Зеленая химия: что это такое, ее принципы

Забота об окружающей среде, наслаивающиеся друг на друга глобальные проблемы климата спровоцировали совершенствование химических процессов. Возникшее в конце прошлого столетия направление «зеленая химия» (green chemistry) сокращает влияние химических веществ на окружающую среду. Оно руководствуется иными примерами работы, чем «классическая» химия и синтез на ее основе.

Постулаты «зеленой химии» позволяют подбирать для крупнотоннажных химических комбинатов такие исходные материалы и технологии переработки, при которых исключается применение или получение вредных субстанций. «Зеленая химия» — отрасль, в которой субстанция получается с заданными свойствами. Отрасль позволяет получить субстанцию таким путем, чтобы она была экологична на любом этапе ее получения и использования.

Зеленая химическая промышленность исключает из рабочего цикла следующие стадии:

• нейтрализация;

• переработка вредных побочных химических субстанций.

Если перерабатывать нечего — вредная побочка не образуется. Это приводит к:

• оптимизации синтеза, его удешевлению;

• экономии энергии;

• положительному балансу промышленности;

• положительной экологической и экономической оценке промышленности.

История

Проблему истощения природных ресурсов, увеличения объемов вредных химических выбросов на планете заметили еще в середине 20-го века. Индустриализация, стремительный рост населения в развивающихся странах привели к увеличению производства продуктов потребления. Крупные индустриальные страны стали разрабатывать и внедрять схемы экономии энергии ресурсов и сырья, а также работать над проблемой выбросов в окружающую среду. В 1972 году в Швеции была подписана Стокгольмская декларация — сверхкритический международный документ, закрепивший способы охраны окружающей среды для индустриальных государств.

На основе этого документа спустя 20 лет появилась декларация Рио. В этом документе были сконцентрированы правила устойчивого развития планеты. Кроме правил охраны окружающей среды документ включает постулаты корректного поведения мирового сообщества в отношении природного равновесия на планете.

Еще через шесть лет в 1998 году мир познакомился с произведением «Зеленая химия: теория и практика». Это книга Анастаса и Уорнера, которая стала учебником для государственных органов, промышленности, исследователей. Впервые в истории индустриального общества в книге задокументировали базисные правила получения безопасных химических сред.

«Зеленая химия» имеет массу сторонников. Печатаются журналы, функционируют академические школы, организации, назначаются премии за вклад в дело зеленого химического синтеза.

Двенадцать принципов «зеленой химии»

Вот знаменитая дюжина основополагающих постулатов из знаменитой книги Уорнера и Анастаса 1998 года:

1. Лучше предотвратить появление отхода, чем тратить энергию и время на его уничтожение или переработку.

2. Атомы нужно экономить. В конечную субстанцию должно входить как можно больше атомов из реагентов, применяемых в момент синтеза.

3. Нужно применять «исходники» нетоксичные или малотоксичные для природы и человека.

4. Новые зеленые технологии должны помогать получать новые субстанции с наименьшей токсичностью, наибольшим количеством функциональной пользы для человека.

5. Следует избегать применения токсичных реагентов. Если по рецептуре это невозможно сделать, то важен выбор в пользу наименее токсичного сырья.

6. Нужно экономить энергию, затрачиваемую для реакций. В идеале реакции должны проходить без повышения естественного атмосферного давления, без нагревания, т.е. при комнатной температуре.

7. Лучше применять естественное сырье во всех возможных случаях, когда это может быть допустимо.

8. Нужно отказаться от промежуточных стадий синтеза как от провокатора дополнительных отходов и затрат энергии.

9. Лучше отказаться от стехиометрических реакций в пользу каталитических процессов.

10. Состав полученных продуктов с применением зеленого химического синтеза должен быть таким, чтобы после их разложения не образовывались опасные для природной среды вещества.

11. Нужно автоматизировать процессы с внедрением онлайн методов мониторинга и контроля химического производства безопасных продуктов.

12. Минимизировать риски аварий с применением в производственных циклах «безопасных» субстанций.

Даже беглый анализ этих пунктов говорит о том, что «зеленая химия» идет не по пути программ утилизации получаемых отходов и восстановления нарушенного природного равновесия. Ее постулаты исключают саму возможность получения таких отходов, нанесения ими вреда природе.

В странах мира, включенных в зеленую повестку, растет движение хемофобии. Оно заключается в негативном отношении к применению в быту полученной классическими способами «химии». Люди осознанно отказываются от потенциально опасных продуктов, произведенных с применением невозобновляемых ресурсов.

Такая общественная инициатива еще больше подталкивает научное сообщество химиков к формированию новых условий работы для производственников. Ученые в большинстве своем приходят к выводу о том, что нынешняя прикладная химия нерациональна, опасна и не имеет права на дальнейшее существование. Эта область науки тупиковая, выход из нее — модернизация химии как науки. И модернизация эта должна вестись на основе принципов «зеленой химии».

Внедрение этих принципов позволит поскорее забыть о дымящих ядовитыми газами трубах химических комбинатов, рисках тяжелых техногенных катастроф на таких производствах, попаданиях их отходов в почву и водоемы. Новые алгоритмы общественного мышления и желание человечества безопасно существовать на планете провоцируют трансформацию химической отрасли в более благоприятную формацию на основе принципов «зеленой химии».

