуть подробнее.

Биоразлагаемые  полимеры.

Суммарный объем производства полимерных материалов во всем мире достигает многих десятков миллионов тонн. Свойства полимеров весьма разнообразны и определяются их областью применения. На основе полипропилена и ароматических полиамидов, например, созданы ценные конструкционные материалы, устойчивые к различным воздействиям. Эти материалы с успехом применяют, в частности, в строительстве и машиностроении.

Однако не во всех областях требуются  очень прочные и устойчивые к  различным воздействиям полимеры. К  таким областям относится, например, изготовление тары различного рода: мешки, пакеты, бутыли и т. д. Срок службы таких полимерных изделий невелик, вследствие чего многие миллионы тонн полиэтилена, полипропилена и других материалов ежегодно попадают на свалки. Эти материалы не гниют в почве и устойчивы к атмосферным воздействиям, так как в соответствующих организмах (грибы, бактерии) отсутствуют ферменты, способные разрушать синтетические полимерные материалы. Поэтому проблема защиты окружающей среды от устойчивых полимеров превратилась в одну из актуальных глобальных задач. Создав исключительно прочные полимерные материалы, химики теперь озабочены прямо противоположной проблемой: как получить материалы, обладающие непродолжительным сроком эксплуатации и способные разлагаться в природных условиях.

Исследования развиваются в двух направлениях:

1. Применение биополимеров. Биополимеры производятся живыми организмами и способны разлагаться в природных условиях. Речь при этом идет прежде всего о полисахаридах (крахмал, целлюлоза).

2. Синтез аналогов биополимеров, способных к разрушению под действием света или бактерий, а также полимеров, растворимых в воде.

На пути создания синтетических  биоразлагаемых полимеров достигнуты первые успехи.

Разработан процесс изготовления предметов тары из полиэтилена, в который внедрены частицы крахмала. Крахмал весьма неустойчив в природных условиях, вследствие чего все изделия из такого полимера разлагаются значительно быстрее, чем обычные полимеры.

Полезным полимером оказался поливинилацетат. При его гидролизе получают еще один биоразлагаемый материал - поливиниловый спирт.

                 поливинилацетат                                                                               поливиниловый спирт

Его ценным качеством является растворимость в воде. Тара, изготовленная из поливинилового спирта, оказывается очень проста в утилизации.

Специалисты в области «зеленой»  химии, перед которой в странах Западной Европы и США поставлены задачи создания безотходных и безопасных для окружающей среды технологий, возлагают большие надежды на полимолочную кислоту (ПМК).

     полимолочная кислота

ПМК - алифатический полиэфир, который  получают поликонденсацией молочной кислоты или полимеризацией циклического димерного лактида. ПМК легко разлагается в природных условиях или гидролизуется до молочной кислоты, которая может быть вновь превращена в полимер. Пленки ПМК обладают эластичностью, пригодны для изготовления тары, в том числе для пищевых продуктов, так как защищают упакованный товар от запахов и загрязнений. Полагают, что ПМК может оказаться особенно перспективной для изготовления синтетических ковров, поскольку пригодна для изготовления как лицевой стороны, так и основы ковра.

Разработан новый метод производства полимолочной кислоты. По этому методу синтетический полимерный материал впервые производят из ежегодно возобновляемого растительного сырья - углеводов кукурузы. Процесс начинается с ферментативного расщепления декстрозы до молочной кислоты. Полученную кислоту очищают и конденсируют в непрерывном процессе до низкомолекулярного полимера (с молекулярной массой -5000). Этот полимер деполимеризуется в расплаве в присутствии октаноата олова как катализатора. Полученные стереоизомерные лактиды разделяют, выделяя L-лактид в качестве преобладающего компонента, и полимеризуют. Варьируя содержание D-лактида, контролируют физические свойства высокомолекулярного полимера (молекулярная масса от 60 000 до 150 000). С учетом возврата молочной кислоты и лактида выход полимера, в целом, не ниже 90%.

Компания Дау Кемикал разработала  несколько лет назад полимер Nature Works на основе молочной кислоты. В шутку говоря, конфеты в обертке из этого материала можно съесть вместе с оберткой — вреда не будет, хотя вкусовые качества пока не гарантируются. Другими примерами таких замен морально устаревших и экологически «недружественных» полимеров на биоразлагаемые материалы являются замена полиакриловой кислоты полиглутаминовой кислотой, использование хитозанов и производных целлюлозы. Есть успехи и в России:

  (источник рисунка: база научных разработок РХТУ имени Д. И. Менделеева).

