Zöld kémia
Főző Attila László
2003/01/16 22:49
7447 megtekintés
A cikk már legalább egy éve nem frissült, az akkor még aktuális információk lehet, hogy mára elavultak.
709 ezer találat! A Google keresőprogram ennyi "green chemistry" (zöld kémia) kifejezést talált a weben. Mit is takar ez a népszerű kifejezés? Mi a zöld kémia? Fantáziánk szüleménye vagy valóság? Erről szól Tóth Zoltán írása.

A kémia kizöldül

Az ipari termelés növekedése és az új anyagok előállítása iránti igény világszerte súlyos környezeti károsodásokat okoz. Ez oda vezetett, hogy az emberek bizalmatlanokká váltak a vegyészekkel, a vegyiparral és a mesterségesen előállított vegyi anyagokkal szemben, szinte társadalmi méretű kemofóbia alakult ki. Ugyanakkor a fejlődés nem állhat meg, az emberek igényei és életszínvonal-növekedése csak az ipari termelés növelésével, valamint újabb és újabb anyagok előállításával elégíthető ki. Ennek a látszólagos ellentmondásnak a feloldását ígéri egy új irányzat a kémiában, a zöld kémia. A zöld kémia már a kutatás és fejlesztés fázisában figyelembe veszi a jövő termékeinek és az azokat előállító folyamatoknak várható környezeti hatásait. A zöld kémia hívei és művelői szerint a környezetbarát és egészségre ártalmatlan termékek és technológiák hosszú távon a leggazdaságosabbak. Ennek eléréséhez azonban jelentős szemléletváltásra van szükség mind a kutatásban, mind a gyakorlati megvalósításban.

A zöld kémia alapelveit Anastas és Warner foglalták össze az 1998-ban megjelent "Green Chemistry: Theory and Practice" (Zöld kémia: elmélet és gyakorlat) című könyvükben.

Tóth Zoltán

A zöld kémia 12 alapelve

1. Megelőzés: Jobb megelőzni a hulladék keletkezését, mint a keletkezése után kezelni, megsemmisíteni.

2. Maximális anyagfelhasználás: Új anyagok előállításánál, szintézisénél törekedni kell a kiindulási anyagok maximális felhasználására, a melléktermékek képződésének visszaszorítására.

3. A legkevésbé veszélyes reakció keresése: Lehetőség szerint már a szintézisek tervezésekor olyan reakciókat kell választani, amelyekben a felhasznált és a keletkező anyagok nem mérgezőek, illetve a környezetre nem ártalmasak.

4. A legkevésbé mérgező anyagok tervezése: Új anyagok előállításánál törekedni kell arra, hogy a termékkel szembeni elvárások teljesítése mellett annak mérgező hatása minél kisebb legyen.

5. Környezetbarát oldószerek és segédanyagok használata: Minimalizálni kell a segédanyagok (pl. oldószerek) használatát, amennyiben mégis szükségesek, azok lehetőleg környezetbarát tulajdonságúak ("zöldek") legyenek.

6. Az energiafelhasználás csökkentése: Törekedni kell az energiafelhasználás csökkentésére, olyan szintézisek kidolgozására, amelyek közönséges hőmérsékleten és nyomáson mennek végbe.

7. Megújuló nyersanyagok használata: A vegyipari eljárások alapanyagait lehetőleg megújuló nyersanyagokból válasszuk.

8. A származékkészítés csökkentése: Kerülni kell a felesleges származékok, köztitermékek és melléktermékek előállítását.

9. Katalizátorok használata: A nagy mennyiségben szükséges reagensekkel szemben előnyben kell részesíteni a szelektív katalizátorokat.

10. Lebomló anyagok tervezése: A termékeket úgy kell megtervezni, hogy használatuk után ne szennyezzék a környezetet, és bomlásuk környezetre ártalmatlan termékekhez vezessen.

11. Állandó ellenőrzés: Új és érzékeny analitikai módszereket kell használni a vegyipari folyamatok állandó ellenőrzésére, hogy a veszélyes anyagok képződését idejében észlelhessük.

12. A vegyipari balesetek valószínűségének csökkentése: A vegyipari folyamatokban olyan anyagokat kell használni, amelyek csökkentik a vegyipari balesetek (tűz, robbanás, káros anyagok kibocsátása) esélyét.

Milyen is egy környezetbarát kémiai reakció?

