Најважније из лекције
Одржива производња: Обезбеђује добра и услуге уз минимално трошење природних ресурса и смањење загађења.
Зелене сировине: Глицерол, глукоза и биљна уља замењују петрохемијске сировине и служе као зелени растварачи и полазне материје за биопластику и биодизел.
Циркуларна економија: Систем у коме отпад једног процеса постаје сировина за други (нпр. рециклажа гума у гранулат или пречишћавање растварача дестилацијом).
Економија атома (\(EA\)): Мера ефикасности реакције: \[ EA = \frac{\text{маса жељеног производа}}{\text{укупна маса свих производа}} \cdot 100\,\% \] Адиције имају \(EA = 100\,\%\), док супституције и елиминације имају мање вредности због настанка споредних производа.
Зелене сировине: Глицерол, глукоза и биљна уља замењују петрохемијске сировине и служе као зелени растварачи и полазне материје за биопластику и биодизел.
Циркуларна економија: Систем у коме отпад једног процеса постаје сировина за други (нпр. рециклажа гума у гранулат или пречишћавање растварача дестилацијом).
Економија атома (\(EA\)): Мера ефикасности реакције: \[ EA = \frac{\text{маса жељеног производа}}{\text{укупна маса свих производа}} \cdot 100\,\% \] Адиције имају \(EA = 100\,\%\), док супституције и елиминације имају мање вредности због настанка споредних производа.
Одржива производња и потрошња представља коришћење добара и пружање услуга које задовољавају основне људске потребе и унапређују квалитет живота, уз истовремено рационално коришћење природних ресурса, смањење емисије загађујућих материја и минимизовање отпада, чиме се чувају ресурси за будуће генерације.
Одржива производња је кључна компонента одрживог развоја. Њени основни циљеви обухватају:
- Производњу без загађивања животне средине
- Рационално и ефикасно коришћење енергије и сировина
- Безбедност и очување здравља људи у свим производним процесима
- Примену обновљивих уместо фосилних извора сировина и енергије
Хемијска индустрија тежи смањењу или потпуном укидању употребе опасних супстанци кроз имплементацију принципа зелене хемије.
Природне, нетоксичне и биоразградиве органске супстанце, као и споредни индустријски производи, чине основу одрживе хемијске технологије.
Глицерол (пропан-1,2,3-триол) је биолошки важно једињење и чест споредни производ индустрије сапуна и биодизела. Његове предности су:
- Нетоксичност, неиспарљивост и потпуна мешљивост са водом
- Коришћење као „зелени” растварач у чистом или хемијски модификованом облику (нпр. 1,2,3-триметоксипропан као поларни апротични растварач)
- Полазна сировина за синтезу метанола, етанола, водоника и разних биополимера
Остали значајни обновљиви извори:
- Биљна уља: сировине за производњу биодизела, детерџената и полиуретанских влакана.
- Угљени хидрати (глукоза): сировине за добијање биоетанола, водоника, биоразградивих сурфактаната (површински активних супстанци) и биопластике.
- Целулоза: природни носач за металне наночестице које делују као еколошки повољни катализатори.
Пластичне боце од поли(етилен-терефталата) (ПЕТ) могу се прерадити у боје и лакове, док се из скроба и шећера синтетише биоразградива пластика (биопластика) за кесе и амбалажу.
Линеарна економија почива на концепту „узми, направи, искористи и баци”, што доводи до исцрпљивања природних ресурса и нагомилавања отпада.
Циркуларна (кружна) економија је систем где се производи дизајнирају тако да се могу поправити, раставити и поново искористити, а отпадни материјал из једног процеса постаје примарна сировина за други процес.
Рециклажа пнеуматика: Раздвајањем старих аутомобилских гума настаје гумени гранулат који се примењује:
- У грађевинарству (кровне облоге, звучне баријере)
- У спорту (еластичне подлоге за атлетске стазе и игралишта)
- У пољопривреди (заштитне облоге за стаје)
- Идентификација и анализа: Одређивање тачног састава употребљеног отпадног растварача инструменталним методама (нпр. гасном хроматографијом).
- Раздвајање и пречишћавање: Прилагођавање и извођење поступка фракционе дестилације за регенерацију чистог растварача.
- Одлагање остатка: Фракције које се не могу рециклирати третирају се и одлажу као опасан отпад по посебним прописима.
Економија атома (\(EA\)) представља квантитативну меру ефикасности хемијске реакције која показује проценат укупне масе свих реактаната/производа који је уграђен у жељени производ.
\[ EA = \frac{M(\text{жељени производ}) \cdot \nu(\text{жељени производ})}{\sum [M(\text{сви производи}) \cdot \nu(\text{сви производи})]} \cdot 100\,\% \]
где су \(M\) моларне масе, а \(\nu\) стехиометријски коефицијенти.
Реакције адиције увек имају максималну атомску економију од \(100\,\%\), јер се сви атоми реактаната уграђују у један једини производ без стварања отпада.
Алкохолно врење глукозе:
\[ \text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_6 \xrightarrow{\text{ензими}} 2\,\text{C}_2\text{H}_5\text{OH} + 2\,\text{CO}_2 \]
Жељени производ је етанол (\(M_r = 46\)), док је споредни производ \(\text{CO}_2\) (\(M_r = 44\)):
\[ EA = \frac{2 \cdot 46\text{ g/mol}}{2 \cdot 46\text{ g/mol} + 2 \cdot 44\text{ g/mol}} \cdot 100\,\% = \frac{92}{180} \cdot 100\,\% = 51{,}11\,\% \]
Иако је вредност \(EA\) релативно ниска, врење је повољан процес јер користи обновљиву и нетоксичну биолошку сировину (глукозу).
