Pytania z zielonej chemii

Grupa I

1. elementy historii zielonej chemii + przykłady zastosowań

2. zasady zielonej chemii Wintertona

3. surowce odnawialne - produkty z biomasy celulozowej

4. trzy podst. cele zrównoważonego rozwoju - podać wartość wspł. E w różnych gałęziach przemysłu

5. sposoby zmniejszania emisji zanieczyszczeń spalin samochodowych

6. katalityczne usuwanie związków chloro-org.

7. Wnikanie toksyn przez układ oddechowy

8. Ciecze jonowe

9. Jednostki toksyczności

Grupa II

1. zasady zielonej chemii wg Anastasa

2. otrzymywanie katalizatora tlenkowego przez firmę Sud-chemie

3. podstawowe cele zrównoważonego rozwoju

4. podać rozszerzona definicje zielonej chemii

5. produkty przekształceń glukozy za pomocą E.coli

6. katalizatory 3-funkcyjne

7. magazynowanie związków chem.

8. wnikanie toksyn przez skórę

9. biopaliwa

ponadto do którejś z grup może dać jeszcze

• katalityczne usuwanie lotnych zw. org. VOC”s

• odwracalność zatruć

• perspektywy na przyszłość

Trzy podst. cele zrównoważonego rozwoju - podać wartość wspł. E w różnych gałęziach przemysłu

Trzy podstawowe cele zrównoważonego rozwoju:

1. Ekologiczny

2. Ekonomiczny- zaspokojenie potrzeb materialnych nie niszcząc przyrody;

3. Społeczny i humanitarny- kształtowanie takiego modelu stosunków społeczno-ekonomicznych, które pozwoliłyby na zrelacjonowanie gospodarczych zasobów Ziemi z uwzględnieniem zmian spowodowanych w środowisku przez działalność człowieka;

W różnych gałęziach przemysłu wartość współczynnika E wahają się w bardzo szerokich granicach:

• W przemyśle farmaceutycznym wartości współczynnika E sięga 100;

• W przypadku procesów rafineryjnych ropy naftowej wartość ta nie przekracza zwykle 0,1;

• W produkcji masowych chemikaliów E waha się w zakresie 1-5;

Zasady zielonej chemii wg Anastasa:

1. Lepiej zapobiegać tworzeniu zanieczyszczeń i odpadów niż je unieszkodliwiać;

2. Syntezy powinny być projektowane w taki sposób, aby do końcowego produktu wprowadzić jak najwięcej materiałów wyjściowych (ekonomia atomowa);

3. Tam gdzie to tylko możliwe syntezy chemiczne powinny być przeprowadzone z udziałem reagentów i materiałów nietoksycznych lub o nieznacznej toksyczności;

4. Powinno się dążyć do wytwarzania produktów alternatywnych, które zachowując swoje funkcje (np. leczenie lub owadobójcze) są nietoksyczne lub mniej toksyczne;

5. Substancje pomocnicze (rozpuszczalniki, czynniki rozdzielania) powinny być wyeliminowane a tam gdzie to niemożliwe należy stosować substancje nieszkodliwe;

6. Niezbędna jest szczegółowa analiza i konieczność minimalizowania do prowadzenia syntez chemicznych w temperaturze i pod ciśnieniem otoczenia;

7. Gdzie tylko to jest możliwe powinno się dążyć do stosowania odnawialnych surowców i energii;

8. Należy unikać tam gdzie to możliwe blokowania grup funkcyjnych w celu zapobiegania reakcjom ubocznym przez zastosowanie wysoce selektywnych katalizatorów w tym enzymów;

9. Reakcje katalityczne (szczególnie wysoko selektywne) powinny być przedmiotem preferencji;

10. Należy dążyć do produkcji materiałów chemicznych ulegających biodegradacji po zażyciu;

11. Niezbędne jest rozwijanie analitycznych metod on-line umożliwiających ciągły monitoring produkcji w aspekcie zapobiegania powstawaniu niebezpiecznych substancji

12. Reagenty oraz sposoby ich wykorzystania w procesie chemicznym powinny być tak dobrane, aby w jak największym stopniu zmniejszyć ryzyko wypadków chemicznych w tym wycieków niebezpiecznych substancji, wybuchów, pożarów;

Zasady zielonej chemii Wintertona

W 2000 roku zaproponował kolejnych 12 zasad zielonej chemii.

