شیمی سبز — به زبان ساده

شیمی سبز که به آن «شیمی پایدار» (Sustainable Chemistry) هم می‌گویند، به بخشی از رشته شیمی و مهندسی شیمی مرتبط می‌شود که تمرکز آن بر طراحی محصولات و فرآیندهایی است که استفاده و تولید مواد آلاینده خطرناک را به حداقل می‌رسانند یا حذف می‌کنند. در کنار علم «شیمی محیط زیست» (Environmental Chemistry) که بر روی اثرات آلاینده مواد شیمیایی در طبیعت تمرکز دارد، شیمی سبز تمرکز خود را بر روی روش‌های فناورانه در کاهش آلایندگی و مصرف منابع تجدیدناپذیر قرار داده است. اهداف شیمی سبز را می‌توان در زمینه‌های گسترده‌ای جای داد که بیشتر آن‌ها معطوف به طراحی مولکول‌ها، مواد، محصولات و فرآیندهایی است که شامل منابع کارآمد و ایمن باشند.

تاریخچه شیمی سبز

شیمی سبز حاصل تلاش‌ها و ایده‌های مختلف در زمینه‌های اقتصادی اتم و کاتالیست‌ها است که در دهه 1990 با افزایش توجه به مشکلات آلاینده‌های 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.

فیلم آموزش شیمی عمومی – جامع و با مفاهیم کلیدی در فرادرس

کلیک کنید

در حقیقت، به جای بهره‌گیری از دستورات و قوانین کنترل کننده و لزوم کاهش آلاینده‌های 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.

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 گستره‌ای از روش‌ها برای کاهش اثرات زیست محیطی تولیدات شیمیایی بودند که علاوه بر این، اولویت‌های تحقیقاتی مرتبط با توسعه فناوری شیمی سبز را نیز شامل می‌شدند. این اصول، مفاهیم زیر را پوشش می‌دهند:

• طراحی فرآیندهایی برای بیشترین بازده تولید از مواد خام
• بهره‌گیری از مواد و منابع انرژی تجدیدپذیر
• استفاده از مواد و حلال‌های بی‌خطر  برای محیط زیست
• طراحی فرآیندهایی با بهره‌وری انرژی بالا
• مباحث مربوط به مدیریت پسماند

در ادامه، به اصول دوازده‌گانه شیمی سبز می‌پردازیم:

1. پیشگیری: جلوگیری از تولید پسماند بهتر از پاکسازی یا تصفیه آن بعد از تولید است.
2. اقتصاد اتم: از روش‌های 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: روش‌های سنتزی باید از تولید و استفاده از مواد سمی برای انسان یا محیط زیست، جلوگیری کنند.
4. طراحی مواد شیمیایی ایمن: فرآورده‌های شیمیایی باید به گونه‌ای طراحی شوند که علاوه بر داشتن عملکرد مناسب، سمی نیز نباشند.
5. حلال‌ها و مواد ایمن: تا حد امکان، بهره‌گیری از حلال‌ها و ریجنت‌ها و سایر مواد کمکی محدود شود. در صورت نیاز، از مواد غیر سمی استفاده شود.
6. طراحی به منظور بازده انرژی: بهره‌گیری 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 امکان‌پذیر باشد، اولویت با بکارگیری خوراک تجدیدپذیر است.
8. کاهش مشتقات: تولید مشتقات غیرضروری باید کاهش پیدا کند چراکه در این فرآیندها به ریجنت‌های بیشتری نیاز است و همین امر موجب تولید بیشتر پسماند خواهد شد.
9. کاتالیزور: بهره‌گیری از ریجنت‌های کاتالیستی با مقدار کم برای تکرار واکنش، نسبت به ریجنت‌های استوکیومتری مصرفی در واکنش، برتری دارند.
10. طراحی به منظور تجزیه: فرآورده‌های شیمیایی باید به گونه‌ای طراحی شوند که آلودگی محیط زیست را به همراه نداشته باشند و زمانی که کارکرد آن‌ها به اتمام رسید باید به فرآورده‌هایی بی‌ضرر تجزیه شوند.
11. رصد لحظه‌ای جهت پیشگیری از آلودگی: روش‌های تحلیلی باید بمنظور بکارگیری و رصد لحظه‌ای در فرآیند، قبل از تشکیل مواد خطرناک، توسعه پیدا کنند.
12. شیمی ایمن برای جلوگیری از اتفاقات تصادفی: هر زمان که امکان‌پذیر باشد، باید از موادی در فرآیندها استفاده شود که ریسک خطراتی همچون انفجار، آتش‌سوزی و ... کاهش پیدا کنند.

روند بهره‌گیری از شیمی سبز

تلاش‌های 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، سخت‌افزارها، پروفایل انرژی و سهولت در آماده‌سازی و خالص‌سازی فرآورده‌ها انجام شده است.