Принцип 5. Использование вспомогательных веществ (растворителей, экстрагентов и др.) по возможности должно быть сведено к минимуму (нулю).

Растворители выполняют несколько  функций: они играют роль транспорта (разведение краски, удаление грязи) или помогают смешивать компоненты. Также их используют для того, чтобы доставить или убрать тепло, более эффективно смешать реагенты или контролировать их реакционную способность. Абсолютное большинство растворителей, применяемых сейчас, — это летучие органические вещества, производные нефти. Следовательно, они во-первых, не бесконечны, во-вторых, пожаро- и взрывоопасны, а в-третьих, вредны для окружающей среды. Так же растворители и экстрагенты ни одним атомом не входят в состав конечного продукта (атомная эффективность равна нулю), но, в то же время, составляют во многих процессах значительную и довольно дорогостоящую долю материального баланса и их использование и переработка требуют больших капиталовложений (экстракционные и дистилляционные колонны, осушка, очистка, рецикл или сжигание). В качестве альтернативы в последнее время предлагаются новые растворители, обладающие определенными преимуществами по сравнению с традиционными растворителями, например, ионные жидкости, фторированные растворители, работающие в двухфазных системах, диоксид углерода (или легкие углеводороды и фреоны) в сверхкритических условиях, а также вода, в которой многие процессы органического синтеза могут быть достаточно эффективно осуществлены. (Сверхкритические жидкости — это газы, сжатые до такого состояния, что они почти становятся жидкостями, то есть их плотность приближается к плотности жидкости. Такое состояние возможно только при температурах более высоких, чем так называемые критические, поскольку ниже этого порога газ под давлением просто превратится в жидкость. Жидкости, например, воду, тоже можно перевести в сверхкритическое состояние при определённом давлении и температуре.) С использованием сверхкритического СО2 был разработан промышленный процесс гидрирования изофорона с получением триметилциклогексанона (около 1000 т в год). При традиционных технологиях гидрирование часто идёт с трудом, поскольку водород плохо растворяется в органике. В сверхкритической среде растворитель, водород и субстрат находятся в одном состоянии. Таким образом, процесс протекает более интенсивно, и к тому же непрерывно. Газоподобные свойства сверхкритической жидкости уменьшают вязкость реакционной смеси, за счёт этого увеличивается её приток к поверхности катализатора. С другой стороны, плотность, соответствующая жидкости, позволяет лучше проводить тепло, чем в газовой фазе. Реакция гидрирования изофорона в сверхкритических жидкостях  более селективна, проходит с большей скоростью и позволяет эффективнее  использовать катализатор

Схема проточного реактора для гидрирования органических соединений в scCO2 или сверхкритическом пропане. Сверхкритический CO2, водород и органический субстрат смешиваются в подогреваемом реакторе, оттуда смесь поступает в реактор, содержащий закреплённый катализатор (обычно благородный металл на подложке). В реакторе предусмотрен спектроскопический непрерывный контроль за прохождением реакции. Несмотря на то что объём реактора очень мал (5 или 10 мл), он позволяет получить до 1200 мл продукта.

Процессы органического синтеза в воде, как экологически наиболее чистом растворителе, постепенно завоевывают свои позиции. В качестве примера можно привести реакцию конденсации в присутствии индий содержащего катализатора в водной среде:

Отметим рециклизуемость катализатора в этом процессе. Наконец, существует большое число работ, в которых процессы органического синтеза проводятся вообще без растворителя. Особую актуальность имеют исследования процессов в условиях микроволновой активации, которая обеспечивает селективный нагрев полярных фрагментов молекул и способствует проведению процессов в мягких условиях и их ускорению.

Так вторичные спирты с высокой  селективностью могут быть конвертированы в кетоны в присутствии 

железосодержащего катализатора на глине:

Принцип 6. Энергетические расходы должны быть пересмотрены с точки зрения их экономии и воздействия на окружающую среду и минимизированы. По возможности химические процессы должны проводиться при низких температурах и давлениях.

Использование катализаторов, применение СВЧ (микроволнового облучения) для нагрева, использование параллельных схем, в которых тепло экзотермической реакции поглощается в параллельно протекающей эндотермической реакции (например, дегидрирование этилбензола в стирол и гидрирование нитробензола выделяющимся в первом процессе водородом), эффективное использование и рекуперация тепла— все эти подходы должны быть реализованы для превращения многих экологически малопривлекательных процессов в «зеленую» химию. Этим подходам в разработке новых технологий должна быть дана «зеленая улица» или «зеленый свет». Было показано на широком круге процессов, что использование всех этих инноваций дает возможность снизить энергонапряженность процесса (а цена энергии во многих, особенно крупнотоннажных, производствах сравнительно дешевых продуктов доходит до 20—30%).(Энергия — это эквивалент, измеряемый в кубометрах и тоннах природного газа или нефтепродуктов, а если посмотреть с другой стороны — эквивалент, измеряемый в тоннах СО2, выбрасываемого в атмосферу.