1. Zidentyfikuj produkty uboczne;

2. Określ stopień przemiany, selektywność i wydajność reakcji;

3. Sporządź bilans masowy procesu;

4. Określ emisje katalizatora i rozpuszczalnika do atmosfery i ścieków;

5. Określ parametry termochemiczne procesu;

6. Oszacuj ograniczenia związane z przepływem masy i ciepła;

7. Konsultuj projektowany proces z chemikiem technologii i specjalistą z inżynierii procesowej;

8. Oceń całość procesu pod kątem wybranej reakcji chemicznej;

9. Stosuj i rozwijaj zmiany zrównoważonego rozwoju;

10. Określ wielkość i zminimalizuj użycie surowców i środków pomocniczych;

11. Sprawdź czy bezpieczeństwo pracy i minimalizacja odpadów nie są ze sobą sprzeczne;

12. Kontroluj i minimalizuj emisję odpadów laboratoryjnych;

Podstawowe cele zrównoważonego rozwoju

Zrównoważony rozwój ma zapewnić trwałą równowagę między koniecznym zaspokojeniem potrzeb społeczno-ekonomicznych ludzkości a wymagań szeroko pojętej ochrony środowiska.

Trzy podstawowe cele zrównoważonego rozwoju:

1. Ekologiczny

2. Ekonomiczny- zaspokojenie potrzeb materialnych nie niszcząc przyrody;

3. Społeczny i humanitarny- kształtowanie takiego modelu stosunków społeczno-ekonomiczny, które pozwoliłyby na zrelacjonowanie gospodarczych zasobów Ziemi z uwzględnieniem zmian spowodowanych w środowisku przez działalność człowieka;

Otrzymywanie katalizatora tlenkowego przez firmę Sud-chemie

Schemat nowej syntezy katalizatorów tlenowych opracowany przez Sud-Chemie przy zastosowaniu słabego kwasu organicznego i tlenu w miejsce HNO3, co eliminuje odpady azotanowe i wymaga jedynie 5% ilości wody zużywanej w konwencjonalnym procesie wytrącania. Produkuje się ok.1 mln ton katalizatora. (Metoda tradycyjna na 1 tonę katalizatora 75 ton wód ściekowych w tym 2,9 to odpadów azotowych i ok. 0,5 ton NOX. Nagroda President Green Chemistry Award w 2003r.

Ciecze jonowe

Najważniejsze cechy:

• Są to substancje ciekłe w temperaturze pokojowej;

• Rozpuszczają związki organiczne i nieorganiczne od prostych do niektórych polimerów :/;

• Są stabilne termicznie: charakteryzują się wysoką temperaturą wrzenia, często związana z rozkładem, a więc są to ciecze w szerokim zakresie temperatury nawet powyżej 400C;

• Praktycznie nie parują w temperaturze pokojowej- prężność par jest wyjątkowo niska;

• Rozpuszczają katalizatory min. kompleksy metali przejściowych;

• Zachowują aktywność enzymów;

• Wykazują działanie smarujące;

• Wykazują działanie katalityczne np. chlorogliniany (Al2Cl7);

• Ekstrahują związki organiczne i nieorganiczne z roztworów wodnych;

• Ekstrahują związki siarki z olejów napędowych;

• Wykazują właściwości antyelektrostatyczne;

• Są aktywne wobec bakterii i grzybów (toksyczne działanie wobec organizmów stałocieplnych);

• Utrwalają tkanki miękkie są potencjalnym zamiennikiem formaliny;

• Balsamują tkanki;

• Są rozpuszczalnikami reakcji katalitycznych i niekatalitycznych, mogą być też katalizatorem;

• Są dogodnym środowiskiem reakcji enzymatycznych;

• Elektrolitem w bakteriach;

• Jedną z tych faz w efektywnych procesach ekstrakcji;

• Fazą stacjonarna w chromatografii;

• Związkami, których właściwości zadecydują w najbliższym czasie o wielu praktycznych zastosowaniach

• Procesy separacji, np. w przemyśle jądrowym.

