Kada proučite sadržaje ove jedinice moći ćete:
opisivati izmjene energije u okolišu
prepoznavati procese koji vode do globalnoga zatopljenja
prepoznavati neke mogućnosti kemije u uklanjanju zagađenja
poznavati načela zelene kemije i njenih osnovnih mogućnosti u razvoju održive tehnologije
izvoditi pokuse u okviru koncepata: Tvari, Promjene i procesi, Energija
primjenjivati stehiometrijske odnose množine tvari na temelju jednadžbe kemijskih reakcija
grafički prikazivati i analizirati podatke dobivene fizikalno-kemijskim mjerenjima te uopćavati podatke dobivene analizom uzoraka vode, zraka i tla
poznavati kemijske promjene koje uzrokuju globalno zatopljenje
poznavati pojam sekvestracije ugljika
Uvod
Iako neki to mogu pomisliti, ne radi se o oksimoronu. Zelena kemija podrazumijeva novo poimanje kemije i kemijskog inženjerstva, do čega je dovelo razmatranje načina provođenja kemijskih procesa i reakcija uz minimalni utjecaj na okoliš.
Naime, koncept zelene kemije proizlazi iz pitanja: "Možemo li određenu reakciju provesti na energijski učinkovitiji način i tako da ne proizvodimo toliko otpada?"
Kemičari danas vrlo marljivo rade na tom polju i razvijaju nove koncepte reaktivnosti. Time prigovori o inherentnoj ekološkoj neprihvatljivosti kemije kao takve gube svoju utemeljenost.
Kroz prethodna poglavlja smo se detaljno upoznali s mnogim konceptima kemije okoliša, praćenja onečišćenja. Također smo naučili pravilno interpretirati mjerne podatke.
Sad nam preostaje da se upoznamo sa zelenom kemijom, kemijom koja budućnost čini održivom!
Zelena kemija (ikonografija)
Što je zelena kemija?
Takvo razmišljanje je iznjedrilo 12 načela zelene kemije. Njihova implementacija dovodi do znatnih napredaka prema održivijoj i ekološki prihvatljivijoj kemiji, pa onda i kemijskoj industriji.
Zelena kemija nije isto što i kemija okoliša - ona zapravo obuhvaća znatno širi spektar tema. Konceptualno, ona brigu o okolišu dovodi u samu srž kemičarskog rada. Ona, u načelu, dovodi promišljanje o okolišnoj i društvenoj pravednosti u kemijski laboratorij, u svaki eksperiment.
Uzima li u obzir načela zelene kemije, suvremeni se kemičar suočava s izazovima nalaženja novih metoda, ali i promišljanju svog laboratorijskog posla daleko izvan okvira kemije. Dakle, suvremeni zeleni kemičari kemiju stavljaju u širi kontekst ekološke, ali i socijalne održivosti i pravde.
Slika 1.
Zelena kemija
Načela zelene kemije
1. načelo: prevencija otpada
Bolje je spriječiti nastajanje kemijskog otpada, nego ga se poslije rješavati.
2. načelo: ekonomika atoma
Ovo načelo odgovara na pitanje: "Koji se atomi reaktanata ugrađuju u konačni željeni produkt, a koji su atomi otpadni?" Ekonomika atoma je izražena parametrom AE, koji bi trebao biti što veći, tj. što bliži vrijednosti od 100%.
Riješeni problem:
Kao primjer uzmimo reakciju dobivanja 1-brombutana:
CH3CH2CH2CH2-OH + Na-Br + H2SO4 CH3CH2CH2CH2-Br + NaHS4 + H2O
Sad razmotrimo sljedeće:
- Koji atomi reaktanata ulaze u željeni produkt? To su: 4 atoma C, 9 atoma H i 1 atom Br.
- Koji atomi reaktanata završavaju u nusproduktima? To su: 1 atom Na, 1 atom S, 5 atoma O i 3 atoma H.
Ekonomiku atoma računamo kao:
3. načelo: bezopasnija sinteza
Pri osmišljavanju sintetskih procesa, u najvećoj mogućoj mjeri treba smanjiti količinu upotrijebljenih ili proizvedenih otrovnih tvari.