Осуществление процессов при низких давлениях и температурах — также существенный шаг в направлении экономии, поэтому выбор стратегии синтеза того или иного продукта должен базироваться на идее смягчения условий и совместимости всех стадий процесса.

Принцип 7. Сырье для получения продукта должно быть возобновляемым, а не исчерпаемым, если это экономически целесообразно и технически возможно.

В контексте тенденции к исчерпанию до конца 21 века основных запасов нефти  и природного газа, а спустя еще  несколько сотен лет и угля, особое значение имеет стратегия перехода на возобновляемое (растительное, природное) сырье, среди которого наиболее привлекательны растительные масла (особенно пальмовое, которое гораздо дешевле и производится в большем объеме, чем привычное нам подсолнечное), целлюлоза, хитин и получаемый из него хитозан, биомасса и бытовой мусор, которые в скором времени также могут стать ценным сырьем и будут продаваться и покупаться как нефть и газ. СО2 также рассматривается отчасти как возобновляемое сырье и поэтому новые идеи утилизации СО2 и химических процессов с участием СО2, например, получение поликарбонатов, целого класса биоразлагаемых полимеров, имеют исключительную ценность. В этой связи, некоторые крупные химические компании, большая часть продуктового портфеля которых получается в настоящее время из нефти и природного газа (через этилен и пропилен) всерьез рассматривают сценарии перехода на возобновляемое растительное сырье, например растительные масла, целлюлозу и другие углеводы, биомассу. Примерами реализации такого подхода могут быть биокаталитические процессы получения пирокатехина из D-глюкозы, брожения с получением этанола под действием дрожжей.

Принцип 8. Вспомогательные стадии получения производных (защита функциональных групп, введение блокирующих заместителей, временные модификации физических и химических процессов) должны быть по возможности исключены.

Многие процессы органического  синтеза, особенно в фармацевтической, парфюмерной и пищевой промышленности, включают большое число стадий введения защитных и блокирующих групп, которые затем удаляются и не входят в состав конечного продукта (очень низкая атомная эффективность). Разработка мягких и высокоселективных, в том числе регио-, стерео- и энантиоселективных процессов и катализаторов — прямая дорога к устранению необходимости в таких неэффективных стадиях. Особенно впечатляют недавние достижения ферментативного катализа.

Принцип 9. Каталитические системы и процессы (как можно более селективные) во всех случаях лучше, чем стехиометрические.

yaneuch.ru

Принципы зеленой химии — реферат

С точки зрения защиты растений важен не столько процесс, сколько конечный результат, который может быть достигнут и другими путями, например, использованием феромонов вместо традиционных инсектицидов.

В последнее время широким фронтом ведутся также работы по получению биоразлагаемых полимеров для современных упаковок, в том числе и для пищевых продуктов. Остановимся на этом чуть подробнее.

Биоразлагаемые полимеры.

Суммарный объем производства полимерных материалов во всем мире достигает многих десятков миллионов тонн. Свойства полимеров весьма разнообразны и определяются их областью применения. На основе полипропилена и ароматических полиамидов, например, созданы ценные конструкционные материалы, устойчивые к различным воздействиям. Эти материалы с успехом применяют, в частности, в строительстве и машиностроении.

Однако не во всех областях требуются очень прочные и устойчивые к различным воздействиям полимеры. К таким областям относится, например, изготовление тары различного рода: мешки, пакеты, бутыли и т. д. Срок службы таких полимерных изделий невелик, вследствие чего многие миллионы тонн полиэтилена, полипропилена и других материалов ежегодно попадают на свалки. Эти материалы не гниют в почве и устойчивы к атмосферным воздействиям, так как в соответствующих организмах (грибы, бактерии) отсутствуют ферменты, способные разрушать синтетические полимерные материалы. Поэтому проблема защиты окружающей среды от устойчивых полимеров превратилась в одну из актуальных глобальных задач. Создав исключительно прочные полимерные материалы, химики теперь озабочены прямо противоположной проблемой: как получить материалы, обладающие непродолжительным сроком эксплуатации и способные разлагаться в природных условиях.

Исследования развиваются в двух направлениях:

1. Применение  биополимеров. Биополимеры производятся живыми организмами и способны разлагаться в природных условиях. Речь при этом идет прежде всего о полисахаридах (крахмал, целлюлоза).