Ciecze jonowe dobrze spełniają trzy zasady zielonej chemii:

Zasada 5

Bezpieczniejsze rozpuszczalniki i materiały pomocnicze- ciecze jonowe w produkcji i użyciu generują znikome ilości odpadów jednocześnie mogą być wielokrotnie używane

Zasada 6

Wydajność energetyczna reakcji w ….temperaturze pokojowej z wysoką wydajnością i selektywnością wyższą niż obecnie się uzyskuje. Automatycznie ilość produktów ubocznych jest zredukowana

Zasada 9

Kataliza-ciecze jonowe okazały się efektownymi rozpuszczalnikami katalizatorów zapewniając im jednocześnie wysoką aktywność w kilku kolejnych cyklach przy jednoczesnym zminimalizowaniu jego zużycia.

Przykłady cieczy jonowych:

sole pirydynowe

sole fosfoniowe

sole amoniowe

sole imidiazowe

Elementy historii zielonej chemii.

1990- ustawa o zapobieganiu zanieczyszczeń u "źródła" i odejście od działania naukowo-kontrolnego w ochronie środowiska(USA)

1991- Amerykańska Agencja Ochrony Środowiska w swoim programie wprowadza termin „zielona chemia”- autor P.T. Ananas

1993- powstaje kompleksowy „Program zielonej chemii USA”

1993- Powstaje we Włoszech Międzytechnicznego Konsorcjum Chemii Środowiska, którego celem jest nawiązanie i koordynacja współpracy w obszarze zielonej chemii

1993- pierwsza konferencja „Zielonej Chemii”

1994- II Konferencja we Włoszech

1995- doroczne nagrody Prezydenta USA za osiągnięcia objęte zasadami zielonej chemii tzn. Presidential Green Chemistry Challenge Award. Nagroda ta jest przyznawana w pięciu kategoriach od 1996 roku.

1997- Powstanie Instytutu Zielonej Chemii w USA z 20 oddziałami w 20 krajach na wszystkich kontynentach

1997- Konferencja Międzynarodowa Zielonej Chemii pod patronatem IUPAC we Włoszech

2001- Międzynarodowe Sympozjum „Zielona Chemia” w Dehli

2001- IUPAC CHEMRAWN XVI „Światowa Konferencja Zielonej Chemii” w Boulder (USA)

2001- Spotkanie Georga W. Bush'a z liderami przemysłu i edukacji poświęconej zastosowaniu w praktyce zasad Zielonej Chemii

2002- Sympozjum „Kataliza w Zielonej Chemii”

2003- I Konferencja poświęcona Zielonej Chemii we Wrocławiu

Podać rozszerzoną definicję zielonej chemii

Zielona Chemia jest to projektowanie produktów i procesów chemicznych, które zmniejszają lub eliminują użycie i wytwarzanie niebezpiecznych substancji (dla zdrowia i środowiska). Aut. Anastas

Termin „niebezpieczna substancja” ma szerokie zastosowanie:

• Fizyczne (palność, zagrożenie eksplozji)

• Toksykologiczne ( rakotwórczość, mutogeniczność)

• Globalne ( wpływ na zanikanie ozonu, zmiany klimatu, zagadnienia energetyczne, zasoby wody czystej i surowców)

Katalizatory 3-funkcyjne

Są to konwertory drugiej generacji. Katalizator 3-funkcyjny - TWC, Three Way Catalysty. Zbudowane są z:

• powłoki

• aktywnych składników katalitycznych

Nośnik monolityczny	Powłoka	Metale szlachetne
ceramiczne w strukturze plastra miodu metaliczne	Często powłoką jest γ- H2O3 z Ce, O2, cienka ok. 20 mikronów	Pt i Rh (Pt, Rh-S) (dawniej stosowano Pd-Rh lub Pt-Pd-Rh)

Schemat układu oczyszczania spalin z katalizatorem trójfunkcyjnym TWC

Rola Ce w katalizatorach TWC

• magazynuje tlen

• stabilizuje korzystne rozproszenie Pt na monolicie

• ogranicza niekorzystny wpływ siarki

Jednostki toksyczności

• Id50- dawka śmierci

• Ic50- stężenie hamujące rozwój, np. bakterii

• Ed50- dawka lecznicza

Wnikanie toksyn przez skórę

• Dyfuzja przez naskórek do skóry właściwej;

• Wnikanie przez kanaliki potowe;

• Wnikanie wzdłuż torebek włosowatych, w których znajdują się cebulki;

