مقاله شیمی سبز و راهکارهای آن جهت حفظ محیط زیست

بخشی از مقاله

شیمی سبز و راهکارهای آن جهت حفظ محیط زیست
چکیده

طیف عظیمی از فرآوردههای شیمیایی، که در صنایع جهان با ظرفیت چندین تن در سال تولید میشوند سهم مهمی در بهبـود کیفیـت زندگی ما دارند اما همواره با این محصولات میلیونها تن ضایعات شامل فرآوردههای جانبی واکنشها، کاتالیزورها و حلالهای مصـرف-شده نیز بهوجود میآید. با توجه به اهمیت کاهش آلودگی محیط زیست و جلوگیری از تشکیل محصولات فرعـی ناشـی از فرآینـدهای شیمیایی، دستیابی به روشهای سازگار با محیط زیست و دارای سمیت کمتر از اهداف مهم شیمی سـبز اسـت. و بـا توجـه بـه نقـش محوری و مهم که شیمی در زندگی بشر دارد و همچنین روند روبه رشد تقاضا برای استفاده از محصولات شیمیایی که ما بهطور روزمره با آن سروکار داریم، فرآیند تبدیل و تولید این محصولات میتوانند به محیط زیست آسیب رسانند و نیز افزایش سهم روز افزون آلودگی محیط زیست توسط محصولات شیمیایی نظیر پساب کارخانهجات صنعتی و ورود گازهای گلخانهای به جو و استفاده از مـواد خطرنـاک تجدیدناپذیر و حلالهای سمی، هدف دیگر شیمی سبز افزایش کیفیت زندگی و محیط زیست سالمتر و ایمنتر برای بشر خواهد بود.

1. مقدمه
شیمی سبز به دنبال راهکارهای کاهش و جلوگیری از آلودگی در محیط زیست است. شیمی سبز تلاش میکند در طراحی محصولات و فرآیندهای جدید مسیری را توسعه دهد که آسیب بر محیط زیست را حذف یا کـاهش دهـد .(Dua et al., 2012) هـدف شـیمی سـبز کاهش یا حذف استفاده یا تولید مواد خطرناک در همه مراحـل بـهویـژه سـنتز یـا فرآینـد اسـت .(Talaviya and Majmudar, 2012) تحقیقات در شیمی سبز به منظور کاهش مصرف انرژی برای تولید محصـولات مـورد نیـاز در دارو، رنـگ و دیگـر محصـولات شـیمیایی (Khatri et al., 2012) و یا برای کاهش ضررهای مواد و فرآیندهای استفاده شده در تولید این محصولات است. شیمی سبز یک مقصد معین و هدفی ملی در آینده نزدیک است .(Bose et al., 2004) یک تعریف مناسب برای شیمی سبز بهرهگیـری از مـواد خـام ترجیحـاً تجدیدپذیر، حذف ضایعات و جلوگیری از بکاربردن واکنشگرها و حلالهای سمی در تولید و کاربرد محصولات شیمیایی است.

.2 تاریخچه
شیمی سبز برای اولین بار توسط پل آناستاس و جان وارنر در سال 1991 در یک برنامه ویژه توسـط سـازمان حفاظـت محـیط زیسـت ایالات متحده در اجرای پیشرفت تجدیدپذیری در شیمی و تکنولوژیهای شیمیایی توسط صنعت، دانشگاه و دولـت مطـرح شـد. سـال 1991 توسط رئیس جمهور ایالات متحده سال چالش شیمی سبز اعلام شد. سر انجام در سال 1991 موسسه شـیمی سـبز (GCI) بـا حضور 22 کشور برای تسهیل ارتباط بین سازمانهای دولتی و شرکتهای صنعتی با دانشگاهها و مؤسسات تحقیقاتی طراحی و پیـاده-سازی فنآوریهای جدیـد تأسـیس شـد. اولـین کنفـرانس برجسـته شـیمی سـبز نیـز در سـال 1991 در واشـنگتن برگـذار گردیـد.