Угљенични отисак (Carbon Footprint) је укупна количина угљеник(IV)-оксида (\(\text{CO}_2\)) и других гасова са ефектом стаклене баште чија емисија директно или индиректно потиче од појединачних активности или индустријских процеса.
Циљ зелене хемије је смањење или елиминисање опасних супстанци у развоју и примени хемијских производа:
- Превенција отпада: Боље је спречити настанак отпада него га касније третирати.
- Економија атома: Максимизовати уградњу свих полазних атома у финални производ.
- Мање опасне хемијске синтезе: Користити и стварати супстанце мале или никакве токсичности.
- Одабир сигурнијих хемикалија: Очување ефикасности уз смањење токсичности производа.
- Сигурнији растварачи и помоћни реагенси: Избегавање токсичних и испарљивих растварача.
- Процена енергетске ефикасности: Извођење процеса на собној температури и атмосферском притиску.
- Употреба обновљивих сировина: Коришћење пољопривредних и био-сировина уместо фосилних.
- Смањење броја деривата: Избегавање сувишних корака блокаде и деблокаде функција.
- Катализа: Предност каталитичких у односу на стехиометријске реагенсе.
- Разградиви производи: Синтеза производа који се након употребе лако разлажу у природи.
- Правовремена анализа ради спречавања загађења: Праћење реакције у реалном времену.
- Свођење могућности несрећних случајева на минимум: Спречавање пожара, експлозија и испуштања.
Задаци за вежбање
Задатак 1 (Лаки ниво): Објасните суштинску разлику између концепта линеарне економије и концепта циркуларне економије на примеру производње амбалаже.
У линеарној економији сировина се вади из природе, прави се амбалажа која се након једнократне употребе баца на депонију („узми, направи, баци”). У циркуларној економији амбалажа се прави од рециклабилних или биоразградивих материјала, а након употребе се сакупља, прерађује и њен материјал поново користи као сировина за нове производе.
Задатак 2 (Средњи ниво): Етанол се може добити реакцијом адиције воде на етен према једначини:
\[ \text{CH}_2=\text{CH}_2 + \text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{CH}_3\text{CH}_2\text{OH} \]
Израчунајте економију атома (\(EA\)) за ову реакцију и објасните резултат са становишта зелене хемије.
Пошто је у питању реакција адиције, добија се само један производ:
\(M(\text{CH}_2=\text{CH}_2) = 28\text{ g/mol}\), \(M(\text{H}_2\text{O}) = 18\text{ g/mol}\), \(M(\text{CH}_3\text{CH}_2\text{OH}) = 46\text{ g/mol}\). \[ EA = \frac{46\text{ g/mol}}{46\text{ g/mol}} \cdot 100\,\% = 100\,\% \] Закључак: Реакција има идеалну економију атома од \(100\,\%\) јер сви атоми из реактаната улазе у састав жељеног производа, без стварања отпада.
\(M(\text{CH}_2=\text{CH}_2) = 28\text{ g/mol}\), \(M(\text{H}_2\text{O}) = 18\text{ g/mol}\), \(M(\text{CH}_3\text{CH}_2\text{OH}) = 46\text{ g/mol}\). \[ EA = \frac{46\text{ g/mol}}{46\text{ g/mol}} \cdot 100\,\% = 100\,\% \] Закључак: Реакција има идеалну економију атома од \(100\,\%\) јер сви атоми из реактаната улазе у састав жељеног производа, без стварања отпада.
Задатак 3 (Тежи ниво): Брометан се синтетише реакцијом супституције из етана:
\[ \text{C}_2\text{H}_6 + \text{Br}_2 \rightarrow \text{C}_2\text{H}_5\text{Br} + \text{HBr} \]
Израчунајте економију атома ове реакције ако је жељени производ брометан. (\(M_r(\text{C}_2\text{H}_5\text{Br}) = 109\), \(M_r(\text{HBr}) = 81\)). Како би се према принципима циркуларне економије могло поступити са споредним производом (\(\text{HBr}\))?
Укупна маса производа је \(M_{\text{укупно}} = 109\text{ g/mol} + 81\text{ g/mol} = 190\text{ g/mol}\).
Економија атома износи: \[ EA = \frac{109\text{ g/mol}}{190\text{ g/mol}} \cdot 100\,\% = 57{,}37\,\% \] Према принципима циркуларне економије, споредни производ \(\text{HBr}\) не треба одлагати као отпад, већ га ухватити и искористити као полазну сировину за неки други индустријски процес (нпр. синтезу неорганских бромида или регенерацију брома).
Економија атома износи: \[ EA = \frac{109\text{ g/mol}}{190\text{ g/mol}} \cdot 100\,\% = 57{,}37\,\% \] Према принципима циркуларне економије, споредни производ \(\text{HBr}\) не треба одлагати као отпад, већ га ухватити и искористити као полазну сировину за неки други индустријски процес (нпр. синтезу неорганских бромида или регенерацију брома).
Задатак 4 (Средњи ниво): Због којих физичко-хемијских особина је глицерол изузетно погодна супстанца за одрживу органску производњу?
Глицерол је:
- Нетоксичан и безбедан по људско здравље и животну средину
- Неиспарљив, што смањује емисију штетних пара у атмосферу
- Мешљив са водом у свим односима, што га чини погодним зеленим растварачем
- Обновљива сировина која се лако преводи у друге раствараче, полимере, метанол и биоетанол