2. Синтез аналогов  биополимеров, способных к разрушению под действием света или бактерий, а также полимеров, растворимых в воде.

На пути создания синтетических биоразлагаемых полимеров достигнуты первые успехи.

Разработан процесс изготовления предметов тары из полиэтилена, в который внедрены частицы крахмала. Крахмал весьма неустойчив в природных условиях, вследствие чего все изделия из такого полимера разлагаются значительно быстрее, чем обычные полимеры.

Полезным полимером оказался поливинилацетат. При его гидролизе получают еще один биоразлагаемый материал - поливиниловый спирт.

                 поливинилацетат                                                                               поливиниловый спирт

Его ценным качеством является растворимость в воде. Тара, изготовленная из поливинилового спирта, оказывается очень проста в утилизации.

Специалисты в области «зеленой» химии, перед которой в странах Западной Европы и США поставлены задачи создания безотходных и безопасных для окружающей среды технологий, возлагают большие надежды на полимолочную кислоту (ПМК).

     полимолочная кислота

ПМК - алифатический полиэфир, который получают поликонденсацией молочной кислоты или полимеризацией циклического димерного лактида. ПМК легко разлагается в природных условиях или гидролизуется до молочной кислоты, которая может быть вновь превращена в полимер. Пленки ПМК обладают эластичностью, пригодны для изготовления тары, в том числе для пищевых продуктов, так как защищают упакованный товар от запахов и загрязнений. Полагают, что ПМК может оказаться особенно перспективной для изготовления синтетических ковров, поскольку пригодна для изготовления как лицевой стороны, так и основы ковра.

Разработан новый метод производства полимолочной кислоты. По этому методу синтетический полимерный материал впервые производят из ежегодно возобновляемого растительного сырья - углеводов кукурузы. Процесс начинается с ферментативного расщепления декстрозы до молочной кислоты. Полученную кислоту очищают и конденсируют в непрерывном процессе до низкомолекулярного полимера (с молекулярной массой -5000). Этот полимер деполимеризуется в расплаве в присутствии октаноата олова как катализатора. Полученные стереоизомерные лактиды разделяют, выделяя L-лактид в качестве преобладающего компонента, и полимеризуют. Варьируя содержание D-лактида, контролируют физические свойства высокомолекулярного полимера (молекулярная масса от 60 000 до 150 000). С учетом возврата молочной кислоты и лактида выход полимера, в целом, не ниже 90%.

Компания Дау Кемикал разработала несколько лет назад полимер Nature Works на основе молочной кислоты. В шутку говоря, конфеты в обертке из этого материала можно съесть вместе с оберткой — вреда не будет, хотя вкусовые качества пока не гарантируются. Другими примерами таких замен морально устаревших и экологически «недружественных» полимеров на биоразлагаемые материалы являются замена полиакриловой кислоты полиглутаминовой кислотой, использование хитозанов и производных целлюлозы. Есть успехи и в России:

  (источник рисунка: база научных разработок РХТУ имени Д. И. Менделеева).

Принцип 5. Использование вспомогательных веществ (растворителей, экстрагентов и др.) по возможности должно быть сведено к минимуму (нулю).

Растворители выполняют несколько функций: они играют роль транспорта (разведение краски, удаление грязи) или помогают смешивать компоненты. Также их используют для того, чтобы доставить или убрать тепло, более эффективно смешать реагенты или контролировать их реакционную способность. Абсолютное большинство растворителей, применяемых сейчас, — это летучие органические вещества, производные нефти. Следовательно, они во-первых, не бесконечны, во-вторых, пожаро- и взрывоопасны, а в-третьих, вредны для окружающей среды. Так же растворители и экстрагенты ни одним атомом не входят в состав конечного продукта (атомная эффективность равна нулю), но, в то же время, составляют во многих процессах значительную и довольно дорогостоящую долю материального баланса и их использование и переработка требуют больших капиталовложений (экстракционные и дистилляционные колонны, осушка, очистка, рецикл или сжигание). В качестве альтернативы в последнее время предлагаются новые растворители, обладающие определенными преимуществами по сравнению с традиционными растворителями, например, ионные жидкости, фторированные растворители, работающие в двухфазных системах, диоксид углерода (или легкие углеводороды и фреоны) в сверхкритических условиях, а также вода, в которой многие процессы органического синтеза могут быть достаточно эффективно осуществлены. (Сверхкритические жидкости — это газы, сжатые до такого состояния, что они почти становятся жидкостями, то есть их плотность приближается к плотности жидкости. Такое состояние возможно только при температурах более высоких, чем так называемые критические, поскольку ниже этого порога газ под давлением просто превратится в жидкость. Жидкости, например, воду, тоже можно перевести в сверхкритическое состояние при определённом давлении и температуре.) С использованием сверхкритического СО2 был разработан промышленный процесс гидрирования изофорона с получением триметилциклогексанона (около 1000 т в год). При традиционных технологиях гидрирование часто идёт с трудом, поскольку водород плохо растворяется в органике. В сверхкритической среде растворитель, водород и субстрат находятся в одном состоянии. Таким образом, процесс протекает более интенсивно, и к тому же непрерывно. Газоподобные свойства сверхкритической жидкости уменьшают вязкость реакционной смеси, за счёт этого увеличивается её приток к поверхности катализатора. С другой стороны, плотность, соответствующая жидкости, позволяет лучше проводить тепло, чем в газовой фазе. Реакция гидрирования изофорона в сверхкритических жидкостях  более селективна, проходит с большей скоростью и позволяет эффективнее  использовать катализатор