4. načelo: sigurniji produkti
Produkti kemijskih procesa trebaju biti osmišljeni tako da zadrže svoju funkciju ili efikasnost uz smanjenje ili uklanjanje otrovnosti.
5. načelo: sigurnija otapala i pomoćne tvari
Pri odabiru pomoćnih tvari, kao što su otapala, punila, reagensi za odvajanje itd. prednost imaju sigurnije tvari. Kad god je moguće, pomoćne tvari treba potpuno eliminirati iz upotrebe.
O važnosti ovog načela dovoljno dobro govori podatak da preko 80% otpada kemijske industrije čine otapala!
6. načelo: energijska efikasnost
Kemijski procesi moraju biti osmišljeni tako da minimiziraju zahtjeve za energijom, što pridonosi i minimizaciji okolišnih i ekonomskih učinaka. Pri osmišljavanju procedura za nove sinteze, prednost imaju one koje se odvijaju pri sobnoj temperaturi i tlaku.
7. načelo: obnovljive sirovine
Materijali dobiveni od obnovljivih sirovina imaju prednost u odnosu na neobnovljive ili rijetke materijale. Tome treba težiti kad god je to tehnički i ekonomski prihvatljivo.
Ovdje je zanimljivo osvrnuti se na materijale dobivene od sirovina kojih imamo u velikim količinama. Na primjer, fosilna goriva u velikim količinama crpimo iz Zemlje i čini se da bismo tako mogli dok ih potpuno ne iscrpimo. No, imperativ održivog razvoja je zamjena fosilnih goriva održivijim rješenjima. Treba uzeti u obzir da mnoštvo materijala koji nas okružuju u svakodnevnom životu potječu upravo od fosilnih goriva, koja su jedna od potisnih sila svih ekonomija gladnih energije. Utjecaje na ljudsko zdravlje i okoliš treba pretpostaviti dostupnosti tih sirovina i moćnim ekonomskim interesima, a tu kemičari mogu odigrati značajnu ulogu. Zato je ta tranzicija jedan od većih izazova suvremene znanosti, ali i čovječanstva u cjelini.
8. načelo: smanjenje broja derivata
Nepotrebne derivatizacije (uvođenje i uklanjanje blokirajućih ili zaštitnih funkcionalnih skupina, privremena modifikacija fizičkih i kemijskih procesa) moraju biti minimizirane ili ih se, po mogućnosti, treba izbjeći. Svaki od tih procesa, naime, iziskuje dodatne kemijske postupke, čime se troše kemikalije i energija te se stvara dodatni kemijski otpad.
9. načelo: katalizatori
Upotreba katalizatora, posebno visokoselektivnih, mora biti u prednosti pred stehiometrijskim reaktantima. Katlizatori u kemijske procese ulaze u malim količinama te se sami recikliraju kroz velik broj reakcijskih ciklusa, vodeći reakcije često prema željenim produktima u većim iskorištenjima. Osim toga, katalizatori ubrzavaju dobivanje produkata, čime se povećava i energijska efikasnost procesa.
10. načelo: razgradivi produkti
Kemijski produkti bi trebali biti osmišljeni tako da se lako razgrađuju nakon ostvarenja svoje funkcije. Produkti raspada moraju biti neškodljivi za ljudsko zdravlje i okoliš.
11. načelo: analiza zagađenja u realnom vremenu
Važno je razvijati i u kemijskim procesima implementirati analitičke metode koje omogućuju praćenje tih procesa u realnom vremenu i in-situ, pri čemu je osobito važno pratiti eventualno nastajanje opasnih tvari.
12. načelo: prevencija nesreća
Tvari ili pojavnosti tvari koje se koriste u kemijskim procesima moraju biti tako odabrane da se minimiziraju mogućnosti kemijskih nesreća, uključujući izlijevanja, nepoželjne emisije, eksplozije, požare i drugo.
Primjeri: razmatranje procesa kroz prizmu zelene kemije
Fosilna goriva, ugljikov dioksid i klimatske promjene
Slika 2.