A zöld kémia a kémiai folyamatokat sajátos szemszögből értékeli. A hagyományos preparatív kémia egyik lényeges fogalma a kitermelés, ami megmutatja, hogy az elméletileg elérhetőhöz képest hány százalékos egy-egy előállítási folyamatban a kívánt termék képződése. Zöld kémiai szempontból viszont az ideális (100%-os hozamú) reakció az, amelyben a kiindulási anyagok teljes mennyisége a kívánt termékbe épül be. A kitermelés helyett tehát új vagy újabb paraméterekkel kell jellemezni egy-egy előállítás hatékonyságát. Ilyen paraméter az ún. környezeti faktor és az atomhatékonyság.

A környezeti faktorral az 1 kg termékre eső hulladék tömegét adjuk meg. A zöld kémiai szempontból ideális eljárás környezeti faktora 0. Nagyon tanulságos ebből a szempontból összevetni a különböző vegyipari ágazatokat. Kiderül, hogy a legrosszabb (legnagyobb) környezeti faktorral a gyógyszergyártás rendelkezik (a környezeti faktor akár a 100-at is meghaladhatja: 1 kg gyógyszer előállítása 100 kg hulladék képződésével jár együtt!). Ugyanakkor például az olajfinomítás környezeti faktora meglehetősen jó (kb. 0,1). (Természetesen egy iparág környezetszennyező hatása nemcsak a környezeti faktortól, hanem a termelés volumenétől, nagyságától is függ.)

A másik fontos paraméter az atomhatékonyság. Ez azt mutatja meg, hogy a kiindulási anyagok hány százaléka épül be a termékbe. Minél nagyobb ez az érték, zöld kémiai szempontból annál jobb egy kémiai reakció.

A környezeti faktor és az atomhatékonyság alapján kiválaszthatjuk azokat a reakciótípusokat, amelyek igazán környezetbarátok. Ilyenek az izomerátalakulás, az egyesülés, az addíció és a poliaddíció. Szükségképpen nem lehetnek környezetbarátok azok a reakciótípusok, amelyekben melléktermék vagy melléktermékek is képződnek. Ilyenek a bomlás, az elimináció, a cserebomlás, a kondenzáció, a szubsztitúció és a polikondenzáció.

Zöld kémia az iparban és az iskolában

a zöld kémia nemzetközi folyóirata a Green Chemistry

A zöld kémia 1990 óta (ekkor fogadták el az amerikai szennyezés megelőzési törvényt) jelentős eredményeket ért el nemcsak az alapkutatás szintjén, amelyről nemzetközi folyóirata, a Green Chemistry számol be rendszeresen, hanem az ipari eljárások szintjén is. Ízelítőül néhány példa:

1. Adipinsav szintézise

az adipinsav egy dikarbonsav

Az adipinsavat, amely többek között a nejlongyártás egyik kiindulási anyaga, hagyományosan egy többlépéses szintézissel állítják elő. A szintézis első lépésében a benzolt katalizátor jelenlétében hidrogénezik, majd a képződött ciklohexánt ugyancsak katalizátor jelenlétében oxidálják. A ciklohexán oxidációjakor keletkező ciklohexanol/ciklohexanon keveréket általában salétromsavval oxidálják tovább adipinsavvá. Ebben a lépésben jelentős mennyiségű dinitrogén-oxid keletkezik, amelyről kimutatták, hogy mind a savas eső, mind az üvegházhatás kialakulásában szerepet játszik. Ráadásul az oxidációhoz használt salétromsav és a kiindulási anyag, a benzol sem tekinthető környezetbarát anyagnak. Egy új, környezetbarát adipinsav szintézisben ciklohexént oxidálnak hidrogén-peroxiddal megfelelő katalizátor jelenlétében, és így egy lépésben állítják elő az adipinsavat. Ráadásul a folyamat egyetlen mellékterméke a víz, az oxidálószer kevésbé veszélyes, mint a salétromsav, és a reakció nem igényel magas hőmérsékletet és nyomást.

Az adipinsav gyártása szép példa arra, hogy megfelelő katalizátorok segítségével hogyan lehet egy szintézist környezetbaráttá tenni.