Схема проточного реактора для гидрирования органических соединений в scCO2 или сверхкритическом пропане. Сверхкритический CO2, водород и органический субстрат смешиваются в подогреваемом реакторе, оттуда смесь поступает в реактор, содержащий закреплённый катализатор (обычно благородный металл на подложке). В реакторе предусмотрен спектроскопический непрерывный контроль за прохождением реакции. Несмотря на то что объём реактора очень мал (5 или 10 мл), он позволяет получить до 1200 мл продукта.

Процессы органического синтеза в воде, как экологически наиболее чистом растворителе, постепенно завоевывают свои позиции. В качестве примера можно привести реакцию конденсации в присутствии индий содержащего катализатора в водной среде:

Отметим рециклизуемость катализатора в этом процессе. Наконец, существует большое число работ, в которых процессы органического синтеза проводятся вообще без растворителя. Особую актуальность имеют исследования процессов в условиях микроволновой активации, которая обеспечивает селективный нагрев полярных фрагментов молекул и способствует проведению процессов в мягких условиях и их ускорению.

Так вторичные спирты с высокой селективностью могут быть конвертированы в кетоны в присутствии

железосодержащего катализатора на глине:

Принцип 6. Энергетические расходы должны быть пересмотрены с точки зрения их экономии и воздействия на окружающую среду и минимизированы. По возможности химические процессы должны проводиться при низких температурах и давлениях.

Использование катализаторов, применение СВЧ (микроволнового облучения) для нагрева, использование параллельных схем, в которых тепло экзотермической реакции поглощается в параллельно протекающей эндотермической реакции (например, дегидрирование этилбензола в стирол и гидрирование нитробензола выделяющимся в первом процессе водородом), эффективное использование и рекуперация тепла— все эти подходы должны быть реализованы для превращения многих экологически малопривлекательных процессов в «зеленую» химию. Этим подходам в разработке новых технологий должна быть дана «зеленая улица» или «зеленый свет». Было показано на широком круге процессов, что использование всех этих инноваций дает возможность снизить энергонапряженность процесса (а цена энергии во многих, особенно крупнотоннажных, производствах сравнительно дешевых продуктов доходит до 20—30%).(Энергия — это эквивалент, измеряемый в кубометрах и тоннах природного газа или нефтепродуктов, а если посмотреть с другой стороны — эквивалент, измеряемый в тоннах СО2, выбрасываемого в атмосферу.

Осуществление процессов при низких давлениях и температурах — также существенный шаг в направлении экономии, поэтому выбор стратегии синтеза того или иного продукта должен базироваться на идее смягчения условий и совместимости всех стадий процесса.

Принцип 7. Сырье для получения продукта должно быть возобновляемым, а не исчерпаемым, если это экономически целесообразно и технически возможно.

В контексте тенденции к исчерпанию до конца 21 века основных запасов нефти и природного газа, а спустя еще несколько сотен лет и угля, особое значение имеет стратегия перехода на возобновляемое (растительное, природное) сырье, среди которого наиболее привлекательны растительные масла (особенно пальмовое, которое гораздо дешевле и производится в большем объеме, чем привычное нам подсолнечное), целлюлоза, хитин и получаемый из него хитозан, биомасса и бытовой мусор, которые в скором времени также могут стать ценным сырьем и будут продаваться и покупаться как нефть и газ. СО2 также рассматривается отчасти как возобновляемое сырье и поэтому новые идеи утилизации СО2 и химических процессов с участием СО2, например, получение поликарбонатов, целого класса биоразлагаемых полимеров, имеют исключительную ценность. В этой связи, некоторые крупные химические компании, большая часть продуктового портфеля которых получается в настоящее время из нефти и природного газа (через этилен и пропилен) всерьез рассматривают сценарии перехода на возобновляемое растительное сырье, например растительные масла, целлюлозу и другие углеводы, биомассу. Примерами реализации такого подхода могут быть биокаталитические процессы получения пирокатехина из D-глюкозы, брожения с получением этанола под действием дрожжей.

