Реферат на тему зеленая химия

Обновлено: 05.07.2024

"Зелёная химия – научное направление в химии, включающее в себя усовершенствование химических процессов, которые положительно влияют на окружающую среду"

Зелёная химия – научное направление в химии, включающее в себя усовершенствование химических процессов, которые положительно влияют на окружающую среду.

12 принципов зелёной химии

Лучше предотвратить потери, чем перерабатывать и очищать остатки.
Методы синтеза надо выбирать таким образом, чтобы все материалы, использованные в процессе, были максимально переведены в конечный продукт.
Методы синтеза по возможности следует выбирать так, чтобы используемые и синтезируемые вещества были как можно менее вредными для человека и окружающей среды.
Создавая новые химические продукты, надо стараться сохранить эффективность работы, достигнутую ранее, при этом токсичность должна уменьшаться.
Вспомогательные вещества при производстве, такие, как растворители или разделяющие агенты, лучше не использовать совсем, а если это невозможно, их использование должно быть безвредным.
Обязательно следует учитывать энергетические затраты и их влияние на окружающую среду и стоимость продукта. Синтез по возможности надо проводить при температуре, близкой к температуре окружающей среды, и при атмосферном давлении.
Исходные и расходуемые материалы должны быть возобновляемыми во всех случаях, когда это технически и экономически выгодно.
Где возможно, надо избегать получения промежуточных продуктов (блокирующих групп, присоединение и снятие защиты и т. д.).
Всегда следует отдавать предпочтение каталитическим процессам (по возможности наиболее селективным).
Химический продукт должен быть таким, чтобы после его использования он не оставался в окружающей среде, а разлагался на безопасные продукты.
Нужно развивать аналитические методики, чтобы можно было следить в реальном времени за образованием опасных продуктов.
Вещества и формы веществ, используемые в химических процессах, нужно выбирать таким образом, чтобы риск химической опасности, включая утечки, взрыв и пожар, были минимальными.

Пути, по которым должна развиваться зелёная химия, можно сгруппировать по следующим направлениям:

Новые пути синтеза (часто это реакции с применением катализатора);
Возобновляемые источники сырья и энергии (то есть полученные не из нефти);
Замена традиционных органических растворителей.

Зелёная химия – основа будущего

В исследовании учёные утверждают, что ошибки химической промышленности за прошедшее столетие необходимо не повторять в будущем – и передовые исследования и инновации в области зелёной химии доказывают это. Они подчеркивают, как достижения в области зеленой химии уже начали процесс переосмысления всего, от пластмассы до фармацевтики, сельского хозяйства, электроники, производства и хранения энергии и т. д. Достижения до сих пор являются убедительными, но, по словам учёных, это только начало.

Пока исключение, а не правило

И, хотя существует множество примеров того, как зелёная химия увеличивает экономическую прибыль, улучшая здоровье людей и окружающую среду, она все же является скорее исключением, чем правилом. Необходимо, чтобы зелёная химия и зелёная инженерия выполнялись систематически и в обязательном порядке, так как это просто способ, которым вся химия должна создаваться в будущем.

Научное направление под названием "зелёная химия" возникло в 90-х годах XX века и довольно быстро нашло сторонников в химическом сообществе. Новые схемы химических реакций и процессов, которые разрабатывают 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.

Файлы: 1 файл

Зеленая химия и перспективы ее развития.docx

Зеленая химия и перспективы ее развития

Что такое зелёная химия?

Основные принципы зелёной химии.

В узком понимании к зеленой химии можно отнести любое усовершенствование химических процессов, которое положительно влияет на окружающую среду. В более широком смысле зеленая химия - это инновационный подход к химии, который рассматривается не столько с утилитарных, сколько с гуманитарных позиций. В двадцатом веке считалось, что основная цель химической промышленности- получение прибыли. Но сейчас химики глубоко восприняли концепцию устойчивого развития, согласно которой удовлетворение потребностей нынешнего поколения не должно подвергать опасности будущие поколения. На основе этой концепции учёные сформулировали 12 принципов зелёной химии:

1.Лучше предотвратить потери, чем перерабатывать остатки.

