همه چیز در مورد شیمی سبز

شیمی سبز، که شیمی پایدار نیز نامیده می شود، فلسفه تحقیقاتی شیمی و مهندسی شیمی است که هدف آن طراحی محصولات و فرایندهایی می باشد که با محیط زیست سازگار بوده و خطرات ناشی از مواد شیمیایی به حداقل برسد. در حالی که شیمی محیط زیست، شیمی محیط زیست طبیعی است و از مواد شیمیایی آلاینده در طبیعت بحث می کند، شیمی سبز به دنبال کاهش و جلوگیری از آلودگی در محیط زیست می باشد.

تاریخچه شیمی سبز

شیمی سبز حاصل تلاش ها و ایده های مختلف در زمینه های اقتصادی اتم و کاتالیست ها است که در دهه 1990 با افزایش توجه به مشکلات آلاینده های شیمیایی و کاهش منابع شکل گرفت. توسعه شیمی سبز در اروپا و آمریکا همراه با یک تغییر موضع در استراتژی حل مسائل محیط زیستی بود. در حقیقت، به جای بهره گیری از دستورات و قوانین کنترل کننده و لزوم کاهش آلاینده های صنعتی در انتهای فرآیند، به جلوگیری فعال از انتشار آلودگی به کمک طراحی خلاقانه محصولات فناورانه روی آوردند. این مفاهیم سبب بوجود آمدن شیمی سبز در اواخر دهه 90 بود.

شیمیدان سبز کیست؟

شیمیدانهایی که در این حوزه فعالیت دارند شیمیدان سبز نامیده اند . تولید صنعتی اکثر محصولات بر اساس فعل و انفعالات شیمایی صورت می گیرد . در دهه گذشته بعضی از شیمیدانها نگرش جدید خود را متوجه تولید محصولات بدون استفاده از مواد سمی و بدون ایجاد سمپاندهای سمی نموده اند . شیمی سبز یکنوع شستشوی سبز تکنولوژی قدیمی نمی باشد بکله جزء اصلی تکنولوژی های جدیدیست که کارائی بهتری دارند ، ارزان تمام می شوند و به انرژی کمتری احتیاج دارند . در یک دوره کامل تولید از ماده خام گرفته تا ایجاد محصول نهایی آلودگی کمتری ایجاد می نمایند و اضافه نمود که در واقع انقلاب تکنولوژی سبز برابر با انقلاب صنعتی می باشد .

دوازده اصل شیمی سبز

در سال 1998، «پاول آناستاس» (Paul Anastas) و «جان وارنر» (John C. Warner)، مجموعه اصولی را منتشر کردند که راهنمایی برای شیمی سبز باشند. این دوازده اصل شامل گستره ای از روش ها برای کاهش اثرات زیست محیطی تولیدات شیمیایی بودند که علاوه بر این، اولویت های تحقیقاتی مرتبط با توسعه فناوری شیمی سبز را نیز شامل می شدند. این اصول، مفاهیم زیر را پوشش می دهند:

• طراحی فرآیندهایی برای بیشترین بازده تولید از مواد خام
• بهره گیری از مواد و منابع انرژی تجدیدپذیر
• استفاده از مواد و حلال های بی خطر برای محیط زیست
• طراحی فرآیندهایی با بهره وری انرژی بالا
• مباحث مربوط به مدیریت پسماند

در ادامه، به اصول دوازده گانه شیمی سبز می پردازیم:

