Chimia verde - durabil Conf. dr. SIMONESCU CLAUDIA

Continutul cursului

CapitolulConinutulNr. ore1Principii i concepte ale Chimiei verzi 1.1. Introducere1.2. Principiile chimiei verzi1.3. Concepte ale chimiei verzi1.4. Dezvoltarea durabil i chimia verde4h2 Resurse regenerabile2.1.Surse regenerabile de energie (biomasa, biogazul, vntul, soarele, undele geotermale, hidroenergia, energia valurilor i energia mareelor)2.2. Valoarea energetic a biomasei2.3. Transformarea resurselor bioregenerabile n energie2.4. Obinerea hidrogenului prin fotodisocierea apei2.5. Strategia european pentru o energie durabil8h3 Eficiena energetic 3.1. Surse de energie i utilizare 3.2. Fotochimia, chimia sub aciunea microundelor, sonochimie, electrosintez2h4 Cataliza i chimia verde 4.1. Noiuni introductive privind cataliza i chimia verde 4.2. Biocataliza2h5 Reacii de oxidare Metode tradiionale i metode alternative verzi2h6 Solveni verzi: Soluii nepoluante pentru mediu 6.1. Fluide supercritice 6.2. Lichide ionice 6.3. Apa ca solvent n diferite reacii 6.4. Solveni bifazici cu fluor3h7 Producerea deeurilor, probleme i prevenire 7.1. Introducere 7.2. Surse de deeuri din industria chimic i industria alimentar 7.3. Costuri ale deeurilor 7.4. Tehnici de minimizare a deeurilor6h8 Tehnologiile ecologicecale ctre dezvoltarea industrial durabil Politici orientate spre produse ecologice; legislatie de mediu1hTotal:28h

Continutul aplicatiilor de laborator

ConinutulNr. oreLaborator 1Prezentarea normelor de protecia muncii n laboratorul de chimia verde, prezentarea laboratorului i a lucrrilor de laborator2hLaborator 2Determinarea capacitii de schimb ionic a unui schimbtor de cationi4hLaborator 3Aplicaii ale metodelor verzi n epurarea apelor reziduale cu coninut de ioni metalici prin schimb ionic4hLaborator 4Epurarea apelor reziduale acide sau amoniacale cu valorificarea substanelor utile4hLaborator 5Aplicaii ale resurselor regenerabile4hLaborator 6Metod verde de ndeprtare a ionilor amoniu din apele reziduale folosind materiale naturale4hLaborator 7Analiza ciclului de via a produselor exemplificri; determinarea ciclului de via pentru diferite tipuri de produse4hLaborator 8Evaluarea activitii de laborator2hTotal:28h

Evaluarea

Activitile evaluate i ponderea fiecreia:Studenii vor fi evaluai n mod continuu, pe perioada semestrului universitar, precum i final:- activitate practic (laborator) 20% din nota finalevaluare final (scris+oral)80% din nota final

Cerinele minimale pentru promovare:promovarea activitii practice (laborator) minim nota 5 (10 puncte)promovarea examenului (scris+oral)minim nota 5 (40 puncte)promovarea disciplinei (nota final)minim nota 5 (45 puncte)

Calculul notei finale: activitate practic (laborator)20 puncteevaluare final80 puncteNOTA finalpuntaj final/10 rotunjit (35-44 puncte = nota 4; 45-54 puncte = nota 5)