2.Методы синтеза надо выбирать таким образом, чтобы все материалы, использованные в процессе, были максимально переведены в конечный продукт.

3.Методы синтеза по возможности следует выбирать так, чтобы используемые и синтезируемые вещества были как можно менее вредными для человека и окружающей среды.

4.Создавая новые химические продукты, надо стараться сохранить эффективность работы, достигнутую ранее, при этом токсичность должна уменьшаться.

5.Вспомогательные вещества при производстве, такие, как растворители или разделяющие агенты, лучше не использовать совсем, а если это невозможно, их использование должно быть безвредным.

6.Обязательно следует учитывать энергетические затраты и их влияние на окружающую среду и стоимость продукта. Синтез по возможности надо проводить при температуре, близкой к температуре окружающей среды, и при атмосферном давлении.

7.Исходные и расходуемые материалы должны быть возобновляемыми во всех случаях, когда это технически и экономически выгодно.

8.Где возможно, надо избегать получения промежуточных продуктов ( блокирующих групп, присоединение и снятие защиты и т.д.).

9.Всегда следует отдавать предпочтение каталитическим процессам ( по возможности наиболее селективным).

10.Химический продукт должен быть таким, чтобы после его использования он не оставался в окружающей среде, а разлагался на безопасные продукты.

11.Нужно развивать аналитические методики, чтобы можно было следить в реальном времени за образованием опасных продуктов.

12.Вещества и формы веществ, используемых в химических процессах, нужно выбирать таким образом, чтобы риск химической опасности, включая утечки, взрыв и пожар, были минимальными.

Четыре общих принципа.

В целом из всех этих принципов выделяют четыре общих. Главный принцип состоит в том, что лучше предотвратить образование загрязнений, чем потом от них избавляться. Для этого надо реализовывать такие процессы, в которых побочные продукты либо совсем не образуются, либо представляют собой безвредные вещества. Например, в органической химии в качестве восстановителя стали использовать водород, который не нужно утилизировать, так как он превращается в обычную воду. А для окисления органических веществ отлично подходит оксид азота, который преобразуется в безвредный азот.

Второй по значимости принцип связан с эффективностью химических превращений. Это означает, что синтез веществ следует планировать так, чтобы максимальное количество исходных материалов вошло в конечный продукт, а число неиспользуемых отходов стало минимальным.

Третий принцип связан с энергией. При разработке синтеза следует стремиться минимизировать энергетические затраты, а для этого химические процессы следует по возможности проводить при низких температурах и давлениях. Высокие температуры обычно нужны для преодоления энергетического барьера, разделяющего реагенты и продукты. Подбор подходящих катализаторов, которые снижают энергетический барьер, позволяет осуществлять химические реакции в мягких условиях.

Как известно для промышленных процессов используются исчерпаемые ресурсы: полезные ископаемые ( нефть, уголь, природный газ), которые рано или поздно закончатся. Зеленая химия ориентирована на возобновляемые ресурсы- растительные масла, целлюлозу, углекислый газ, из которого получают ценные полимеры- поликарбонаты, биомассу и бытовой мусор. В будущем эти виды сырья могут стать даже более дорогими, чем нефть или газ.

Способы реализации принципов.

Способы реализации принципов зеленой химии можно разделить на три большие группы.

1.Поиск новых путей синтеза.

2.Разработка методов синтеза на основе возобновляемых реагентов, то есть тех, для получения которых не требуются нефть или природный газ.

3.Замена традиционных органических растворителей в технологических процессах.

Зелёная химия - очередная промышленная революция?

