2002/zzz

Kémia

ZÖLD KÉMIA

Horváth István Tamás

a kémiai tudomány doktora,
egyetemi tanár, Eötvös Loránd Tudományegyetem,
Kémiai Technológiai és Környezetkémiai Tanszék, Budapest
istvan.t.horvath@hit-team.net

A nagyszámú kémiai felfedezés, valamint az ezekből származó új technológiák és termékek világszerte történt sikeres bevezetésének következtében a vegyipar meghatározó szerepe a társadalom legkülönböző bb igényeinek kielégítésében az elmúlt évtizedekben folyamatosan növekedett. Ennek ellenére az európai és amerikai polgárok legalább kétharmada negatívan értékelte a vegyipart az ezredfordulón (Clark, 1999). A negatív megítéléshez vezető események közös vonása az, hogy ehhez elég volt néhány szintetikus termékről kimutatni, hogy a környezetre és/vagy az egészségre káros hatású (Clark, Acquarrie, 2002). Az emberek bizalmatlanokká váltak a vegyiparral szemben, és általában azt hiszik, hogy a vegyi anyagok "rosszak" és a természetes anyagok "jobbak", bár sokan azt sem tudják, hogy mi is egy vegyi anyag. Az a vélemény, hogy a "természetes" jobb, mint a "kémiai", megalapozatlan. A természetben bőven található olyan vegyület, amely káros biológiai hatással rendelkezik. Noha ez igaz, ennek ismételt hangoztatásával nem lehet a romló megítélést megváltoztatni.

A vegyészek és vegyészmérnökök közül még mindig nem csekély azoknak a száma, akik nem akarják vagy nem tudják elfogadni a közvélemény egyértelmű üzenetét. Azzal, hogy valaki úgy érvel, hogy "én tudom, hogy hogyan kell veszélyes anyagokkal dolgozni", még nem küszöbölte ki a potenciális baleseteket, csak elodázta azokat, mivel nincs 100 százalékos balesetmentesség! A veszélyes anyagokkal kapcsolatos baleseteket egyféleképpen lehet biztosan elkerülni: a veszélyes anyagok helyett veszélytelen anyagokat kell alkalmazni! Nem elég a környezeti problémák eredetét megérteni és azokat utólag, rohamlépésben megoldani, hanem törekedni kell olyan új vegyipari folyamatok és termékek kifejlesztésére, amelyek mai tudásunk szerint nem lesznek az egészségre és a környezetre károsak. A zöld "szemüveg" feltétele ahhoz vezet, hogy számos rutinszerűen használt vegyület, módszer és technológiai megoldás azonnal láthatatlanná válik, és a célok elérése gyakran számottevően nehezebbé válik. A zöld kémia erre a kihívásra próbál válaszolni úgy, hogy útmutatót ad a környezeti szempontból jobb megoldások kialakításához.

Az 1990-ben elfogadott amerikai szennyezésmegelőzési törvény (Pollution Prevention Act, 1990) a hagyományos "parancsolj és szabályozz" irányítási módszer helyett a környezeti szennyezők forrásának csökkentésére helyezte a hangsúlyt. A megelő zési stratégia alapja az az egyszerű felismerés, mely szerint ha egy szennyező anyag nem keletkezik, akkor az nem okozhat környezeti problémát. Az első zöld kémiai programot "Alternatív szintetikus utak" címmel 1991-ben írta ki az Amerikai Környezeti Minisztérium (EPA), amelyet egy évvel később követett az Amerikai Tudományos Alap (NSF) hasonló célú "Környezetbarát szintézisek és eljárások" nevű programjának meghirdetése. 1993-ban az Amerikai Környezeti Minisztérium hivatalos programjává vált a zöld kémia (U.S. Green Chemistry Program). Az Európai Közösségben először az 1993-ban Velencében 30 egyetem közreműködésével megalakult konzorcium indított zöld kémiai programot, amelyből fontos kiemelni az évente megrendezésre kerülő velencei zöld kémiai nyári iskolát. Nem sokkal később az Egyesült Királyságban a "Green Chemistry Network", majd Japánban a "Green and Sustainable Chemistry Network" kezdte meg működését. 2002-ben indult el az európai COST program zöld kémiai akciója (COST Action D29 on Sustainable/Green Chemistry and Chemical Technology).