1. پیشگیری: جلوگیری از تولید پسماند بهتر از پاکسازی یا تصفیه آن بعد از تولید است.
2. اقتصاد اتم: از روش های سنتزی بمنظور دخیل کردن تمامی مواد مورد استفاده در فرآیند برای تولید فرآورده نهایی کمک گرفته شود. این امر در نهایت سبب تولید کمتر پسماند خواهد شد.
3. سنتز شیمیایی با خطرات کمتر: روش های سنتزی باید از تولید و استفاده از مواد سمی برای انسان یا محیط زیست، جلوگیری کنند.
4. طراحی مواد شیمیایی ایمن: فرآورده های شیمیایی باید به گونه ای طراحی شوند که علاوه بر داشتن عملکرد مناسب، سمی نیز نباشند.
5. حلال ها و مواد ایمن: تا حد امکان، بهره گیری از حلال ها و ریجنت ها و سایر مواد کمکی محدود شود. در صورت نیاز، از مواد غیر سمی استفاده شود.
6. طراحی به منظور بازده انرژی: بهره گیری از انرژی باید به حداقل برسد و در فرآیندها از دما و فشار محیط کمک گرفته شود.
7. استفاده از خوراک تجدیدپذیر: هر زمان که امکان پذیر باشد، اولویت با بکارگیری خوراک تجدیدپذیر است.
8. کاهش مشتقات: تولید مشتقات غیرضروری باید کاهش پیدا کند چراکه در این فرآیندها به ریجنت های بیشتری نیاز است و همین امر موجب تولید بیشتر پسماند خواهد شد.
9. کاتالیزور: بهره گیری از ریجنت های کاتالیستی با مقدار کم برای تکرار واکنش، نسبت به ریجنت های استوکیومتری مصرفی در واکنش، برتری دارند.
10. طراحی به منظور تجزیه: فرآورده های شیمیایی باید به گونه ای طراحی شوند که آلودگی محیط زیست را به همراه نداشته باشند و زمانی که کارکرد آن ها به اتمام رسید باید به فرآورده هایی بی ضرر تجزیه شوند.
11. رصد لحظه ای جهت پیشگیری از آلودگی: روش های تحلیلی باید بمنظور بکارگیری و رصد لحظه ای در فرآیند، قبل از تشکیل مواد خطرناک، توسعه پیدا کنند.
12. شیمی ایمن برای جلوگیری از اتفاقات تصادفی: هر زمان که امکان پذیر باشد، باید از موادی در فرآیندها استفاده شود که ریسک خطراتی همچون انفجار، آتش سوزی و … کاهش پیدا کنند.

روند بهره گیری از شیمی سبز

تلاش های متعددی برای سنجش میزان پیروی از اصول شیمی سبز صورت گرفته و همچنین، اقداماتی برای تعیین متغیرهای مختلف در شیمی سبز همچون بازده شیمیایی، هزینه اجزای واکنش، ایمنی در مواد شیمیایی، سخت افزارها، پروفایل انرژی و سهولت در آماده سازی و خالص سازی فرآورده ها انجام شده است. شیمی سبز ابزار قدرتمندی برای محققان بمنظور سنجش اثرات زیست محیطی نانوتکنولوژی به شمار می آید. در حقیقت، با توسعه فناوری نانو، تاثیرات این مواد بر روی محیط زیست و سلامت انسان، چه در محصولات و چه در فرآیند تولید باید مد نظر قرار بگیرند.

عناصر مختلف در شیمی سبز

در ادامه قصد داریم تا به برخی از عناصر موجود در جدول تناوبی عناصر بپردازیم تا ماهیت آن ها در شیمی سبز را بیان کنیم. برخی از این عناصر عبارتند از: نیتروژن، اکسیژن، کربن و هیدروژن که بخش اعظمی از اتمسفر را تشکیل می دهند. در میان این عناصر، هیدروژن و اکسیژن در آب، به عنوان سبزترین ترکیبات شناخته می شوند.

• هیدروژن

H2H2 خالص در شرایط معمول، گازی بی رنگ و بی بو است که پایین ترین چگالی را در میان عناصر خالص دارد. از گاز هیدروژن در صنعت به طور گسترده برای واکنش با مواد مختلفی استفاده می شود. سوختن این ماده، با سرعت و آزاد کردن انرژی زیادی همراه است. واکنش سوختن این ماده را در زیر مشاهده می کنید: انرژی 2H2+O2→2H2O+2H2+O2→2H2O+ فرآروده این واکنش آب است. زمانی که از هیدروژن به عنوان سوخت استفاده شود، سوخت بسیار پاکی خواهد بود زیرا علاوه بر آزاد کردن انرژی زیاد، خروجی آن نیز تنها آب خواهد بود. از هیدروژن عنصری به طور گسترده در سنتزهای شیمیایی و سایر کاربردهای صنعتی بهره می گیرند که از آن جمله می توان به الکترولیز آب و پیل های سوختی اشاره کرد. امروزه، هیدروژن در بیشتر موارد از متان به تولید می رسد که حاصل «رفرمینگ بخار» (Steam Reforming) در دما و فشار بالا است که واکنش آن را در زیر مشاهده می کنید. CH4+H2O→CO+3H2CH4+H2O→CO+3H2