.(Wardencki et al., 2005)

.3 اصول شیمی سبز
آناستاس و وارنر در سال 1991 در کتاب شیمی سبز: نظریه و عمل (نشر دانشگاه آکسفورد)، 12 اصل ارائه کردند که روشهای به اجرا گذاشتن شیمی سبز را در اختیار شیمیدانها قرار میدهد که این اصول عبارتنداز(:(Anastas and Warner, 1998

.1.3 پیشگیری از تولید فرآوردههای بیهوده
بهتر است که از ساخت و تولید زباله و پسماندهای سمی جلوگیری شود تا اینکه پس از تولید برای بی ضرر نمودن پسماندهای سمی و یا پاک کردن محیط از آنها اقدام شود.

.2.3 اقتصاد اتم، افزایش بهرهوری از اتم
اقتصاد دائم به این مفهوم است که طراحی واکنشهای شیمیایی به شیوهای باشند که درصد بیشتری از اتمهای موجـود در واکنشـگرها در ساختار فرآوردههای نهایی وارد شود. این کار به افزایش بازده واکنشهای شیمیایی نیز کمک می کند.

.3.3 طراحی فرآیندهای شیمیایی کمآسیبتر
شیمیدانها تا جایی که امکان دارد باید شیوهای را طراحی کنند یا موادی را به کار برند یا تولید کند که اثرات سوء کمتری برای بشر یا محیط زیست داشته باشند. اغلب برای یک واکنش شیمیایی مواد اولیه گوناگونی وجود دارد که از میان آنها میتـوان مناسـبتـرین را برگزید.

.4.3 طراحی مواد و فراوردههای شیمیایی سالمتر
فرآوردههای شیمیایی باید به گونهای طراحی شوند که با وجود کاهش خطر سمیت، کار خود را به خوبی انجام دهند. فرآوردههای جدید را میتوان به گونهای طراحی کرد که سالمتر باشند و در عین حال، کار در نظر گرفته شده برای آنها را به خوبی انجام دهند.

.5.3 بهرهگیری از حلالها و شرایط واکنشی سالمتر
بهره گیری از مواد کمکی (مانند حلالها و عاملهای جدا کننده) تا جایی که امکان دارد به کمترین اندازه برسد و زمانی که به کار می-روند از گونه های کم آسیب رسان باشند.

.6.3 افزایش بازده انرژی
در فرآیندهای شیمیایی، روشهای ساخت و جداسازی تا جایی که امکان دارد به گونهای طراحی شدهاند که نیـاز بـه انـرژی را کـاهش دهند و در انتهای واکنش به انرژی بیشتری دست یابند.

.7.3 بهرهگیری از مواد اولیهی تجدیدپذیر
واکنشهای شیمیایی باید به گونهای طراحی شوند تا از مواد اولیهای که قابلیت بازیابی دارند بهره گرفته شود.

.8.3 پرهیز از مشتقهای شیمیایی
مشتق سازی (مانند بهرهگیری از گروههای محدود کننده یا تغییرهای شیمیایی و فیزیکی گذرا) باید کاهش یابد، زیرا وجود این مرحلـه ها به مفهوم استفاده از واکنشگرهای اضافی خواهد بود که می توانند فرآوردههای بیهوده تولید کنند.

.9.3 بهرهگیری از کاتالیزگرها
کاتالیزگرها گزینشی بودن یک واکنش را افزایش می دهند؛ دمای مورد نیاز را کاهش می دهند، واکنشهای جانبی را به کمترین اندازه میرسانند، میزان تبدیل شدن واکنشگرها به فرآوردههای نهایی را افزایش میدهند.

.11.3 طراحی محصولاتی که به آسانی تخریب می شوند
فرآوردههای شیمیایی باید به گونهای طراحی شوند که در پایان محصولات به صورتی باشند کـه در طبیعـت تخریـبپـذیر باشـند و در محیط زیست باقی نمانده و هرچه سریعتر تجزیه شوند.