Про сверхкритические жидкости (газы или жидкости, при определённом давлении и температуре переведённые в необычное состояние) „Химия и жизнь“ подробно рассказывала в февральском номере 2000 года. В сверхкритическом состоянии такие всем известные вещества, как углекислый газ или вода, приобретают необычные свойства, например становятся мощными растворителями, по свойствам сравнимыми с традиционными органическими -- и при этом совершенно безопасными. К теме сверхкритических жидкостей нас заставил вернуться второй семинар для молодых учёных по „Зелёной химии и катализу“, который прошёл в начале апреля на Химическом факультете МГУ.Первый такой семинар состоялся в прошлом году в Ноттингемском университете где лабораторией чистых технологий руководит профессор Мартин Полякофф. Вклад этого учёного в новые чистые химические технологии с использованием сверхкритических сред неоценим. А его лаборатория -- одна из ведущих в Европе, занимающаяся зелёной химией. Причём там не только проводят фундаментальные исследования. Новые технологии отрабатывают на лабораторных установках и в содружестве с фирмой „Thomas Swan & Со“, специализирующейся на тонкой химии, запускают в серийное производство. Кстати, на Химфаке МГУ тоже есть лаборатория, которая занимается сверхкритическими средами. Она тесно сотрудничает с Ноттингемским университетом (до настоящего времени только в области фундаментальной науки) и поэтому именно в Московском университете на семинаре „Зелёная химия и катализ“ молодые учёные и студенты рассказывали о своих иссследованиях в этой области. Семинар в Москве открыл профессор Мартин Полякофф, из выступления которого слушателям стало ясно, что стереотипное представление о химической промышленности, с трубами, дымящими в небо, и потоками химических отходов, сливающихся в реки, скоро, возможно, изменится.

Пути, по которым уже сейчас движется зелёная химия, можно сгруппировать в три большие направления:

1) новые пути синтеза (часто это реакции с применением катализатора);

2) возобновляемые исходные реагенты (то есть полученные не из нефти);

3) замена традиционных органических растворителей.

Второй пункт -- это тема для отдельного подробного разговора. Каталитические реакции давно и успешно применяют в некоторых промышленных процессах. Третье же направление -- именно то, что изменит наши представления о промышленной химии.

Микробы в зелёной химии.

2.1.Общие сведения о микробах.

Микробы- самые многочисленные живые организмы на нашей планете. Их миллионы разновидностей, и они присутствуют всюду: в почве, в воде, в воздухе, на наших руках и одежде и даже внутри нас. Биологи подсчитали, что в кишечнике взрослого человека присутствует более 1 кг микроорганизмов, относящихся к разным видам. И так, микроб- это название собирательной группы живых организмов, которые слишком малы для того, чтобы быть видимыми невооруженным глазом. Характерный размер микроба менее 0,1 мм. В состав микроорганизмов входят как безъядерные (прокариоты: бактерии, археи), так и эукариоты: некоторые грибы, протисты, но не вирусы, которые часто выделяют в отдельную группу. Большинство микроорганизмов состоят из одной клетки, но есть и многоклеточные микроорганизмы. Изучением этих организмов занимается наука микробиология.

2.2.Роль микробов в жизни планеты.