A zöld kémia céljait összefoglaló 12 alapelvet Anastas és Warner foglalták össze Zöld kémia: elmélet és gyakorlat című könyvükben (Anastas, Warner, 1998). Ezek:

1. Jobb megelőzni a hulladék keletkezését, mint keletkezése után kezelni.

2. Szintézisek tervezésénél törekedni kell a kiindulási anyagok maximális felhasználására (nagyobb atomhatékonyságra).

3. Lehetőség szerint már a szintézisek tervezésénél olyan reakciókat célszerű választani, melyekben az alkalmazott és a keletkező anyagok nem mérgező hatásúak és a természetes környezetre nem ártalmasak.

4. A kémiai termékek tervezésénél törekedni kell arra, hogy a termékekkel szembeni elvárások teljesítése mellett mérgező hatásuk minél kisebb mértékű legyen.

5. A segédanyagok használatát minimalizálni kell, s amennyiben szükséges, ezek "zöldek" legyenek.

6. Az energiafelhasználás csökkentésére kell törekedni.

7. Megújuló nyersanyagokból válasszunk vegyipari alapanyagokat.

8. A felesleges származékkészítést kerülni kell.

9. Reagensek helyett szelektív katalizátorok alkalmazását kell elő térbe helyezni.

10. A kémiai termékeket úgy kell megtervezni, hogy használatuk végeztével ne maradjanak a környezetben, és bomlásuk környezetre ártalmatlan termékek képződéséhez vezessen.

11. Új és érzékeny analitikai módszereket kell használni a vegyipari folyamatok in situ ellenőrzésére, hogy a veszélyes anyagok keletkezését idejében észleljük.

12. A vegyipari folyamatokban olyan anyagokat kell használni, amelyek csökkentik a vegyipari balesetek valószínűségét.

Anastas és Warner a zöld kémiát mint a kémiai termékek tervezését, termelését és felhasználását irányító 12 elv egységes alkalmazását definiálta, melyek eredményeként csökken vagy megszűnik a környezetre veszélyes anyagok elő állítása és felhasználása. Noha a 12 alapelv közül számos triviálisnak tűnik, a 12 alapelv együttes alkalmazása egy adott probléma megoldására gyakran megkívánja, hogy az alapoktól induljon egy új termék vagy folyamat tervezése. Ennek következtében a zöld kémia az alapkutatások fontosságára irányítja a figyelmet. Fontos megjegyezni, hogy a zöld kémiának az elmúlt tíz évben világszerte tapasztalható rohamos terjedése annak a felismerésnek is köszönhető, mely szerint a környezetbarát és egészségre ártalmatlan termékek és technológiák hosszú távon a leggazdaságosabbak. Mivel a zöld kémia 12 alapelvéről és alkalmazásáról már megjelent egy magyar nyelvű összefoglaló (Barta, Csékei, Csihony, Mehdi, Horváth, Pusztai, Vlád, 2000), itt csak két példa illusztrálja a zöld kémia lényegét.