Wnikanie toksyn przez układ oddechowy

Sposoby zmniejszania emisji zanieczyszczeń spalin samochodowych

Ustawy ograniczające emisję tlenku węgla, węglowodorów i tlenków azotu

• USA (Kalifornia) 1966;

• Europa 1985;

Sposoby:

• poprzez dobór optymalnych warunków pracy silnika;

• katalityczny rozkład spalin z silników iskrowych

• konwertory z kulkowym złożem katalizatora (nośnik γ,δ- Al₂O₃- średnica 2,4÷4 mm)

• konwertory drugiej generacji, trójfunkcyjne, TWC, Three Way Catalysty. Zbudowane są z: powłoki, aktywnych składników katalitycznych

Biopaliwa

Wszystkie paliwa otrzymywane z biomasy (szczątków organicznych lub produktów przemiany materii roślin lub zwierząt, np. krowiego nawozu). Biopaliwa są odnawialnymi źródłami energii, w odróżnieniu od paliw kopalnych takich jak ropa naftowa, gaz ziemny, węgiel czy paliwa jądrowe.

Niekiedy za biopaliwa przyjmowane są te paliwa, które przynajmniej w 80% (objętościowo) składają się z substancji otrzymanych z żywych organizmów, zebranych w ciągu 10 lat przed jego wyprodukowaniem.

Podobnie jak węgiel i ropa naftowa, biomasa jest w pewnym stopniu magazynem energii pochodzącej ze słońca. Energia słoneczna jest “wyłapywana” w procesie fotosyntezy przez rosnące rośliny. Jak wszystkie procesy produkcji energii, spalanie biomasy powoduje powstanie odpadów. Jedną z zalet biopaliw w porównaniu do innych rodzajów paliw jest fakt, że energia związana wewnątrz biomasy może być przechowywana nieskończenie długo bez żadnych problemów czy zagrożeń.

Do produkcji biopaliwa w Europie hoduje się przede wszystkim len i rzepak, w USA - kukurydzę i soję, w pozostałych rejonach świata - głownie konopie. Odpady przemysłowe, rolnicze, z produkcji leśnej i gospodarstw domowych mogą również być źródłem energii odnawialnej i służyć do produkcji biopaliw. Przykładem może być słoma, drewno odpadowe, osady ściekowe, kompost, śmieci czy resztki żywności.

Paradoksalnie, w niektórych krajach rozwiniętych (np. w Niemczech), żywność jest tańsza niż biopaliwa, licząc koszt jednego dżula energii. Możliwe jest wykorzystanie ziarna (owsa, pszenicy, kukurydzy) do opalania kotła centralnego ogrzewania.

Biopaliwa mogą być wykorzystywane do scentralizowanej i rozproszonej produkcji energii elektrycznej i ciepła. W roku 2005 około 15% światowego zużycia energii pochodziło z biopaliw. Większość tej energii jest zużywana w krajach rozwijających się do celów grzewczych i do przygotowania posiłków. Szwecja i Finlandia pokrywają odpowiednio 17% i 19% swojego zapotrzebowania energetycznego z biopaliw, co jest bardzo wysoką wartością jak na kraje rozwinięte. Dziś w wielu krajach na świecie prowadzi się intensywne badania, których celem ma być opracowanie biopaliw zdolnych zastąpić ropę naftową i gaz ziemny. Badania te koncentrują się na taniej materii organicznej, głównie celulozie oraz odpadach z produkcji rolniczej i osadach ściekowych, która ma być źródłem do taniej produkcji gazowego lub ciekłego biopaliwa. Istotne jest przede wszystkim by produkcja wymagała niskich nakładów energetycznych. W związku z tym niektórzy ludzie doszukują się w biopaliwach (przede wszystkim w biomasie) sposobu na obniżenie ilości dwutlenku węgla emitowanego do atmosfery wskutek spalania paliw kopalnych przez zastępowanie tych paliw biopaliwami.

Wśród biopaliw nadających się do zasilania silników spalinowych wymienić trzeba:

• olej roślinny surowy i przetworzony (biodiesel),

• biogaz, który można wykorzystać do zastąpienia gazu ziemnego,

• alkohole - etanol i metanol.

Niekiedy również torf (suszony i ewentualnie brykietowany) uważa się za biopaliwo. Nie spełnia on warunków bycia odnawialnym źródłem energii, ale jest znacznie młodszy (biorąc pod uwagę czas powstania) niż ropa naftowa czy węgiel.

---