Bibliografie1) Kirchhoff, M.; Ryan, M.A., Editors. Greener Approaches to Undergraduate Chemistry Experiments. ACS: Washington, DC, 2002.2) Lancaster, M. Green Chemistry: An Introductory Text. Royal Society of Chemistry: London, 2002.3) Ryan, M.A.; Tinnesand, M., Editors. Introduction to Green Chemistry. ACS: Washington, DC, 2002.4) Simonescu, C.M., Stnescu, R. Noiuni introductive de ecologie, Ed. Printech 2005, ISBN 973-718-242-1.5) Simonescu C.M., Stnescu R., Szabolcs L. Poluarea i protecia mediului, Editura Printech, Bucureti, 2002.6) Doble, M., Kruthiventi, A.K., Green Chemistry & Engineering, Ed. Elsevier Science & Technology Books, 2007.7) Clark, J., Macquarrie, D., Handbook of Green Chemistry and Technology, Ed. Blackwell Science Ltd., 2002, p.10-27.8) Afonso, C.A.M., Crespo, J.G., Green Separation Processes, Ed. Wiley-VCH Verlag GmbH&Co. KGaA, Weinheim, 2005, ISBN 3-527-30985-3.

Noiuni introductivechimia a adus schimbri majore n modul de via al omenirii

industria chimic:- transporturi; - industria textil; - sport; - industria alimentar; - medicin; - agricultur; - birouri (serviciu); - acas.

Beneficii ale industriei chimice

dezvoltare durabil i chimie verde - aproximativ 20 de ani.

Discuii referitoare la durabilitate au nceput, n principiu, n anul 1987, cnd Comisia Mondial pentru Mediu i Dezvoltare, nfiinat de Naiunile Unite (Comisia Brundtland) a subliniat existena a dou probleme majore:

dezvoltarea nu nseamn doar profituri mai mari i standarde mai nalte de trai pentru un mic procent de populaie, ci creterea nivelului de trai al tuturor;

dezvoltarea nu ar trebui s implice distrugerea sau folosirea nesbuit a resurselor noastre naturale, nici poluarea mediului nconjurtor

dezvoltarea durabil - urmrete satisfacerea nevoilor prezentului, fr a compromite posibilitile generaiilor viitoare de a-i satisface propriile nevoi

chimie durabil, chimia verde - proiectarea, dezvoltarea i implementarea de produse i procese chimice pentru reducerea sau eliminarea utilizrii i generrii de substane periculoase pentru sntatea uman i pentru mediu

Chimia verde = chimie benign se afl in centrul ecologiei industrialeEcologie industrial = studiul materialelor si energiei prin sistemele industrialechimia verde - instrument de reducere a deeurilor i emisiilor nc de la surs.

Instrument important n obinerea unor tehnologii durabile i dezvoltrii unei industrii ecologice.

Ecosistemelor industrialeimit eficiena fluxului de materiale n ecosistemele naturaleprintr-o circulaie optim a materialelor i energiei

Substituirea de materii prime virgine cu materialele folosite i produse (de exemplu, deeuri) n timpul proceselor de producie Extracia este minimizat Cantitatea de deeuri produs este redus Eficiena utilizrii materialelor este maxim

nchiderea buclei materiale/produse = reducerea la minimum a daunelor aduse mediului

Ecologia industrial

RefabricareReciclareTratareExtracieProcesareFabricareConsumDeeuriSISTEM INDUSTRIAL

nchiderea buclei (circuitului) cu privire la utilizarea materialelorSisteme industriale curenteextracieprocesarefabricareconsumdeeuriSisteme industriale (eco) cu circuit (bucl) nchis

procesarefabricareconsumreciclarerefabricarereutilizareextracie

Chimia verde difer de abordrile anterioare n ceea ce privete protecia mediului:

se adreseaz cu precdere riscului dect expunerii;are n vederea beneficiile economice n detrimentul pierderilor economice;este neobinuit;previne apariia problemelor, nainte de a le produce, prin evitarea modurilor de abordare;ia n considerare impactul ciclului de via al unui produs, proces nc din faza de proiectare.

Prevenire & ReducereReciclare & ReutilizareTratareDepozitareIerarhia prevenirii polurii

Noi paradigme

10 ani Hutzinger - dezbatere noiunile verde n opoziie cu durabil legate de termenul chimie.

Dezbaterea controversat a reprezentat rspunsul la discuiile avute n cadrul Federaiei Societilor de Chimie Europene Divizia pentru Chimie i Mediu, singura divizie cu adevrat multinaional european de Chimie a Mediului.

