Zelená chemie Chemie pro udržitelný rozvoj Jaromír Literák Jaromír Literák Zelená chemie Co je zelená chemie? Zelená chemie je termín poprvé použitý v USA na začátku devadesátých let 20. století EPA (Environmental Protection Agency). Dvojznačná role chemie: Je jedním z hlavních přispěvatelů k blahobytu současného světa. Dalekosáhlé jsou však i negativní dopady chemické výroby a jejich produktů. Zelená chemie se snaží omezit negativní dopady (vyčerpání zdrojů surovin a energií, znečištění) chemických výrob a produktů za současného zachování nebo vylepšení životního standardu. Zelená chemie je důležitým nástrojem udržitelného rozvoje! Jaromír Literák Zelená chemie Vývoj zájmu o environmentální dopady chemických výrob V 19. století dochází k prudkému rozvoji chemického průmyslu. Dlouhou dobu panovalo nekritické přijímání kladných stránek tohoto rozvoje. Prvním zákonem regulujícím znečištění ŽP chemickým průmyslem byl tzv. Alkali Act, schváleným v roce 1863 ve Velké Británii. Leblancův způsob výroby sody 2 NaCl + H2SO4 2 HCl + Na2SO4 Na2SO4 + CaCO3 + 2 C Na2CO3 + CaS + 2 CO2 Odpady: HCl, CaS, H2S. Alcali Act nařizoval, že z procesu může do ovzduší uniknout maximálně 5 % vzniklého HCl. Vznikající HCl byl lapán do vody za vzniku kyseliny chlorovodíkové. Jaromír Literák Zelená chemie Vývoj zájmu o environmentální dopady chemických výrob Od 20. let 20. století se začíná rozvíjet toxikologie. Do 50. let 20. století převládal názor, že problém toxických látek a odpadů eliminuje jejich zředění. Po druhé světové válce dochází k rozvoji instrumentálních chromatografických metod, které umožňují stopovou analýzu. V roce 1961 je z trhu stažen lék Contergan (Thalidomid), v důsledku nedostatečných testů došlo ke zvýšení výskytu vrozených deformací u novorozenců. N O O N O H O Jaromír Literák Zelená chemie Vývoj zájmu o environmentální dopady chemických výrob V roce 1962 vydává Rachel Carson knihu Silent Spring, která ukazuje negativní dopady používání pesticidů na ŽP, obzvláště na ptáky. Kniha vyvolala zájem veřejnosti a způsobila obrat v nekritickém šíření chemických látek do ŽP. V roce 1968 založen Římský klub, v roce 1972 vydává knihu The Limits to Growth, která přináší analýzu a odhad vývoje nejdůležitějších globálních ukazatelů jako stav populace, množství zdrojů, míra znečištění, objem průmyslové výroby a výroby potravin, vyčerpání zdrojů. V roce 1987 vydává Světové komise pro životní prostředí a rozvoj (WCED) zprávu Our Common Future, definice principy trvale udržitelného rozvoje. Trvale udržitelný rozvoj umožňuje uspokojení potřeb současných generací a současně umožní, aby budoucí generace byly také schopny uspokojit své potřeby. Jaromír Literák Zelená chemie Vývoj zájmu o environmentální dopady chemických výrob V roce 1989 vstupuje v platnost Montrealský protokol, dohoda omezující uvolňování plynů poškozujících ozonovou vrstvu. Konference OSN Earth Summit konaná v roce 1992 v Rio de Janeiru deklaruje 27 principů pro celosvětový udržitelný rozvoj. Kjótský protokol (dojednán 1997), závazek omezit produkci skleníkových plynů (CO2, N2O, CH4, SF6, HCFCs, PFCs). V roce 2001 byla podepsána (aktivní od 2004) Stockholmská konvence, jejimž cílem je eliminace vybraných POPs. V letech 2007–2018 bude v EU implementována politika REACH (Registration, Evaluation, Authorisation and Restriction of Chemicals), která má zajistit ochranu zdraví a ŽP v EU. Jaromír Literák Zelená chemie Vývoj zájmu o environmentální dopady chemických výrob Jaromír Literák Zelená chemie Omezení negativních dopadů chemie na ŽP „End-of-Pipe přístup, podstatou zamezení úniku nežádoucích látek z aparatury do ŽP (izolace, neutralizace odpadů, čistírny odpadních vod, odsíření elektráren). Preventivní přístup zahrnuje samotnou změnu chemických procesů, využití a produkce méně škodlivých látek. Přístup Příkaz a Kontrola – legislativní regulace aktivit, dodržování je kontrolováno a sankcionováno. Přístup nepřímých ekonomických tlaků, zamezení externalizace nákladů. Spotřební daň Zvýšení poplatků za ukládáná odpadů na skládkách Emisní povolenky a obchod s nimi. Podpora výzkumu v této oblasti Jaromír Literák Zelená chemie Princip trojí zodpovědnosti (Triple Bottom Line) Termín poprvé použit v roce 1997. Činnost podniku je posuzována ze tří hledisek: Ekonomické – finanční zdraví, finanční bilance. Environmentální – bilance environmentálních dopadů aktivit podniku a jeho produktů. Sociální – jak podnik splňuje společenská očekávání (postoj k zaměstnancům, veřejnosti, jak podnik spolupracuje