«Озеленение» химии
Рубрика Химия.
Химия имеет двоякую репутацию. Она, к сожалению, не всегда бывает безвредной для экологии; т.н. «зеленая» химия работает над тем, чтобы изменить это.
Хорошо известно какую пользу можно извлечь из потребительских товаров и медицинских препаратов, которые производит химическая промышленность, но есть и другая «темная» сторона, такая как огромные энергетические потребности отрасли при производстве токсичных растворителей, реагентов и образовании отходов. Более 20 лет химики пытаются улучшить всю химию через растущую область «зеленой» химии.
Удаление или уменьшение химических отходов; снижение общих потребностей в энергии для химических процессов; и повышение уровня безопасности производств отвечает интересам человечества и окружающей среды. Экономика тоже заинтересованная сторона, по опубликованным в интернете данным «зеленая» химия поможет к 2020 году сэкономить в отрасли 65,5 млрд. долл. США.
Одна из основных проблем «зеленой» химии заключается в том, насколько полно реагирующие вещества превращаются в желаемые целевые, а не в побочные продукты или отходы. При этом абсолютно ясно, что сокращение отходов снижает связанные с этим экологические проблемы. Исходные материалы (реагенты) должны быть возобновляемыми или получены из источников, которые легко доступны.
Известно, что промежуточные продукты, производимые на каждом этапе многостадийного синтеза (а не путем простого взаимодействия реагента А с реагентом В), например, фармацевтических препаратов, используются на следующей стадии. При этом выход каждого нецелевого продукта намного меньше 100%, потому что реагенты, а также растворители и энергия неизбежно теряются на каждой отрезке реакционного пути.
Учитывая «зеленые» принципы, разработано немало технологических схем различных производств с уменьшением, как количества стадий процесса, так и производства отходов. Например, обезболивающее средство ибупрофен было первоначально получено в результате шестистадийного синтеза из исходного материала изобутилбензола, но, как оказалось в последствие новый, наиболее эффективный синтез реализуется всего лишь в три этапа.
Что касается снижения токсичности, «зеленые» химики пытаются использовать в качестве реагентов только те вещества, которые не вредят окружающей среде. В одной из тяжелейшей промышленных катастроф в мире произошедшей в 1984 году был выпущен метилизоцианатный газ (CH3NCO), используемый для производства пестицидов, с завода Union Carbide India Limited в Бхопале (Индия). Тысячи людей были подвергнуты губительному воздействию этого выброса. Сообщалось о значительном числе погибших и около полумиллиона человек получившим ранения, приведшие к временной или постоянной инвалидности.
Помимо выбора наименее токсичных органических реагентов, «зеленые» химики также пытаются переключиться на неорганические растворители, такие как вода и углекислый газ. Так как используемые углеводородные растворители являются, как правило, токсичными и выделяют пары, которые называются парниковыми газами (присутствие которых в атмосферах планет приводит к появлению парникового эффекта), а галогенированные растворители часто могут быть не только парниковыми газами, но и канцерогенами, а также источниками свободных радикалов, которые разрушают озоновый слой Земли.
Теперь, что касается вопроса сокращения энергоемкости производства. Химическая промышленность нуждается в огромном количестве электроэнергии, поэтому сокращение её потребления важно, как с экономической, так и экологической точки зрения. Промышленные технологии, как правило, используют различные виды энергии для нагрева, повышения давления реакций, а также для транспортировки сырья и продуктов реакции. Ученые давно занимаются поиском возможных альтернативных путей реакции, которые были бы принципиально осуществимы при более низких температурах и давлениях, выделяя при этом меньшее количество углекислого газа, образование, которого неизбежно при сжигании ископаемого топлива.
Поиск наиболее эффективных катализаторов для уже существующих технологий также приведет к сокращению потерь реагентов и энергии. В идеальном случае в качестве катализаторов должны использоваться легкодоступные металлы, такие, например, как железо, а не некоторые не особо доступные, как, например, платина. Которых к тому же не особо достаточно и требуется значительных затрат энергии для их получения. При этом нельзя забывать о немалом количестве катализаторов, которые в результате реакции становятся «отравленными», со множеством деактивированных участков, что соответственно приводит к увеличению образования побочных продуктов. Это тоже проблема «зеленой» химии.
В заключении рассмотрим основные идеи «атомной экономики» и связанные с ней простейшие расчеты, которые вполне доступные даже для школьников.
Традиционно химики подсчитали эффективность химической реакции путем расчета её выхода по соотношению:
Выход реакции = (количества вещества полученного продукта / количества вещества ожидаемого продукта) х 100%
Ученый из Стэндфордского университета, США, представил свою т.н. концепцию «атомной экономики» как альтернативный способ взглянуть на эффективность реакции. «Атомная экономика» связывает общую массу исходных материалов с массой желаемого продукта.
Процент «атомной экономики» = (масса целевого продукта / общая масса исходных реагентов) x 100%
В этом случае подсчитываются потраченные впустую ресурсы: если в продукте незначительное содержание исходных реагентов (малый процент «атомной экономики»), то, следовательно, большая их часть находиться в отходах, что говорит о неэффективности производства.
Выполнив соответствующие расчёты по указанному соотношению, легко увидеть, что для разработки технологий производств новейших химических продуктов и их промышленного внедрения, необходимо использовать как можно более простые исходные соединения вместо сложных веществ, реагирующих с получением большой массы (объема для газов) отходов.
Химия может стать более «зеленой». Остается только ожидать - как скоро это произойдет?
автор М.П. Лябин, к.х.н, доцент кафедры биоинженерии и биоинформатики ВолГУ.