Hutzinger - cercettori utilizeaz engleza ca o tiin lingua franca (n latin acest termen - o limb comun, de comunicare, limba utilizat n documentele oficiale i n administraie) insa trebuie luai n considerare i factorii socio-culturali care dau numeroase nelesuri termenilor i cuvintelor.

verde, n context cultural are nelesuri diferite n ri: SUA i Germania.

n SUA i Marea Britanie chimia verde - sinonim cu procese chimice industriale care previn (nltur) pe ct este posibil formarea de produi secundari (toxici). Aceasta determin transformarea industriei ntr-o industrie verde (curat).

n Germania termenul verde - are nelesuri politico-sociologice - de exemplu teama de a determina nchideri de fabrici (instalaii) n industria chimic i opoziia general fa de proiecte de inginerie genetic i energie a atomilor manifestat de Partidul Verde.

S-a manifestat o opoziie puternic fa de termenul chimie verde de ctre IUPAC (Uniunea Internaional de Chimie Pur i Aplicat), OECD (Organizaia pentru cooperarea economic i dezvoltare), CEFIC (Consiliul European al Industriei Chimice) i GDCh (Societatea German de Chimie) conduse de membrii vorbitori de limb german. n plus termenul verde - eliminat de ctre Comisia European n seciunea a cincea a programului cadru - determinat de membrii vorbitori de limb german.

chimie verde i chimie durabil termeni diferiti.

Chimia durabil - ntreinerea i continuarea dezvoltrii n sens ecologic, n timp ce chimia verde se concentreaz pe proiectarea, fabricarea i utilizarea de substane chimice i procese chimice care au impact negativ redus sau care nu au un impact negativ asupra mediului i care sunt fezabile att din punct de vedere economic, ct i tehnologic.

n Europa, n afar de Marea Britanie - preferat termenul de chimie durabil i nu termenul de chimie verde.

Chimia - o parte foarte important a vieii de zi cu zi.dezvoltrile din domeniul chimiei se reflect n problemele de mediu i cele aduse organismelor, apare necesitatea obinerii de produse chimice verzi. exemplu DDT (dicloro-difenil-tricloretanul).De ce avem nevoie de chimia verde?

n SUA, Actul de Prevenire a Polurii (PPA) elaborat n 1990, stabilete reducerea surselor de poluare ca fiind prioritatea primordial pentru rezolvarea problemelor mediului nconjurtor [Anastas, 2002].

n 1991, Biroul de Prevenire a Polurii din cadrul Ageniei pentru Protecia Mediului din SUA (EPA) - primul proiect de cercetare din domeniul chimiei verzi. n 1993, programul lansat de EPA a adoptat denumirea de Programul SUA Chimia Verde.

n prima parte a anilor 90, att Italia ct i Marea Britanie, au avut iniiative n domeniul chimiei verzi, stabilind programe de cercetare i educaie.

Japonia a organizat Reeua Durabilitii i Chimiei Verzi (GSCN).

Primele cri, articole i simpozioane referitoare la chimia verde au aprut n anii 90, iar n anul 1999 a fost inaugurat prima ediie a jurnalului de Chimie Verde, sponsorizat de ctre Royal Society of Chemistry. ISTORIC

Principiile chimiei verziPrevenirea: e de preferat prevenirea formrii deeurilor dect tratarea sau eliminarea acestora dup obinere,

Economia de atomi: utilizarea unor metode de sintez care s foloseasc ntreaga cantitate de reactani n vederea obinerii produsului final de reacie,

Sinteze chimice mai puin periculoase: utilizarea unor metode de sintez a unor substane chimice cu toxicitate foarte mic sau chiar netoxice att pentru oameni, ct i pentru mediul nconjurtor,

Obinerea unor substane chimice mai sigure: obinerea unor substane chimice, care s aib efectul dorit i o toxicitate ct mai mic,

Solveni i materiale auxiliare mai sigure: utilizarea ct mai rar a materialelor auxiliare,

mbuntirea eficienei energetice: energia necesar proceselor chimice ar trebui s fie minimizat. Metodele de sintez ar trebui s aib loc la presiune atmosferic i la temperatura camerei,

Utilizarea de materii prime regenerabile: utilizarea de materii prime regenerabile mai degrab dect a celor epuizabile.