Prerada nafte i njeni produkti
Sigurno ste čuli za globalno zatopljenje i klimatske promjene, a puno ste čuli i o povezanosti tih procesa s ljudskim aktivnostima, osobito emisijama ugljikovog dioksida, uzrokovanim našom ovisnošću o fosilnim gorivima. O tome je, uostalom, već bilo govora i ranije, a naći ćete i posebno poglavlje posvećeno klimatskim promjenama.
No, razmotrimo sad kako neki od procesa, koji su uključeni u iskorištavanje najzastupljenijeg fosilnog goriva, nafte, stoje u kontekstu zelene kemije.
Nafta je vrlo složena smjesa organskih spojeva i, kao takva, vrlo je bogat izvor sirovina za najraznolikije proizvode, koji nas doista okružuju u svakom aspektu našeg života. Današnja tehnologija omogućuje iskorištavanje velike većine tvari sadržanih u nafti. Prema tome, samim procesom rafiniranja nafte nastaje jako malo kemijskog otpada. Zapravo, što se produkcije otpada pri samom rafiniranju tiče, nafta je jedna od "najzelenijih" sirovina. Međutim, njeni derivati su uglavnom u većoj ili manjoj mjeri otrovni i štetni za okoliš. Osim toga, ekstrakcija nafte je okolišno intenzivan proces, koji sa sobom nosi velike rizike, što je u tom segmentu uvelike udaljava od principa zelene kemije.
Nadalje, izgaranjem naftnih derivata, dakle konverzijom kemijske energije u neki oblik energije koju možemo iskoristiti za obavljanje korisnog rada strojeva, uvijek kao nezaobilazan produkt nastaje ugljikov dioksid, plin koji je prepoznat kao glavni uzročnik globalnog zatopljenja, a time i klimatskih promjena.
Zaključno, iako njena velika iskoristivost naftu u smislu stvaranja otpada čini "zelenom" sirovinom, ona nikako nije usklađena s načelima zelene kemije.
Sekvestracija ugljika
Mogli bismo zamisliti da procesom sekvestracije ugljika pokušavamo oponašati prirodan proces fotosinteze.
Kao što smo već puno puta rekli, od svih stakleničkih plinova, ugljikov dioksid je najdominantniji antropogeni uzročnik klimatskih promjena. Stoga danas na različite načine nastojimo smanjiti njegove emisije ili ga barem ukloniti, kako bismo smanjili utjecaj naših tehnoloških procesa na atmosferu, pa time i ekosustav. Sekvestracija ugljika ili hvatanje i pohrana ugljika (eng. Carbon Capture and Storage - CCS) je niz procesa kojima nastojimo ukloniti CO2 iz plinovitih emisija, izdvajati ga iz zraka te ga pohranjivati ili koristiti kao sirovinu.
Postoji cijeli niz procesa koji se već koriste ili se razmatraju u tom smislu. Što se kemijskih CCS tehnologija tiče, mnoge od njih uključuju različite prirodne ili industrijski proizvedene porozne materijale, prirodne ili modificirane minerale, katalitičke konvertere CO2 u metanol CH3OH, dimetil-eter CH3-O-CH3 ili neki drugi spoj (koji se može koristiti kao gorivo). No, trenutno ni jedna od efikasnih CCS tehnologija, koja ima potencijal široke upotrebe, na ispitu zelene kemije pada na sirovinama, kemijskim opasnostima, kao i na nizu drugih načela. Osim toga, ni jedna od danas dostupnih CCS tehnologija nije ni izbliza zadovoljavajuće efikasna.
Zato je u ovom slučaju najbolji pristup poštovanje načela prevencije otpada, što je 1. načelo zelene kemije. Drugim riječima, umjesto da tražimo tehnološka rješenja naknadnog uklanjanja CO2, bolje je da se posvetimo razvoju i širokoj implementaciji ugljično neutralnih kemijskih procesa, kojima ne nastaje CO2.
Umjesto da tražimo tehnološka rješenja naknadnog uklanjanja ugljikova dioksida, bolje je da se posvetimo razvoju i širokoj implementaciji ugljično neutralnih kemijskih procesa.