У микробов на Земле очень много работы - ведь они санитары, которые приводят в порядок нашу планету и нашу внутреннюю среду (кишечник). У них это отлично получается, потому что у них есть одна важная способность- чувствовать вещества. Любую отраву или любое другое вещество, находящееся в избытке, они превращают в еду, черпают из нее энергию для своей жизни и компоненты для строительства своих тел. В постоянно происходящих в природе превращениях веществ и энергии особая роль принадлежит микроорганизмам. Они активно способствуют расщеплению растительных и животных остатков, всех выделений и отбросов на простейшие соединения и первоначальные химические элементы, обеспечивая тем самым кругооборот веществ в природе.Среди изменений веществ, вызываемых микроорганизмами, наибольший интерес представляют превращения, связанные с кругооборотом азота и углерода, являющихся важнейшими элементами всего живого органического мира. Под круговоротом азота и углерода понимают процессы синтеза и распада органических веществ. Синтез органических соединений в природе начинают растения. В растительных клетках, содержащих хлорофилл, из неорганических веществ и воды при помощи солнечной энергии образуются различные органические соединения. При этом источником азота для растений являются главным образом соли азотной кислоты или соли аммония, а углерод они получают из углекислого газа атмосферы. Синтезируемые растениями органические соединения используются ими для роста и, кроме того, в большом количестве откладываются в растительных органах и тканях в виде запасных питательных веществ. Таким образом, растения становятся богатейшим источником углеводов, белков и жиров, в которых нуждаются животные и люди.Животные организмы, в том числе и человек, не способны, подобно растениям, синтезировать органические соединения из минеральных веществ, им требуются готовые органические продукты растительного или животного происхождения. Потребляя растительную пищу, животный мир земли постоянно уменьшает запасы растительного царства. В то же время происходит непрерывное пополнение этих запасов путем размножения и роста растений, которое осуществляется за счет природных источников углекислоты и азотосодержащих солей. Однако запасы углекислого газа и усвояемых растениями азотосодержащих солей в природе весьма ограничены: угольной кислоты в атмосфере содержится всего около 0,03%, а находящийся в воздухе азот (около 78%) растениями не усваивается. Поэтому без восстановления природные запасы углекислого газа и минеральных соединений азота вскоре оказались бы исчерпанными, и развитие растительного и, следовательно, животного мира должно было бы прекратиться. Кроме того, образовались бы огромные скопления остатков растений и трупов животных.Однако этого не происходит, потому что в природе параллельно с синтезом органических веществ протекают процессы их разложения. В результате разрушительных процессов химические элементы, составляющие органические соединения, возвращаются как бы в исходное состояние. Главную роль в этой разрушительной работе играют микроорганизмы. Микробы, воздействуя на растительные и животные остатки, разлагают составляющие их органические соединения на простые, вплоть до таких простейших минеральных веществ, как углекислый газ, аммиак и вода. Таким образом, микроорганизмы возвращают в природу углерод в виде углекислого газа (СО2) , а азот - в виде аммиака (NH3), который может быть использован растениями непосредственно в виде солей аммония или после превращения его в азотнокислые соли.Следует заметить, что разрушение органических соединений и пополнение в известной мере расходуемой углекислоты в природе происходят также в процессе дыхания животных и растений. Частичная потеря почвой азота вследствие перехода его из минеральных азотсодержащих веществ в атмосферу компенсируется деятельностью азотфиксирующих бактерий, усваивающих атмосферный азот и связывающих его в виде доступных растениям соединений.

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.

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].

Зелёная химия (Green Chemistry) — 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.

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.

Содержание

Основные отличия

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.

Двенадцать принципов зелёной химии

1. Лучше предотвратить потери, чем перерабатывать и чистить остатки.
2. Методы синтеза надо выбирать таким образом, чтобы все материалы, использованные в процессе, были максимально переведены в конечный продукт.
3. Методы синтеза по возможности следует выбирать так, чтобы используемые и синтезируемые вещества были как можно менее вредными для человека и окружающей среды.
4. Создавая новые химические продукты, надо стараться сохранить эффективность работы, достигнутую ранее, при этом токсичность должна уменьшаться.
5. Вспомогательные вещества при производстве, такие, как растворители или разделяющие агенты, лучше не использовать совсем, а если это невозможно, их использование должно быть безвредным.
6. Обязательно следует учитывать энергетические затраты и их влияние на окружающую среду и стоимость продукта. Синтез по возможности надо проводить при температуре, близкой к температуре окружающей среды, и при атмосферном давлении.
7. Исходные и расходуемые материалы должны быть возобновляемыми во всех случаях, когда это технически и экономически выгодно.
8. Где возможно, надо избегать получения промежуточных продуктов (блокирующих групп, присоединение и снятие защиты и т. д.).
9. Всегда следует отдавать предпочтение каталитическим процессам (по возможности наиболее селективным).
10. Химический продукт должен быть таким, чтобы после его использования он не оставался в окружающей среде, а разлагался на безопасные продукты.
11. Нужно развивать аналитические методики, чтобы можно было следить в реальном времени за образованием опасных продуктов.
12. Вещества и формы веществ, используемые в химических процессах, нужно выбирать таким образом, чтобы риск химической опасности, включая утечки, взрыв и пожар, были минимальными.