Reducerea utilizrii derivailor: evitarea sau minimizarea derivatizrii inutile (blocarea unor grupri funcionale, protejarea/ deprotejarea, modificarea temporar a proceselor fizice/ chimice), deoarece o asemenea etap ar necesita reactivi suplimentari i deeuri ulterioare.

Cataliza: reactivii catalitici (selectivi pe ct posibil) sunt superiori reactivilor stoechiometrici,

Obinerea de substane chimice care s se degradeze dup utilizare: sinteza unor substane chimice care s poat fi transformate n compui inofensivi pentru mediul nconjurtor,

Analiza n timp real pentru prevenirea polurii: includerea monitorizrii i controlului n timp real la desfurarea sintezelor pentru minimalizarea sau eliminarea formrii de produse secundare.

Prevenirea accidentelor: metodele de sintez a unor substane chimice se vor alege astfel nct s se reduc potenialele accidente chimice, inclusiv explozii, incendii i scurgeri n mediu [Anastas, 1998].

Pricipalele cuvinte cheie n cele 12 principii ale chimiei verziPuinSigurProcese orientateReducerea deeurilorDurabilitate.

Cuvintele cheie grupate n jurul urmtoarelor:1. Utilizarea unui numr redus de substane chimice, solveni i mai puin energie.

2. Utilizarea de materiale sigure, procese sigure i solveni nepericuloi.

3. Procesele trebuie s fie eficiente, fr deeuri, fr derivatizare i trebuie s utilizeze catalizatori,

4. Deeurile generate trebuie s fie monitorizate n timp real i trebuie s se degradeze uor.

5. Toate substanele chimice, materiile prime, solvenii i energia trebuie s fie regenerabile sau durabile.

Figura 1. Chimia verde ca proces de reducere

1. Prevenirea (eliminarea) formrii de deeuri cele mai multe dintre reactii conduc la obinerea de produi nedorii (deeuri) care trebuie eliminai din proces.

a evita formarea de deeuri se pot aplica urmtoarele: - fie se utilizeaz catalizatori care se pot recupera uor, - fie se nlocuiesc vechii catalizatori cu unii mult mai eficieni i care pot fi recuperai, - fie se nlocuiesc metodele tradiionale de obinere a compuilor respectivi cu alte alternative n care nu are loc formarea de deeuri.

Exemple de reacii - transformate n reacii verzi.

protejarea anumitor grupri, utilizate frecvent n industria farmaceutic reprezint o surs important de deeuri. - cantiti stoechiometrice de materii prime;- mari productoare de deeuri din materiile prime utilizate, - necesit i dou etape suplimentare n care se utilizeaz volume mari de solveni- se nregistreaz randamente reduse. - trebuie evitat utilizarea reactivilor auxiliari pentru protejarea gruprilor funcionale.

Reacia de obinere a acidului 6-aminopenicilanic - intermediar obinerea antibioticelorprotejarea gruprii carboxilat din penicilina G prin sililare (figura 2).

Figura 2. Obinerea acidului 6-aminopenicilanicprocesul biocatalitic - acilaza penicilinei imobilizat pe un suport pentru a dezacetila n mod direct penicilina G.Avantaje: nu implic utilizarea diclormetanului ca solvent i a apei; decurge cu economie de energie, deoarece reacia are loc la 30C i nu la -50C ct era necesar n etapa de protejare a gruprii carboxilice;implic probleme reduse din punct de vedere al siguranei deoarece nu se mai utilizeaz PCl5 care este toxic.

Este mult mai bine a preveni formarea de deseuri decat a trata un deseu dupa ce s-a format

Proces Chimic

*