Szinte minden reakcióban használunk olyan segédanyagokat, amelyek elő segíthetik a kémiai reakció lejátszódását vagy a termékek elválasztását, de nem lesznek részei a termékeknek. Ez különösen igaz az oldószerekre, amelyeknek lehetnek emberre és környezetre ártalmas tulajdonságaik. Gyakran használt oldószerek a klórozott szénhidrogének (diklór-metán, kloroform, tetraklór-etilén, szén-tetraklorid), amelyek általában rákkeltő hatásúak. Az aromás szénvegyületek, mint például a benzol, más mechanizmus szerint fejtik ki rákkeltő hatásukat, de a végeredmény ugyanaz. Egy másik gyakori probléma, hogy egy új, látszólag egészségre és környezetre nem káros segédanyag esetleges negatív tulajdonsága lehet, hogy csak évek, évtizedek múlva jelentkezik. Így történt ez a tisztítószerként, hűtő folyadékként és aeroszolok hajtógázaként nagy mennyiségben használt freonok esetében is, amelyek toxicitása általában kicsi, nem gyúlékonyak és nem robbanékonyak. Jóval a széleskörű elterjedés után derült ki viszont, hogy mekkora pusztítást végeztek az ózonpajzsban. Azóta a freonokat betiltották, és hatalmas költségek árán sikerült kifejleszteni egy hasonló tulajdonságú, de az ózonpajzsra nem káros anyagot. Az oldószerekkel kapcsolatos egy másik probléma: a reakció végén el kell választani a terméktől. Ez történhet desztillációval vagy kristályosítással, melyek energiaigényes műveletek. Amennyiben az elválasztás után az oldószer szennyezett marad, vagy meg kell semmisíteni, vagy ha túl drága, tovább kell tisztítani, hogy újrafelhasználható legyen. Ezért a legjobb megoldás, ha nem használunk oldószert, vagy ha használata elkerülhetetlen, olyan oldószert alkalmazunk, amely könnyen elválasztható a terméktől (DeSimone, 2002). Ezek lehetnek szuperkritikus oldószerek (Jessop, Leitner, 1999), víz (Cornils, Herrmann, 1998), fluoros oldószerek (Horváth, Rábai, 1994; Horváth, 1998) és ionos folyadékok (Welton, 1999). Az ionos folyadékok olyan ionpárokból álló vegyületek, melyek szobahőmérsékleten lehetőleg folyékonyak. Alacsony tenziójuk és magas forráspontjuk lehetővé teszi az alacsony forráspontú, velük elegyedő kiindulási anyagok és termékek desztillációval történő elválasztását.

A zöld kémiai megoldásokkal kapcsolatos nehézségekre jó példa a polikarbonátok elő állítására kifejlesztett "zöld" eljárás. A hagyományos eljárásban a foszgén és biszfenol-A nátrium-hidroxid, víz és diklórmetán jelenlétében vezetett reakciójában képződik a polikarbonát. A foszgén mérgező anyag, a benzol és a diklórmetán rákkeltő . A folyamatban nagy mennyiségű vizet és klórozott oldószert kell a terméktől elválasztani, és mind a szennyvízben, mind a termékben található klórtartalmú szennyezés. A "zöld" eljárásban a foszgént és a nátrium-hidroxidot difenilkarbonát helyettesíti, és így úgy tűnhet, hogy a termék nem tartalmaz klórtartalmú szennyezést. Az eljárásban fenol képző dik, amelyet át kell alakítani difenilkarbonáttá. Mivel a fenol oxidatív karbonilezésére alkalmazható katalizátorok nem gazdaságosak, a difenilkarbonátot a fenol és dimetilkarbonát reakciójával állítják elő. Így zöld kémiai szempontból meg kell vizsgálni a dimetilkarbonátot termelő eljárást is, amely a metanol közepes nyomású katalitikus oxidatív karbonilezésén alapul (Romano, Tesei, Mauri, Rebora, 1980). Az iparilag alkalmazott katalizátor réz-klorid számos probléma okozója. A reakcióban melléktermékként keletkező víz és a katalizátor regenerálására használt sósav annyira korrozív, hogy a reaktorokat, szelepeket, csöveket vagy korrózióálló anyagból kell készíteni, vagy a felületüket üveggel kell bevonni. Az utóbbi megoldás került gyakorlati alkalmazásra, amelynek nagy hátránya, hogy az üveg repedése esetén a vizes sósav az üvegen kívül található nem saválló felületeken korróziót és előbb vagy utóbb balesetet okoz. A másik környezeti probléma az, hogy klórtartalmú szennyezés kerül a dimetilkarbonátba, amely szennyezi a difenilkarbonátot és így a végtermék polikarbonátot. A difenilkarbonátot alkalmazó polikarbonát eljárást tehát csak akkor nevezhetjük környezetbarátnak vagy zöldnek, ha sikerül gazdaságos, klórmentes katalizátort kidolgozni a dimetilkarbonát elő állítására. A legfontosabb tanulság ebből a példából az, hogy környezeti szempontból a "bölcsőtől a temetőig" kell a kapcsolt folyamatokat elemezni, és csak akkor hívható egy termék zöldnek, ha sikerül az elő állítására alkalmazott kapcsolódó folyamatok mindegyikét környezetbaráttá tenni.