Правила «зеленой химии»

1. Устранение из процесса производства факторов и реакций, формирующих химические загрязнения. Это главное правило такого направления как науки. Продукты должны создаваться таким способом, при котором выделение «побочки» минимизировалось, не было вовсе или же полученные в ходе производства добавочные вещества были бы безвредными. Так уже около десяти лет химики взяли за правило использование водорода в роли восстановителя. Применение такого простого вещества исключает из процесса необходимость его утилизации — водород просто превращается в воду. А трансформирующийся в азот оксид азота используется на зеленых химических производствах как окислитель.

2. Эффективность превращений — еще одно правило экологически безопасной химии. Точные расчеты, учет списка исходных материалов, входящих в субстанцию, их безвредное использование позволяют запланировать минимизацию получения неиспользованных отходов.

3. Минимизация энергетических затрат — третье правило экологически нейтральных химических процессов. Правило вытекает из шестого принципа «зеленой химии». Отбор катализаторов автоматически снижает уровень энергетического барьера, позволяет проводить реакции без необходимости увеличения давления, температуры, соответственно, без применения избыточной энергии, тепловых выбросов.

4. Минимизация опасности для человека и природы за счет тщательно подбираемых катализаторов — четвертое правило экологически нейтральных процессов.

Соблюдение перечисленных правил и принципов «зеленой химии» позволяет создавать не только функциональные, но и химически безопасные, безвредные для природы продукты. После их непосредственного применения процесс разложения до безопасных, безвредных форм протекает под влиянием естественных факторов: УФ-лучей, воды, активности микроорганизмов.

Производства, функционирующие по классическим схемам химической науки, по-прежнему используют полезные ископаемые в качестве исходных материалов. К таким материалам относят добываемые из естественных источников уголь, природный газ, нефть. Это невозобновляемые ресурсы, которые, несмотря на большое количество эксплуатируемых месторождений, рано или поздно закончатся.

Основное отличие «зеленой химии» от ее традиционного аналога — использование возобновляемых ресурсов. Речь идет об углекислом газе, целлюлозе, растительных маслах, биологической массе и биомусоре. Среди сторонников «зеленой химии» распространено мнение о том, что со временем такие источники будут очень востребованы. И вероятно, что их стоимость для производственных предприятий преодолеет планку стоимости природного газа и нефти.

Пути «зеленой химии»

Научным сообществом, производственниками, экологами сформулированы основные пути развития такого направления. Сегодня для их реализации работают сразу несколько сфер:

• молекулярный дизайн;

• аналитическая химия;

• биологическая химия;

• инженерная и химическая технология.

Эти направления работают на стыке друг друга, формируя нужные программы развития и вырабатывая новые векторы пути для непосредственных производств.

Сами же пути выглядят следующим образом:

• Разработка новых технологий получения химических продуктов.

• Отказ от традиционно применяемых органических растворителей.

• Применение в качестве исходных реагентов возобновляемых веществ. Примечательно, что такие процессы не требуют применения таких традиционных ресурсов, как нефть или природный газ.

• Применение нового промышленного оборудования или реконструкция старого.

• Возможность преобразовать отходы зеленого химического производства в энергию или вещества-предшественники других химических процессов.

Перспективы зеленых химических процессов

Лучшее воплощение «зеленой химии» — уникальный тип науки. Ее приложение к непосредственным процессам производства поможет создавать необходимые химические продукты, делать это безопасно для природы и человека. Ликвидация нескольких стадий рабочих процессов снизит расходы предприятий за счет экономии энергии, снижения человеческих трудозатрат. Рабочие циклы, при которых не будут формироваться вредные вещества, пройдут без стадий их переработки, утилизации. А это исключает трату энергии, финансов.

Развитие этого направления химической науки будет полезно не только в прикладном факторе. Исследования, проводимые уже сегодня в этой сфере, открывают новые пути работы для исследователей. Традиционные пути получения конечных продуктов могут быть заменены нетрадиционными, более безопасными альтернативами. При этом ученый может увидеть полученную формулу под другим углом. Не просто увидеть, применять ее в работе, извлекая пользу для общества, природы. Работы в этом направлении помогают корректировать списки реагентов, их формулы для минимизации вредных воздействий на человека и природу.

Химическая промышленность постоянно развивается и участвует в решении экологических проблем. Однако производство химиии все еще позиционируется как среда с негативным влиянием на окружающую среду и огромным количеством выбросов.

Именно поэтому «зеленая химия» становится популярным направлением. Люди все больше приходят к осознанию негативных последствий своих действий для окружающей среды и планеты. Промышленность также учитывает концепцию «зеленой химии» в своей стратегической деятельности. Это позволяет удерживать клиентов и привлекать новых партнеров, заинтересованных в трендах зеленой революции.

• Алферова Н. А., Минакова А. М., Аверина Ю. М., Меньшиков В. В. Зеленая химия и тенденция ее развития. Успехи в химии и химической технологии. 2017. №15 (196). — https://cyberleninka.ru/article/n/zelenaya-himiya-i-tendentsiya-ee-razvitiya

• Лунин В.В., Локтева Е.С., Голубина Е.В. Инновационные образовательные программы в области химии. Научно-образовательный центр. «Химия в интересах устойчивого развития — зеленая химия». М.: Изд-во МГУ, 2007

• Тарасова Н.П., Макарова А.С., Вавилов С.Ю., Варламова С.Н. Вестник Российской академии наук, Зеленая химия и Российская промышленность.