Е. С. Локтева и В. В. Лунин добавили к этому списку дополнительный, 13-й принцип:

13. Если вы делаете все так, как привыкли, то и получите то, что обычно получаете.[2]

Основные направления

Пути, по которым развивается зелёная химия, можно сгруппировать в следующие направления:

Новые пути синтеза (часто это реакции с применением катализатора);
Возобновляемые источники сырья и энергии (то есть полученные не из нефти);
Замена традиционных органических растворителей.

В 2005 году Р. Найори (en:Ryoji Noyori) выделил три ключевых направления развития Зелёной химии: использование сверхкритического CO₂ в качестве растворителя, водного раствора перекиси водорода в качестве окислителя, и использование водорода в асимметрическом синтезе. [3]

Новые пути синтеза

Наиболее распространенный — использование катализатора, который снижает энергетический барьер реакции. Некоторые из новейших каталитических процессов обладают очень высокой атомной эффективностью. Так, например, процесс синтеза уксусной кислоты из метанола и CO на родиевом катализаторе, разработанный фирмой Монсанто, протекает со 100 % выходом:

Другое направление — использование локальных источников энергии для активации молекул (фотохимия, микроволновое излучение), позволяющих снизить затраты энергии.

Замена традиционных органических растворителей

Большая надежда возлагается на использование сверхкритических жидкостей (в основном, углекислый газ и вода, в меньшей степени — аммиак, этан, пропан и др.)

Сверхкритический CO₂ уже широко применяется в качестве безвредного, экологически чистого растворителя — например, для экстракции кофеина из кофейных зёрен, эфирных масел из растений и в качестве растворителя для некоторых химических реакций.

Другими примерами являются реакции окисления, протекающие в сверхкритической воде (en:Supercritical water oxidation), реакции, протекающие в водной эмульсии (en:On water reaction), а также реакции без растворителей (включая твердофазные реакции).

Еще одно перспективное направление это использование ионных жидкостей. Они представляют собой жидкие соли при низких температурах. Это новый класс растворителей, которые не имеют давления насыщенного пара и поэтому не испаряются и не являются горючими. Имеют очень хорошую способность растворять широкие гаммы веществ, в том числе и биополимеры. Их возможное количество виртуально не ограничено, и они могут быть получены с любыми заданными наперед свойствами. Кроме того, они могут быть получены из возобновляемых источников, быть не токсичными и не опасными для окружающей среды и человека.

Возобновляемые исходные реагенты

С 70-х годов XX века в Бразилии, ЕС, Китае, США и других странах построено множество заводов, которые сегодня дают порядка 75 млрд л или ок. 60 млн т топливного спирта (данные 2009 г.), полученного биотехнологическим путём из сахарного тростника, кукурузы, свеклы, патоки и др. источников. Также быстро растет производство эфиров жирных кислот ("биодизеля") и, в последнее время, целлюлозного этанола(см. также Биоэтанол, Биотопливо).

Работает несколько мощных заводов по получению молочной кислоты из глюкозы, полученной из мелассы и отходов целлюлозы. Производительность такого предприятия близка к теоретической: из килограмма глюкозы производится килограмм молочной кислоты. Полученная дешёвая молочная кислота и ее ангидрид (лактид) далее используются в производстве биоразлагаемого полимера — полилактида.

К целям зелёной химии относится также разработка путей эффективного использования такого сырья, как лигнин, который пока не нашёл широкого применения.

Биотехнология

Биоинженерия также рассматривается в качестве перспективной техники для достижения целей Зелёной химии. Ряд промышленно важных химических соединений может быть синтезирован с высокими выходами с помощью биологических агентов (микроорганизмов, вирусов, трансгенных растений и животных).

Читайте также: