Најважније из лекције
Зелена хемија представља скуп мера и принципа усмерених ка очувању ресурса и спречавању загађења:
• Превенција отпада и економија атома: Максимално искоришћење свих атома из сировина и спречавање настанка отпада (нпр. враћање \(\text{NH}_3\) и \(\text{CO}_2\) у Солвејевом процесу).
• Смањење токсичности и безбеднији производи: Замена живе у термометрима алкохолом, замена тешких метала у батеријама.
• Зелени растварачи и енергетска ефикасност: Употреба течног \(\text{CO}_2\), одвијање реакција на собној температури и примена катализатора и обновљивих извора енергије.
• Катализа: Примена аутомобилских катализатора (\(\text{Pt}, \text{Pd}, \text{Rh}\)) за уклањање угљоводоника, \(\text{CO}\) и \(\text{NO}_x\), као и увођење ензима (биокатализатора).
• Циркуларност: Коришћење обновљивих сировина и претварање отпада у корисне материјале (нпр. \(\text{SO}_2 \rightarrow \text{H}_2\text{SO}_4\); шљака за грађевинарство).
• Превенција отпада и економија атома: Максимално искоришћење свих атома из сировина и спречавање настанка отпада (нпр. враћање \(\text{NH}_3\) и \(\text{CO}_2\) у Солвејевом процесу).
• Смањење токсичности и безбеднији производи: Замена живе у термометрима алкохолом, замена тешких метала у батеријама.
• Зелени растварачи и енергетска ефикасност: Употреба течног \(\text{CO}_2\), одвијање реакција на собној температури и примена катализатора и обновљивих извора енергије.
• Катализа: Примена аутомобилских катализатора (\(\text{Pt}, \text{Pd}, \text{Rh}\)) за уклањање угљоводоника, \(\text{CO}\) и \(\text{NO}_x\), као и увођење ензима (биокатализатора).
• Циркуларност: Коришћење обновљивих сировина и претварање отпада у корисне материјале (нпр. \(\text{SO}_2 \rightarrow \text{H}_2\text{SO}_4\); шљака за грађевинарство).
Зелена хемија представља филозофију и област хемије чији је циљ развој производа и хемијских процеса који смањују или потпуно елиминишу стварање и употребу супстанци опасних по животну средину и здравље људи.
У савременом свету око 80% отпада потиче из индустрије, док око 20% потиче из домаћинстава.
Принцип превенције: Боље је спречити настајање отпада и загађујућих супстанци него их третирати, чистити или уништавати након што су већ настали.
Традиционалне батерије са тешким металима (олово, жива, кадмијум) спадају у изузетно опасан отпад - само једна батерија од \(5\text{ g}\) која садржи живу може да контаминира око \(30\,000\text{ L}\) воде. Применом принципа Зелене хемије, ове батерије се замењују мање штетним и безбедним алтернативама.
Зашто је еколошки и економски оправданије спречити настанак индустријског отпада него га пречишћавати?
Пречишћавање и складиштење већ насталог отпада захтева додатну енергију, скупе технологије и увек носи ризик од акцидената и контаминације земљишта и вода. Спречавањем настанка отпада сировине се у потпуности искоришћавају, а негативан утицај на екосистем се своди на минимум.
Економија атома је принцип по коме хемијску синтезу треба осмислити тако да се сви атоми употребљених почетних сировина у максималној мери уграде у коначни жељени производ, без стварања сувишних нуспроизвода.
Принцип смањења токсичности и сигурнијих хемикалија: Хемијски процеси се морају планирати тако да користе и стварају супстанце које су минимално токсичне (или потпуно нетоксичне) за људе и природу.
1. Замена живе: Живини топломери и термометри замењени су алкохолним топломерима или термометрима са нетоксичним легурама галијума.
2. Заштитни премази за бродове: Изразито токсична органска једињења калаја (која су спречавала хватање алги за бродско корито) замењена су биоразградивим и нетоксичним премазима.
2. Заштитни премази за бродове: Изразито токсична органска једињења калаја (која су спречавала хватање алги за бродско корито) замењена су биоразградивим и нетоксичним премазима.
У Солвејевом поступку производње соде, гасовити амонијак (\(\text{NH}_3\)) и угљеник(IV)-оксид (\(\text{CO}_2\)) се издвајају и поново враћају на почетак производног процеса. Који принцип Зелене хемије је овде примењен?
Примењен је принцип економије атома и коришћења споредних производа у самом процесу, чиме се улазне сировине максимално искоришћавају, а емисија отпадних гасова елиминише.
Зелени растварачи: Опасни, токсични и испарљиви органски растварачи у индустријским екстракцијама и синтезама замењују се нешкодљивим алтернативама попут течног угљеник(IV)-оксида или етанола добијеног прерадом целулозе.
Принцип енергетске ефикасности: Хемијске реакције треба водити на собној температури и при атмосферском притиску кад год је то изводљиво, како би се утрошак енергије свео на минимум.
Енергетској ефикасности доприноси и прелазак на обновљиве изворе енергије (соларна енергија, енергија ветра, воде, таласа и геотермална енергија), као и рекуперација отпадне топлоте (нпр. коришћење топле расхладне воде за грејање).
Како употреба соларних фотоћелија од аморфног силицијума доприноси очувању животне средине у хемијској индустрији?
Соларне фотоћелије директно претварају сунчеву енергију у електричну без сагоревања фосилних горива и емисије штетних гасова стаклене баште, омогућавајући напајање индустријских погона чистом, обновљивом енергијом.
Катализатори омогућавају да се хемијске реакције одвијају знатно брже, уз мањи утрошак енергије (на нижим температурама) и уз већу селективност.
Аутомобилски катализатори: Смањују емисију штетних гасова из издувног система моторних возила. Као каталитички материјал користи се смеша платине (\(\text{Pt}\)), паладијума (\(\text{Pd}\)) и родијума (\(\text{Rh}\)).
| Врста катализатора | Начин деловања | Катализована реакција |
|---|---|---|
| Оксидациони катализатор | Ради са моторима са вишком кисеоника (Lean-Burn); ради на \(200\text{--}250\ ^\circ\text{C}\). | Потпуно сагоревање неизгорелих угљоводоника и \(\text{CO}\) до \(\text{CO}_2\) и \(\text{H}_2\text{O}\). |
| Тростепени катализатор | Ради са конвенционалним моторима; садржи \(\text{Pt}\), \(\text{Pd}\) и \(\text{Rh}\). | \(\text{Pt}\) и \(\text{Pd}\) катализују оксидацију угљоводоника и \(\text{CO}\), док \(\text{Rh}\) редукује оксиде азота (\(\text{NO}_x\)) до елементарног \(\text{N}_2\). |
У индустријским синтезама све се више препоручује замена скупих и потенцијално токсичних катализатора од прелазних метала ензимима (биокатализаторима), јер су биоразградиви и раде у благим воденим условима.
Који метал у тростепеном катализатору је директно одговоран за уклањање отровних оксида азота (\(\text{NO}_x\)) и у који гас се они претварају?
За редукцију оксида азота одговоран је родијум (\(\text{Rh}\)), а оксиди азота се претварају у нешкодљиви елементарни гасовити азот (\(\text{N}_2\)).
Обновљиве сировине: Подразумева коришћење сировина биолошког или поновљивог порекла (нпр. биљна уља, угљени хидрати за детерџенте) уместо исцрпљивих фосилних извора (нафте и земног гаса). Такође укључује и систем рециклаже метала (\(\text{Fe}\), \(\text{Cu}\), \(\text{Zn}\)).
Дизајн за разградивост и валоризација отпада: Хемијски производи морају бити пројектовани тако да се након употребе лако разграде у природи на безопасне супстанце. Такође, споредни производ једног процеса треба да постане корисна сировина за други процес.
1. Сумпор(IV)-оксид (\(\text{SO}_2\)): Споредни гасовити производ при пржењу сулфидних руда некада је загађивао ваздух; данас се хвата и користи као сировина за добијање сумпорне киселине (\(\text{H}_2\text{SO}_4\)) и минералних ђубрива.
2. Згура (шљака): Чврсти нуспроизвод металуршких пећи користи се као грађевински материјал за изградњу путева, тениских терена, цемента и силикатне вуне.
2. Згура (шљака): Чврсти нуспроизвод металуршких пећи користи се као грађевински материјал за изградњу путева, тениских терена, цемента и силикатне вуне.
Како се при производњи метала из сулфидних руда спречава настанак киселих киша, а истовремено остварује принцип циркуларне економије?
Ослобођени \(\text{SO}_2\) се не испушта у атмосферу (чиме се спречава настанак киселих киша), већ се спроводи у погоне за производњу сумпорне киселине (\(\text{H}_2\text{SO}_4\)) и вештачких ђубрива, чиме отпад постаје корисна сировина.
Ефикасна заштита животне средине захтева системске мере државе и међународне заједнице, што укључује:
- Доношење закона, правилника и граничних вредности емисије штетних материја;
- Контролу примене прописа и инспекцијски надзор индустријских постројења;
- Потписивање и ратификацију међународних конвенција и протокола за забрану опасних хемикалија;
- Праћење (мониторинг) квалитета ваздуха, воде и земљишта и редовно информисање јавности.
Због чега је неопходно међународно повезивање и доношење глобалних протокола у контроли загађења?
Загађење ваздуха (киселе кише, гасови стаклене баште) и водених токова не познаје државне границе, па се глобални еколошки проблеми могу решити искључиво заједничким међународним деловањем и усаглашеним обавезујућим стандардима.
Задаци за вежбање
Задатак 1 (лак): Која је главна предност замене живе алкохолом у топломерима према принципима Зелене хемије?
Жива је изузетно токсичан тешки метал који у случају ломљења топломера трајно контаминира животну средину и изазива тровања. Алкохол је знатно мање токсичан, органски је и биоразградив, чиме се уклања ризик по људско здравље и природу.
Задатак 2 (средњи): Наведите улоге платине (\(\text{Pt}\)), паладијума (\(\text{Pd}\)) и родијума (\(\text{Rh}\)) у тростепеном катализатору и напишите које токсичне супстанце прелазе у које нетоксичне производе.
- Платина (\(\text{Pt}\)) и паладијум (\(\text{Pd}\)): Катализују реакције оксидације неизгорелих угљоводоника и отровног угљеник(II)-оксида (\(\text{CO}\)) у нетоксични угљеник(IV)-оксид (\(\text{CO}_2\)) и водену пару (\(\text{H}_2\text{O}\)).
- Родијум (\(\text{Rh}\)): Катализује реакцију редукције токсичних оксида азота (\(\text{NO}_x\)) до нетоксичног елементарног азота (\(\text{N}_2\)).
Задатак 3 (средњи): Иако је вода најбезбеднији и еколошки најпожељнији растварач, због чега се при њеној индустријској употреби мора водити посебно рачуна о принципима заштите средине?
Вода након коришћења у хемијским процесима постаје отпадна вода оптерећена раствореним хемикалијама, реагенсима или топлотом. Уколико се пре испуштања темељно не пречисти или термички не охлади, може изазвати масовно загађење река, језера и уништавање водених екосистема.
Задатак 4 (тежак): Фабрика за топљење руде бакра испушта велике количине \(\text{SO}_2\) гаса, користи велику количину електричне енергије из термоелектране на угаљ, а отпадну шљаку одлаже на отворене депоније. Предложите три конкретне мере унапређења овог процеса засноване на различитим принципима Зелене хемије.
- Дизајн за поновну употребу / валоризација отпада: Издувни \(\text{SO}_2\) ухватити и прерадити у погону за производњу сумпорне киселине (\(\text{H}_2\text{SO}_4\)) или вештачких ђубрива.
- Обновљиви извори и енергетска ефикасност: Заменити струју из термоелектрана соларном/ветро енергијом и искористити топлоту пећи за загревање погона или воде.
- Искоришћење чврстог отпада: Отпадну шљаку (згуру) прерадити и употребити као сировину за производњу цемента, силикатне вуне или изградњу саобраћајница и терена.