Принцип 8. Вспомогательные стадии получения производных (защита функциональных групп, введение блокирующих заместителей, временные модификации физических и химических процессов) должны быть по возможности исключены.

Многие процессы органического синтеза, особенно в фармацевтической, парфюмерной и пищевой промышленности, включают большое число стадий введения защитных и блокирующих групп, которые затем удаляются и не входят в состав конечного продукта (очень низкая атомная эффективность). Разработка мягких и высокоселективных, в том числе регио-, стерео- и энантиоселективных процессов и катализаторов — прямая дорога к устранению необходимости в таких неэффективных стадиях. Особенно впечатляют недавние достижения ферментативного катализа.

Принцип 9. Каталитические системы и процессы (как можно более селективные) во всех случаях лучше, чем стехиометрические.

myunivercity.ru

1 Зелёная химия

http://www.greenchemistry.ru/popularization/lokteva.htm

http://www.greenchemistry.ru/popularization/greeneconomy.htm

http://www.unep.org/greeneconomy/Portals/88/documents/ger/GER_synthesis_ru.pdf

http://forexaw.com/TERMs/Science/Chemistry/l687_Катализатор_Catalyst

Викторова Л. "Зеленая" химия побеждает//Химия и жизнь. 2001. №12.

P.T.Anastas, J.C.Warner, Green Chemistry: Theory and Practice, Oxford University Press, New York, 1998, p.30

S.Cook. Green chemistry – evolution or revolution? Green Chemistry, Oct. 1999, G138-G140.

P.Licence, J.Ke, M.Sokolova, S. K. Ross, M. Poliakoff. Chemical reactions in supercritical carbon dioxide: from laboratory to commercial plant. Green Chemistry, 2003, 5, 99–104

С.С.Юфит. Яды вокруг нас. – M.: Джеймсб 2001б 400 с.

Л.Викторов. «Зеленая» химия побеждает. Химия и жизнь, 2001б № 12.

С.М.Комаров. Кювета со сверхкритическим флюидом. Химия и жизнь, 2000, №2, с. 8.

С.Д.Варфоломеев, В.И.Лозинский, Е.И.Райнина. Криоиммобилизованные ферменты и клетки в органическом синтезе. Журнал чистой и прикладной химии, 1992, т.64, №8.

P.T.Anastas, M.M.Kirshhoff, T.C.Williamson. Catalysis as a foundational pillar of green chemistry. Applied Catalysis A: General, 221, v.2001, p.3-13.

1 ЗЕЛЕНАЯ ХИМИЯ

Экологические проблемы, с которыми сталкивается человечество, имеют глобальную природу и характерны для всех стран мира.

Плоды активной деятельности человека:

1. Рост механически извлекаемого материала земной коры вследствие разработки месторождений.

2. Массовое потребление (сжигание) продуктов фотосинтеза прошлых геологических эпох (нефть, газ, уголь).

3. Рассеивание энергии, а не ее накопление, что было характерно до появления человека («разогрев» крупных городов и прилегающей к ним территории).

Появление и рассеивание в биосфере в массовом количестве веществ, ранее в ней отсутствующих (ДДТ найден в печени пингвинов и тюленей а Антарктиде).

Производство и выбросы его продуктов в атмосферу удваиваются каждые 12-15 лет; расширяется состав выбрасываемых веществ.

Вовлечение в производство химических элементов

Последствия:

деградация окружающей природной среды сказывается на здоровье человека (более 20% территории России находится в критическом экологическом состоянии. Наиболее распространены фосфорорганические пестициды фозалоном, метафосом).

Многие проблемы, связанные с промышленными загрязнениями, отличаются для отдельных стран, имеют они свою специфику и в России.

Отличия определяются преимущественно северным расположением России.

Биологическое разложение промышленных отходов в Арктике крайне замедлено, а ведь природа Севера гораздо чувствительнее к их воздействию по сравнению с южной. Поэтомуслепое заимствование западных технологий вместе с предложенными оценками экологических рисковзачастую неприменимодля российских условий.

Поэтому именно в России особенно остро стоит вопрос подготовки специалистов, ответственно относящихся к нашему единственному дому – нашей стране.