• کربن

کربن در هوا به شکل دی اکسید کربن حضور دارد. با وجود این که CO2CO2 به لحاظ حجمی، تنها 0/038 درصد هوا را تشکیل می دهد اما به عنوان منبع کربن برای رشد گیاهان و فتوسنتز به شمار می آید. کربن آلی که در فرآیند فتوسنتز به تولید می رسد، به عنوان ماده خام در تشکیل نفت، ذغال سنگ و سایر سوخت های فسیلی کاربرد دارد. اما با توجه به دشواری های استخراج و حمل و نقل این منابع فسیلی، ترجیح داده می شود که ترکیبات کربن به صورت فتوسنتزی به تولید برسند که از آن جمله می توان به برخی درختان اشاره کرد که با فتوسنتز، با سرعت بسیار زیادی رشد می کنند.

• نیتروژن

همچون کربن، نیتروژن نیز نوعی نافلز محسوب می شود که همانند بیشتر 20 عنصر ابتدایی در جدول تناوبی عناصر، به صورت مولکلول های دو اتمی N2N2 وجود دارد. این عنصر 78 درصد حجم هوا را تشکیل می دهد و به کمک تقطیر هوای مایع جداسازی می شود. نیتروژن در واکنش سوختن و سایر واکنش های شیمیایی شرکت نمی کند و به عبارت دیگر، واکنش پذیر نیست. این خاصیت سبب شده است تا از نیتروژن برای جلوگیری از آتش سوزی و انفجار استفاده شود. زمانی که به دماهای بسیار پایین نیاز داشته باشیم، از نیتروژن مایع کمک می گیریم که نقطه جوشی معادل −190−190 درجه سانتی گراد دارد. از این مایع در سردسازی سریع غذاها و فرآیندهای «خشک کردن انجمادی» (Freeze Drying) استفاده می شود. همچنین برای نگهداری مواد بیولوژیکی در لقاح مصنوعی نیز به نیتروژن مایع نیاز داریم.

• اکسیژن

اکسیژن با عدد اتمی ۸ در گروه 16 جدول تناوبی قرار دارد که در شیمی سبز مورد توجه قرار می گیرد. به دلایل مختلفی می توان این عنصر را در دسته عناصر سبز طبقه بندی کرد. اکسیژن را نیز همانند نیتروژن، به کمک تقطیر هوای مایع، جداسازی می کنند. در سنتزهای شیمیایی و همچنین برش کاری و جوشکاری از این عنصر بهره می گیرند. بر اثر تجزیه فتوشیمیایی O2O2 و ترکیب آن با سایر مولکول های اکسیژن، اوزون بوجود می آید. اوزون، که گونه ای سبز از اکسیژن به شمار می آید، رفتاری دوگانه دارد. اوزون استراتوسفر با توجه به فوایدی که لایه اوزون دارد، برای زندگی انسان و سایر موجودات زنده ضروری است اما تنفس همین اوزون، حتی در غلظت های 1ppm1ppm نیز سمی خواهد بود. همچنین، این ماده، از جمله آلاینده های اصلی هوا و عامل بوجود آمدن مه دود فتوشیمیایی در سطح زمین شناخته می شود. مهمترین مشخصه شیمیایی اکسیژن، توانایی ترکیب شدن آن با سایر مواد در واکنش هایی با بازده انرژی بالا است. یکی از این واکنش ها که بسیاری از افراد با آن آشنایی دارند، سوختن بنزین در موتور خودروها است. این واکنش را در زیر مشاهده می کنید:

انرژی 2C8H18+25O2→16CO2+18H2O+2C8H18+25O2→16CO2+18H2O+

از واکنش های دیگر اکسیژن می توان به کربوهیدرات برای تولید انرژی در بدن اشاره کرد:

انرژی C6H12O6()+6O2→6CO2+6H2OC6H12O6()+6O2→6CO2+6H2O

شیمی سبز در مایعات یونی

بیشتر ترکیبات یونی معمول، همچون سدیم کلرید، جامداتی سخت هستند چراکه یون های تشکیل دهنده آن ها، اندازه به نسبت کوچکی دارند که به صورت فشرده در شبکه بلور، کنار یکدیگر قرار گرفته اند. چنین ترکیباتی، نقطه ذوب بسیار بالایی دارند. در سال های اخیر، ترکیباتی یونی توسعه پیدا کرده اند که در شرایط معمول، به صورت مایع دیده می شوند. یون ها در این مایعات یونی، از مولکول های آلی بزرگی تشکیل شده اند که این مولکول ها، شامل ساختاری با تعداد بسیار زیاد از اتم کربن هستند. این اتم ها، هریک با سایر اتم ها پیوند تشکیل داده اند و یون هایی با بار خالص را ایجاد کرده اند. تراکم این بار خالص نسبت به ترکیبات غیرآلی همچون سدیم کلرید، بسیار کمتر است. این یون های بزرگ در بلور یونی نسبت به یکدیگر به سادگی حرکت می کنند و چنین ترکیباتی، در دمای پایین به صورت مایع هستند. از نمونه های مایعات یونی می توان به «دسیل متیلیمیدازولیوم هگزا فلولئوروفسفات» (Decylmethylimidazolium Hexafluorophosphate) اشاره کرد که در دمای بالای 40 درجه سانتی گراد به صورت مایع قرار دارد. کاربردهای متعددی در شیمی سبز برای مایعات یونی وجود دارند زیرا بسیاری از واکنش های شیمیایی جهت آماده سازی پلیمرها، در حلال های مایع صورت می گیرند. این حلال ها در اثر تبخیر، موجب آلودگی محیط زیست یا مشکلات مدیریت پسماند خواهند شد. علاوه بر این، با وجود این که خواص حلال در سنتزهای شیمیایی نقش مهمی را ایفا می کند، اما تعداد محدودی از این حلال ها وجود دارند. در صورتیکه از مایعات یونی استفاده شود، تنوع بسیاری در کاتیون ها و مایعات خواهیم داشت که در ترکیب با یکدیگر، میلیاردها مایع یونی تشکیل می دهند. با «تنظیم دقیق» (Fine Tuning) خواص این مایعات یونی، می توان از آن ها برای سنتز مورد نظر بهره گرفت. مایعات یونی به راحتی قابل بازیافت هستند و علاوه بر استفاده به عنوان حلال، در جداسازی آلاینده ها نیز کاربرد دارند. به طور مثال، اگر یک مایع یونی را با آب آلوده به فلزات سنگین، همچون سرب یا کادمیم مخلوط کنیم. این مایع با فلزات پیوند تشکیل خواهد داد و با توجه به نامحلول بودن آن در آب، به راحتی قابل جداسازی خواهد بود که نتیجه این امر، بدست آوردن آب خالص است.

نمونه هایی از دستاوردهای شیمیدانهای سبز

1. سوخت های جایگزین سوختهای فسیلی
2. تهیه پلاستیک های سبز و تجزیه پذیر
3. باز طراحی واکنش های شیمیایی
4. چند سازه های زیستی

محصولات شیمی سبز

از آن جایی که محصولات شیمیایی در هر قلمروی از فناوری دیده می شوند، انتظار می رود که نمونه های بسیاری را نیز در زمینه محصولات شیمی سبز شاهد باشیم. در ادامه قصد داریم تا به توضیح برخی از این محصولات بپردازیم.

• ساخت تراشه های کامپیوتر

برای ساخت چیپ های کامپیوتری، مواد شیمیایی، آب و انرژی زیادی به مصرف می رسند. در تحقیقی که سال 2003 انجام شد، مواد شیمیایی و سوخت های فسیلی که برای ساخت یک تراشه کامپیوتری مورد استفاده قرار می گرفت، نسبتی به شکل 630 به 1 داشت که یعنی برای تولید یک تراشه، 630 برابر وزن آن باید از مواد خام بهره گرفت. این نسبت را با نسبت 2 به ۱ برای ساخت یک خودرو مقایسه کنید. دانشمندان فرآیندی را توسعه داده اند که از دی اکسید کربن «فوق بحرانی» (Supercritical)، در یکی از مراحل تولید استفاده شود. این امر به طور مشخصی مقادیر مواد شیمیایی مصرفی، انرژی و آب مورد نیاز برای ساخت تراشه ها را کاهش می دهد. دانشمندان همچنین مطالعاتی را آغاز کرده اند که به کمک آن، در تولید تراشه های کامپیوتری از پر مرغ بهره بگیرند. کراتین موجود در پر مرغ بمنظور تولید نوعی فیبر مورد استفاده قرار می گیرد که در عین سبک بودن، توانایی مقاومت در برابر تنش های مکانیکی و حرارتی را دارد. نتیجه این تحقیقات، ساخت تراشه ها بر پایه «پر» خواهد بود که سرعتی دو برابر سرعت تراشه های فعلی دارند. با وجود این که این فناوری همچنان تحت بررسی قرار دارد اما چنین تحقیقاتی موجب بکارگیری پر به عنوان یکی از منابع مفید در سوخت های زیستی شده است.