2. Zsírok és olajok hidrolízise

egy zsírmolekula

A zsírsavakat természetes eredetű kiindulási anyagokból, trigliceridekből (zsírokból, olajokból) állítják elő hidrolízissel. A hidrolízishez általában lúgot (NaOH-ot, Na2CO3-ot) használnak. A zöld kémia hívei nemrégen olyan új eljárást dolgoztak ki, amely nem igényli a sok szempontból veszélyes és környezetre ártalmas lúgok használatát. Az eljárásnak az a felfedezés az alapja, hogy a víz jól ismert tulajdonságai (rosszul oldja az apoláris anyagokat, nagyon kis mértékben disszociál ionjaira) magas hőmérsékleten (250-340 °C-on) és nagy (15-16 MPa) nyomáson lényegesen megváltoznak. Ilyen körülmények között egészen jól oldja a növényi olajokat (pl. 100 cm3 víz akár 40 cm3 olajat is oldhat), és a víz disszociációja H+-ionra és OH--ionra is lényegesen nagyobb mértékű, mint normál körülmények között. A jó oldhatóság és a OH-ionok viszonylag nagy koncentrációja lehetővé teszi a trigliceridek hidrolízisét lúg hozzáadása nélkül is. Szójaolajból például 10-15 perc alatt 97%-nál nagyobb kitermeléssel lehetett előállítani a zsírsavakat.

Ebben az esetben a zöld kémia egyik nagy lehetőségét láthattuk: annak kihasználását, hogy az oldószerek tulajdonságai a szokásostól eltérő körülmények között gyökeresen megváltozhatnak.

3. Ionos folyadékok, mint környezetbarát oldószerek

Az ionos anyagok általában szilárdak, ionrácsot alkotnak és csak magas hőmérsékleten (pl. a NaCl 801°C-on) olvadnak meg. Az első ionos folyadékot Amerikában fedezték fel az 1940-es években. Azt találták, hogy két szilárd só (alkilpiridínium-klorid és alumínium-klorid) összekeverésekor a két anyag reakcióba lépett egymással és egy tiszta, színtelen folyadék keletkezett. Ma már számos ionos folyadékot állítottak elő, felismerve, hogy a nagyméretű, aszimmetrikus szerves ionok nagyon nehezen tudnak kristályrácsba rendeződni, ezért az ilyen ionokat tartalmazó sók szobahőmérsékleten általában folyadékok. Az ionos folyadékoknak számos előnyös tulajdonsága van. Nem illékonyak, általában nem gyúlékonyak, és kevésbé mérgezőek, mint a szokásos szerves oldószerek (pl. benzol, metanol, kloroform stb.). Jelentőségükre különösen akkor figyeltek fel, amikor kiderült, hogy az ionos folyadékok a katalizátorokként használt fémek (nikkel, palládium) egy részét is oldják. Ezáltal nagyon sok katalitikus folyamatot hatékonyabban és a környezetre kevésbé ártalmasan tudnak megvalósítani.

A zöld kémia további lehetősége: új, eddig még nem használt oldószerek, az ionos folyadékok használata reakcióközegként.

4. Etén előállítása az iskolában

etén előállítása alkoholból tömény kénsavval hagyományos módon és PE-hulladékból környezetbarát módon

Bár az ipari termelésnél lényegesen kisebb mértékben, de az iskolai kísérletezés során is keletkeznek egészségre ártalmas, illetve a környezetet szennyező anyagok. Az etilént például tömény kénsav és etil-alkohol reakciójával szoktuk előállítani a képen látható gázfejlesztő berendezésben.

Az előállítás meglehetősen bonyolult, költséges, és a tömény kénsav miatt nem is veszélytelen, ráadásul szennyezi a környezetet is, hiszen a kísérlet végén a tömény kénsavas maradékot általában a lefolyóba szoktuk önteni. Pedig etilént előállíthatunk a háztartásunkban hulladékként megtalálható polietilén-zacskókból (LD-PE vagy HD-PE) is hevítéssel (depolimerizációval), ahogy azt a képen is láthatjuk.

A forrásig hevített PE-olvadékból pár perc alatt annyi etilént gyűjthetünk össze (pl. egy műanyagfecskendőben), amely elegendő a szokásos kísérletek bemutatásához. Így tehát drága, veszélyes kiindulási anyagok helyett hulladékot hasznosítunk úgy, hogy közben nem keletkezik környezetet szennyező anyag.

Források és linkek

Barta Katalin és munkatársai: A zöld kémia tizenkét alapelve, Magyar Kémikusok Lapja, 2000. május

Horváth István Tamás: Zöld kémia, Magyar Tudomány, 2002. december Anastas, Warner

Green Chemistry: Theory and Practice, Oxford University Press, Oxford, 1998.

Green chemistry educational materials

Green Chemistry (a folyóirat)

Csatlakozz hozzánk!

Kapcsolódó oldalak

Scientix A természettudományos oktatás közössége
All you need is code Minden a kódolás tanulásáról
Go Lab Laboratóriumok online
CodeWeek A Kódolás Hetének honlapja
Jövő osztályterme Modern tanulási környezetekről a Sulineten

Csoportot ajánlunk