Az emberiség legfontosabb célja az, hogy a civilizáció folyamatos fejlődése mellett az emberek egyéni és kollektív tevékenysége folytatható legyen a végtelen jövő ben, legalább azonos, de ha lehet, jobb életkörülmények között. A tudósok és a mérnökök kulcsszerepet töltenek be a fenntartható civilizáció kialakításában, lévén felfedezéseik eredményei gyakran csak évtizedekkel később kerülnek alkalmazásra és hatnak előnyösen vagy hátrányosan a civilizáció fejlődésére. Ebből következően a társadalom számára fontos problémák megoldásakor nem mindig használható az adott tudományág teljes tudáskészlete, hanem már a kutatómunka tervezésekor ki kell kerülni a jövő generációra biztosan vagy várhatóan negatívan ható módszereket és megoldásokat. A fenntartható civilizáció fontosabb technológiai kihívásai közül fontos szerepet játszik a környezetszennyezés lokális és globális csökkentése és a kimerülő szénalapú alapanyagok (kőolaj, földgáz, kőszén) kiváltása az energiatermelésben és a vegyiparban. A zöld kémia ezen célok eléréséhez ad irányelveket, és segít a hosszútávon alkalmazható (azaz fenntartható) molekulák és eljárások tervezésében. A zöld kémia néhány, napjainkban fontos kihívása (Anastas, Kirchoff, 2002):

• A víz hatékony bontása látható fénnyel.

• Olyan oldószerrendszerek tervezése, amelyek a hő- és az anyagátadás mellett katalizátorként is működnek, és lehetővé teszik a termékek könnyű elválasztását.

• Molekuláris építő kocka-rendszer tervezése atomhatékony és környezetbarát szintézisekhez.

• Olyan adalékmentes műanyagok kifejlesztése, amelyek használat utáni természetes bomlása környezetre ártalmatlan anyagok képződéséhez vezet.

• Újrafelhasználható anyagok tervezése.

• Nem éghető és nem anyagintezív energiaforrások alkalmazása.

• Szén-dioxid alapú kémiai termékek kifejlesztése.

• Olyan új felületek és anyagok kifejlesztése, amelyek sokáig használhatók, és nem kívánnak felületi védő anyagokat és/vagy felületi tisztítást.

Hogy a fenntartható civilizáció és ezen belül a fenntartható kémia kihívásaira molekuláris szinten válaszolhassunk, a zöld kémia fejlődését tudatosan gyorsítani kell a következő években. A zöld kémia akkor lesz sikeres, ha a zöld jelzőt elhagyhatjuk, és az emberek bizalommal várják a kémikusok és vegyészmérnökök által kifejlesztett termékek és eljárások bevezetését.

Kulcsszavak: zöld kémia, veszélyes anyagok, kémiai technológia, fenntartható civilizáció, oldószerek, freonok, katalizátorok.

IRODALOM

Anastas, P. T., Kirchoff, M. M. (2002). Acc. Chem. Res. 35, 687

Anastas, P. T., Warner, J. C. (1998). Green Chemistry: Theory and Practice. Oxford University Press Oxford

Barta, K., Csékei, M., Csihony, S., Mehdi, H., Horváth, I. T., Pusztai, Z., Vlád, G. (2000). Magy. Kém. Lapja 55, 173

Clark, J. (1999). Green Chemistry 1, 1

Clark, J., Acquarrie, M. (2002). Handbook of Green Chemistry & Technology, Blackwell Science Ltd., Oxford

Cornils, B., Herrmann, W. A. (1998). Aqueous-Phase Organometallic Catalysis, Wiley - VCH, Weinheim

DeSimone, J. M. (2002). Science 297, 799

Horváth, I. T., Rábai, J. (1994). Science 266, 72.

Horváth, I. T. (1998). Acc. Chem. Res. 31, 641

Jessop, P. G., Leitner, W. (1999). Chemical Synthesis Using Supercritical Fluids, Wiley - VCH, Weinheim

Pollution Prevention Act of 1990. 42 U.S.C., Sections 13101-13109, 1990

Romano, U., Tesei, R., Mauri, M. M., Rebora, P. (1980). Ind. Eng. Chem. Prod. Res. Dev. 19, 396

Welton, T. (1999). Chem. Rev. 99, 2071


<-- Vissza az 2002/zzz szám tartalomjegyzékére