• پزشکی

صنایع داروسازی همواره به دنبال راهی برای توسعه محصولاتی با کمترین عوارض جانبی و پسماند سمی هستند. این صنایع به تازگی روشی سنتزی را در تهیه داروهای دیابت بکار گرفته اند که در آن به کمک فرآیندهای آنزیمی، پسماند کاهش می یابد و بازده محصولات افزایش پیدا می کنند. در این روش، نیازی به بهره گیری از کاتالیست های فلزی نیست. تحقیقات نشان داده اند که بیوکاتالیست های جدید می توانند در ساخت سایر داروها مورد استفاده قرار بگیرند. از جمله داروهای مورد نیاز برای کاهش کلسترول خون، داروی سیمواستاتین است. روشی که برای تهیه این دارو مورد استفاده قرار می گیرد، نیاز به بکارگیری مقادیر زیادی از ریجنت های خطرناک دارد و پسماندهای سمی به جای می گذارد اما در روش جدید، از یک آنزیم سنتزی برای این کار استفاده می کنند که هزینه های خوراک ورودی را نیز کاهش می دهد. در نهایت، داروی تولیدی هم به لحاظ اقتصادی و هم به لحاظ زیست محیطی از اصول شیمی سبز پیروی می کند.

• پلاستیک های زیست تخریب پذیر

شرکت های بسیاری وجود دارند که در تلاش برای توسعه پلاستیک هایی با استفاده از منابع زیست تخریب پذیر و تجدیدپذیر هستند. دانشمندان دریافته اند که برخی از میکروارگانیسم ها، نشاسته ذرت را به رزینی تبدیل می کنند که استحکام آن به اندازه پلاستیک های پایه نفتی است که در بطری های آب یا ظروف لبنیات مورد استفاده قرار می گیرند. برخی از شرکت ها در تلاشند تا مواد خام خود را از طریق پسماند محصولات کشاورزی تهیه کنند. شرکت هایی که در این زمینه فعالیت می کنند، محصولاتی زیست تخریب پذیر تولید کرده اند که در تولید کیسه های فروشگاهی کاربرد دارند. این کیسه ها در سیستم های تهیه کمپوست، به سادگی به آب، دی اکسید کربن و بیومس تبدیل می شوند. کیسه های تولیدی در برابر آب، پاره و سوراخ شدن مقاوم هستند و می توان بر روی این مواد الاستیک، فرآیند چاپ و طراحی انجام داد. بهره گیری از این کیسه ها به جای کیسه های پلاستیکی، از موارد مورد توجه در شیمی سبز به شمار می آید.

• رنگ ها

رنگ روغن های «آلکید» (Alkyd)، مقادیر زیادی ترکیبات فرار آلی به همراه دارند. این ترکیبات فرار، با تبخیر، اثرات زیست محیطی را به جای می گذارند. به تازگی با مخلوط کردن سویا، روغن و شکر، حلال ها و رزین هایی به تولید می رسند که در آن ها، ترکیبات فرار به میزان ۵۰ درصد کاهش پیدا کرده اند و جایگزین مناسبی برای حلال های نفتی به شمار می آیند و در نهایت، رنگ هایی تولید می شوند که پسماند سمی کمتری از خود به جای می گذارند. همچنین، رنگ های اکرلیکی به تولید رسیده اند که از از بطری های بازیافتی و روغن دانه سویا در تهیه آن ها استفاده شده است.

همه چیز در مورد بتن هوشمند و عملکرد آن