Если сегодняшние студенты и аспиранты – химики, технологи – глубоко осознают, что другой Земли у нас нет и не предвидится, ознакомятся с существующими перспективами и уже выполненными разработками в области «зеленой» химии, можно надеяться, что они возьмутся за развитие данного направления,будут последовательно добиваться снижения экологического ущерба от работы промышленных производств.

Появится шанс, что наши внуки и правнуки будут жить в условиях, пригодных для жизнедеятельности человека и будут относительно здоровы.

НАВСТРЕЧУ "ЗЕЛЕНОЙ ЭКОНОМИКЕ": ПУТЬ К УСТОЙЧИВОМУ РАЗВИТИЮ И ИСКОРЕНЕНИЮ БЕДНОСТИ

Так называется новый доклад, подготовленный Программой ООН по окружающей среде (ЮНЕП). В докладе подчеркивается, что

"зеленая экономика"

• стимулирует экономический прогресс и

• создает рабочие места,

• при этом снижая риски от таких глобальных угроз, как изменение климата, утрата экосистемных услуг и дефицит водных ресурсов.

Для перехода к "зеленой экономике" необходимо в 2012-2050 гг. инвестировать всего лишь 2% мирового ВВП в десять ключевых секторов:

• сельское хозяйство,

• жилищно-коммунальное хозяйство,

• энергетику,

• рыболовство,

• лесное хозяйство,

• промышленность,

• туризм,

• транспорт,

• утилизацию и переработку отходов,

• управление водными ресурсами.

Химики и обычные люди, которые следуют принципам зеленой химии, нацелены на то, чтобы

• меньше использовать или вообще не использовать и

• не создавать опасных веществ и продуктов, а также процессов, в которых образуются такие вещества.

12 принципов Зеленой химии

12 принципов Зеленой химии впервые были разработаны специалистами, работающими в промышленности, Полом Анастасом и Джоном С.Уорнером.

Принципы служат каркасом для создания инновационных решений, разработанных в последнее десятилетие.

1. Лучше предотвратить выброс загрязнений, чем потом от них избавляться.

2. Синтез следует планировать так, чтобы максимальное количество использованных материалов вошли в конечный продукт.

Традиционная органическая химия предполагает многостадийные процессы, в результате которых из исходных веществ получаются продукты.

Но схемы и механизмы реакций, подходящие для лаборатории, совершенно не годятся для крупнотоннажных процессов.

Если на каждой стадии реакция идёт с выходом, далеким от 100%, то при переносе на большой масштаб вместе с нужным продуктом получаются огромные количества ненужных веществ.

В цепочке реакций используют вспомогательные вещества, часто после кислотной или щелочной нейтрализации образуются неорганические соли (хлорид натрия, сульфат натрия, сульфат аммония). Что касается потерь, то в многоступенчатых процессах они бывают выше, чем конечный выход продукта.

Эту проблему химических и фармацевтических производств отчасти помогают решить

• катализаторы, которые существенно уменьшают выход нежелательных побочных продуктов;

• новые химические реакции.

3. Следует планировать методы синтеза так, чтобы реагентами и конечными продуктами служили вещества, которые малотоксичны или вовсе нетоксичны для человека и природы.

4. . Среди целевых химических продуктов следует выбирать такие, которые наряду с требуемыми свойствами обладают максимально низкой токсичностью.

В настоящее время каустическую соду получают электролизом хлорида натрия в водном растворе по реакции

NaCl + h3O + е (С, Hg, Ti) = NaOH + Cl2 ,

где е означает электрод из соответствующего материала.

Щелочи требуется много, а хлор является побочным продуктом этого процесса. Для утилизации этого избыточного хлора учеными были разработаны многие процессы хлорной промышленности.

А ведь существуют и бесхлорные методы производства каустика. Их разработка позволит избежать избыточного выделения хлора и начать замену многих получаемых на его основе продуктов другими, более экологичными.

Недавно разработаны промышленные способы производства металлоценовых катализаторов получения полиолефинов, которые способны заменить ПВХ практически во всех областях его использования, но при этом не столь опасны с точки зрения экологии. При соответствующих масштабах производства эти полимеры могут стать выгоднее ПВХ, хотя уже сейчас они представляют угрозу для 15% рынка ПВХ.

5. Необходимо по возможности избегать использования в синтезе вспомогательных веществ (растворителей, экстрагентов и др.) или выбирать безвредные.

Абсолютное большинство растворителей, применяемых сейчас, — это летучие органические вещества, производные нефти.

Следовательно, они

Как от них избавиться?