s regulačními a kontrolními orgány). Činnost podniku je trvale udržitelná, pokud je bilance ve všech těchto bodech kladná. Shareholder – držitel podílu Stakeholder – kdokoliv, kdo je jakkoliv zainteresován na aktivitách podniku Jaromír Literák Zelená chemie Zelená chemie Aplikace především v chemické výrobě. Chemická stránka: A + B solvent, energie katalyzátor C + D separace a cistení bezcenný vedlejsí produkt = odpad separace, potenciální toxicita náklady, zdroj rizikmoznost úniku, nutnost separace, není soucástí prodávaného produktu ztráty reaktantu A + D E > > > > > > Technologická stránka. Jaromír Literák Zelená chemie Dvanáct pravidel zelené chemie P. T. Anastas a J. C. Warner definovali dvanáct základních principů zelené chemie (1998): Prevence Je lepší předejít vzniku odpadu než vzniklý odpad bezpečně likvidovat. Vždy by měly být náklady na likvidaci odpadů započítávány do ceny produktu. Atomová ekonomie (hospodárnost) Syntetické postupy mají být navrhovány tak, aby došlo k zabudování maximálního možného množství látek použitých v procesu do produktu. Méně nebezpečné syntetické postupy Syntetické postupy mají byt navrženy s použitím látek o co nejmenší toxicitě a škodlivosti jak pro člověka, tak i životní prostředí. Jaromír Literák Zelená chemie Navrhování bezpečnějších chemikálií Nové chemické produkty mají být navrhovány tak, aby při zachování nebo zlepšení vlastností požadovaných pro jejich aplikaci došlo ke snížení jejich toxicity. Bezpečnější rozpouštědla a činidla Procesy mají být navrhovány tak, aby nebylo nezbytné užívat pomocných činidel, jako jsou např. rozpouštědla. Pokud je jich potřeba, měla by být neškodná. Energetická úspornost procesů Mělo by dojít z důvodů ekonomických a environmentálních dopadů k minimalizaci energetických nároků procesů. Jaromír Literák Zelená chemie Obnovitelné zdroje Výchozí látky a suroviny by měly pocházet z obnovitelných zdrojů vždy, kdy je to technicky a ekonomicky uskutečnitelné. Omezení derivatizace Snažíme se omezit derivatizace látek během procesu (chránicí skupiny a jejich odstranění, dočasné modifikace látek, fyzikálně chemické procesy) jen na nezbytné případy. Katalýza Katalyzátory (pokud možno s nejvyšší možnou selektivitou) mají přednost před reagenty užívanými ve stechiometrických množstvích. Jaromír Literák Zelená chemie Snadno odbouratelné produkty Nové chemické produkty mají být navrhovány tak, aby nebyly stálé v životním prostředí a snadno se zde odbourávaly na neškodné látky. Analytické metody pro monitorování procesů v reálném čase Vývoj analytických metod pro monitorování a účinné řízení chemických procesů, které může předcházet vzniku nebezpečných látek. Používání bezpečnějších chemikálií Látky a forma, ve které jsou používány v chemických procesech, by měly být navrženy tak, aby se minimalizovalo nebezpečí havárií a úniků látek. Jaromír Literák Zelená chemie Extrakce kofeinu z kávy 1903: Ludwig Roselius extrahoval kofein z kávových zrn pomocí benzenu bez větší změny v chuti kávy. Podobně lze pužít chloroform, dichlormethan nebo ethyl-acetát. Dnes: extrakce scCO2 nebo vodným extraktem ze zelených kávových zrn zbavených kofeinu. Jaromír Literák Zelená chemie Příprava Ibuprofenu CH3 CH3 (CH3CO)2O AlCl3 CH3 CH3H3C O O O Cl Et EtO Na CH3 CH3 O H3C EtOOC H CH3 CH3 CH3 O H NH2OH CH3 CH3 CH3 N H OH CH3 CH3NC CH3 -H2O hydrolyza CH3 CH3 CH3 O OH Jaromír Literák Zelená chemie Příprava Ibuprofenu CH3 CH3 (CH3CO)2O kat. CH3 CH3H3C O H2 / Ra Ni CH3 CH3H3C OH CO / Pd CH3 CH3 CH3 O OH Jaromír Literák Zelená chemie Co můžete od této přednášky očekávat? Úvod, historický vývoj a základní principy zelené chemie, její širší společenské souvislosti. Zelená metrika, hodnocení reakcí a chemických látek. Nástin problematiky LCA. Obnovitelné a neobnovitelné zdroje surovin a energií. Biomasa a biorafinerie. Biopaliva. Alternativní ekonomiky. Environmentální management (ISO 14000, EMAS), ekoznačky. Zelená činidla, navrhování zelenějších produktů. Katalýza, homogenní a heterogenní katalyzátory. PTC. Alternativní způsoby převodu energie do reakční směsi (mikrovlny, ultrazvuk, plazmochemie, elektrochemie). Jaromír Literák Zelená chemie Co můžete od této přednášky očekávat? Problematika rozpouštědel. Iontové kapaliny, superkritické kapaliny, fluorovaná rozpouštědla. Zelené separační techniky. Zelené technologie a trendy jejich vývoje. Biotechnologie. Problematika odpadů a jejich zpracování. Recyklace. Zelená chemie ve výzkumné laboratoři. Budoucí směry vývoje. Jaromír Literák Zelená chemie