.11.3 تخمین زمان واقعی یک واکنش برای پیشگیری از آلودگی
بسیار اهمیت دارد که پیشرفت یک واکنش همواره پیگیری شود تا زمان تکمیل واکنش مشخص گردد. زیرا پـس از کامـل شـدن یـک واکنش شیمیایی فرآوردههای ناخواسته جانبی تولید میشوند.

.12.3 شیمیذاتاً امن برای پیشگیری از حوادث
یک راه برای کاهش احتمالی رویدادهای شیمیایی ناخواسته بهرهگیری از واکنشگرها و حلالهایی است که احتمال انفجار، آتش سوزی و رها شدن ناخواستهی مواد شیمیایی را کاهش می دهند. آسیبهای مرتبط با این داده را می توان با تغییر دادن حالت (جامـد، مـایع، گاز) یا ترکیب واکنشگرها کاهش داد(.( Linthorst, 2010

.4 تلاشهای شیمی سبز در تولید محصولات سازگار با محیط زیست و کاهش آلودگی
شیمی سبز تمام تلاش خود را در جهت حذف و کاهش آلودگیهای محیط زیست و همچنین تولید محصولات سالمتر و ایمنتـر بـرای بشر میباشد که در زیر به بعضی از این مثالها برای روشنشدن موضوع میپردازیم.
در ابتدا هیدرازین را از واکنش زیر تهیه میکردند که یکی از محصولات جانبی آن NaCl میباشد که به نسبت 1:1 تولید میشد.
NaOCl + 2 NH3 → H2N-NH2 + NaCl + H2O
اما راهکار شیمی سبز برای تولید این ماده استفاده از هیدروژن پراکسید است که در زیر واکنش آن آمده است. و مشاهده میشـود کـه تنها یک محصول جانبی دارد و آن هم آب میباشد.
2 NH3 + H2O2 → H2N-NH2 + 2 H2O
یا مثال دیگر برای تولید مالئیک انیدرید است که حدود 12٪ از خروجی تولید آن در تولید رزینهای پلیاستر در تولید فایبر گلاس و همچنین صنایع خودرو کاربرد دارد در ابتدا از طریق واکنش الف که در زیر مشاهده میشود تولید میشد اما امروزه از واکنش ب جایگزین آن که بدون تولید کربن دیاکسید است تولید میشود.

.5 حلال در شیمی سبز
حلال از کلمه لاتین solvo نرمشدن یا بازشدن است و مادهای است که حلشده در آن حل میشود. و مـیتوانـد جامـد، مـایع یـا گـاز باشدکه استفادههای گوناگونی دارد که مهمترین آن جهت انجام واکنشها میباشد.

درباره حلال به نکات زیر میتوان اشاره نمود:
-1 بستر مناسب برای انتقال و کنترل حرارت، با هر حلالی دما در حالت رفلاکس ثابت باقی میماند و نگرانی برای تغییر درجه حـرارت وجود ندارد. بهعنوان مثال در صورتی که دمای 17 درجه نیاز است از اتیل استات و یا حلالهای با نقطه جوش مشابه استفاده میگردد.
-2 وسیلهای برای جداسازی و خالصسازی محصولات می باشند و همچنین در صنعت عطر سازی، رنگسـازی، داروسـازی و ... امکـان تولید محصولات با غلظتهای مختلف را ممکن میسازد.
-3 تامین بخشی از انرژی فعال سازی واکنش توسط حلال از طریق حلالپوشی گونـههـای واکـنش دهنـده و برقـراری برهمکنشـهای شیمیایی نظیر پیوند هیدروژنی و... مقدور میگردد. اگر از حلال استفاده نشود معادل انرژی مورد نیاز برای انجام واکنش در فـاز گـازی، انرژی لازم است.