Можно

• проводить химический процесс вообще без растворителя;

• использовать в качестве растворителя воду, биоразлагающиеся "зелёные" растворители, ионные жидкости (соли, плавящиеся при низких температурах), сверхкритические жидкости.

Реакция без растворителя удобна с экономической и экологической точек зрения, однако на практике довольно сложно осуществима — и то лишь в редких случаях, когда оба реагента — жидкости или один из них может служить растворителем.

"Зелёные" растворители надо подбирать — для каждой реакции свой.

Примером "зелёного" растворителя может служить перфторан (плазмозаменитель, «голубая кровь»). Правда, он довольно дорог на Западе (в России значительно дешевле), поэтому вряд ли его будут использовать в широких масштабах.

Критическая температура (0С) для наиболее часто используемых веществ изменяется в довольно широких пределах:

CO2 – 31; C2h5 – 9; Nh4 – 132; h3O – 374

Сверхкритический CO2 (scCO2) имеет почти такую же растворяющую способность, как гексан, и это его свойство используется в пищевой промышленности.

Например, кофеин из зёрен зелёного кофе извлекают именно с помощью scCO2, причём в огромных масштабах. Углекислый газ экстрагирует только кофеин, оставляя все ароматные компоненты и не оставляя после себя никакоговредного следа, в отличие от своих органических „коллег“.

6. При планировании синтеза нужно учитывать экономические и экологические последствия производства энергии, необходимой для проведения химического процесса, и стремиться к их минимизации. Следует стремиться проводить синтез при температуре окружающей среды и нормальном давлении.

7. Следует использовать возобновляемое сырье там, где это технически и экономически обосновано.

Вся химическая продукция, произведенная в США в 1925 году из нефтяного сырья, весила 100 тонн.

Выход - привлечь возобновляемые ресурсы, а именно - биомассу.

Оставшуюся целлюлозу и целлобиозу с помощью ферментов будут превращать в глюкозо-фруктозный сироп - это уже умеют делать.

Сироп станет универсальным сырьем для ферментационной, а затем и химической промышленности. Уже сегодня 60% сладостей, что едят американцы (а сладкого они едят много) сделаны на глюкозо-фруктозном сиропе, получаемом при переработке кукурузного крахмала.( В современной Кока-коле, Пепси-коле уже чистого сахара нет.)

Хорошим источником сахаров могут быть отсортированные бытовые отходы (до 60% по весу составляет целлюлоза и лигноцеллюлоза).

Из сахаров с помощью ферментов будут получать различные кислоты - щавелевую, молочную, лимонную, этаконовую, яблочную и прочие, а из этих кислот - огромное количество полупродуктов для химической индустрии:

Если отнять воду от молочной кислоты, то получается акриловая кислота. А из нее уже можно сделать тетра-гидрофуран, ацетальдегид, этиленгликоль, пропандиол.

Сегодня в США запущена биотехнология получения молочной кислоты с конверсией, близкой к теоретической: из килограмма глюкозы - килограмм молочной кислоты. Такая кислота дешевая, поэтому из нее начали делать полимер, полилактат.

В США для этих целей в 2001 г. пущен завод по производству 140 тыс. тонн в год молочной кислоты.

8. Необходимо сокращать число стадий процесса (для этого избегать при синтезе стадий блокирования групп, введения-снятия защиты, временной модификации физико-химических процессов).

Полнота использования исходного вещества называется атомной эффективностью (АЭ), и этот показатель можно использовать как меру "зелёности" химического производства:

АЭ = Кол-во атомов в продукте × 100%/Кол-во атомов в исходных веществах.

Естественно, процесс в одну стадию А + В = С (например, полимеризация этилена) гораздо эффективнее, чем А + В = С (нужный продукт) + D (побочный продукт).

Идею атомной эффективности Р. Шелдон выражал через Е-фактор, который показывает количество потерь на килограмм продукта

9. Каталитические реагенты (по возможности максимально селективные) предпочтительны по сравнению со стехиометрическими.

Катализатор используется в небольших количествах,

• обычно регенерируется,

• при этом применение катализатора часто позволяет существенно улучшить производительность и селективность процесса.

studfiles.net

Смотрите также

• 
  Своды стопы реферат
• 
  Реферат трофобластическая болезнь
• 
  Экологическое нормирование реферат
• 
  Рефераты про горбачева
• 
  Реферат туберкулезный менингит
• 
  Реферат топливная промышленность
• 
  Реферат тегеранская конференция
• 
  Психологические расстройства реферат
• 
  Про панду реферат
• 
  Реферат гостевой этикет
• 
  Уравнения максвелла реферат