فیلم آموزش شیمی ۱ – پایه دهم در فرادرس

کلیک کنید

شیمی سبز ابزار قدرتمندی برای محققان بمنظور سنجش اثرات زیست‌محیطی نانوتکنولوژی به شمار می‌آید. 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 آن‌ها در شیمی سبز را بیان کنیم. برخی از این عناصر عبارتند از: نیتروژن، اکسیژن، کربن و هیدروژن که بخش اعظمی از اتمسفر را تشکیل می‌دهند. در میان این عناصر، هیدروژن و اکسیژن در آب، به عنوان سبزترین ترکیبات شناخته می‌شوند.

هیدروژن

$$H_2$$ خالص در شرایط معمول، گازی بی‌رنگ و بی‌بو است که پایین‌ترین چگالی را در میان عناصر خالص دارد. از گاز هیدروژن در صنعت به طور گسترده برای واکنش با مواد مختلفی استفاده می‌شود. سوختن این ماده، با سرعت و آزاد کردن انرژی زیادی همراه است. واکنش سوختن این ماده را در زیر مشاهده می‌کنید:

انرژی $$\begin {equation}2 \mathrm {H}_ {2}+ \mathrm {O}_{2} \rightarrow 2 \mathrm {H}_{2} \mathrm { O}+ \end {equation}$$

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 می‌گیرند که از آن‌جمله می‌توان به الکترولیز آب و پیل‌های سوختی اشاره کرد. امروزه، هیدروژن در بیشتر موارد از متان به تولید می‌رسد که حاصل «رفرمینگ بخار» (Steam Reforming) در دما و فشار بالا است که واکنش آن‌را در زیر مشاهده می‌کنید.

$$\begin {equation} \mathrm {CH} _ {4}+ \mathrm {H}_{2} \mathrm {O}\rightarrow \mathrm {C O}+ 3 \mathrm { H}_ {2} \end {equation}$$

کربن

کربن در هوا به شکل دی‌اکسید کربن حضور دارد. با وجود این‌که $$CO_2$$ به لحاظ حجمی، تنها 0/038 درصد هوا را تشکیل می‌دهد اما به عنوان منبع کربن برای رشد گیاهان و فتوسنتز به شمار می‌آید. کربن آلی که در فرآیند فتوسنتز به تولید می‌رسد، به عنوان ماده خام در تشکیل نفت، ذغال‌سنگ و سایر سوخت‌های فسیلی کاربرد دارد. اما با توجه به دشواری‌های استخراج و حمل و نقل این منابع فسیلی، ترجیح داده می‌شود که ترکیبات کربن به صورت فتوسنتزی به تولید برسند که از آن‌جمله می‌توان به برخی درختان اشاره کرد که با فتوسنتز، با سرعت بسیار زیادی رشد می‌کنند.

نیتروژن

همچون کربن، نیتروژن نیز نوعی نافلز محسوب می‌شود که همانند بیشتر 20 عنصر ابتدایی در جدول تناوبی عناصر، به صورت مولکلول‌های دو‌اتمی $$N_2$$ وجود دارد. این عنصر  78 درصد حجم هوا را تشکیل می‌دهد و به کمک تقطیر هوای مایع جداسازی می‌شود. نیتروژن در واکنش سوختن و سایر واکنش‌های شیمیایی شرکت نمی‌کند و به عبارت دیگر، واکنش‌پذیر نیست. این خاصیت سبب شده است تا از نیتروژن برای جلوگیری از آتش‌سوزی و انفجار استفاده شود.

زمانی که به دماهای بسیار پایین نیاز داشته باشیم، از نیتروژن مایع کمک می‌گیریم که نقطه جوشی معادل $$-190$$ درجه سانتی‌گراد دارد. از این مایع در سردسازی سریع غذاها و فرآیندهای «خشک کردن انجمادی» (Freeze Drying) استفاده می‌شود. 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 می‌گیرد. به دلایل مختلفی می‌توان این عنصر را در دسته عناصر سبز طبقه‌بندی کرد. اکسیژن را نیز همانند نیتروژن، به کمک تقطیر هوای مایع، جداسازی می‌کنند. در سنتزهای شیمیایی و همچنین برش‌کاری و جوشکاری از این عنصر بهره می‌گیرند. بر اثر تجزیه فتوشیمیایی $$O_2$$ و ترکیب آن با سایر مولکول‌های اکسیژن، اوزون بوجود می‌آید. اوزون، که گونه‌ای سبز از اکسیژن به شمار می‌آید، 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 غلظت‌های $$1 ppm$$ نیز سمی خواهد بود. همچنین، این ماده، از جمله آلاینده‌های اصلی هوا و عامل بوجود آمدن مه‌دود فتوشیمیایی در سطح زمین شناخته می‌شود.

مهمترین مشخصه شیمیایی اکسیژن، توانایی ترکیب شدن آن با سایر مواد در واکنش‌هایی با بازده انرژی بالا است. یکی از این واکنش‌ها که بسیاری از افراد با آن آشنایی دارند، سوختن بنزین در موتور خودروها است. این واکنش را در زیر مشاهده می‌کنید:

انرژی $$\begin{equation} 2 \mathrm {C} _ {8} \mathrm {H} _{18}+25 \mathrm {O} _ {2} \rightarrow 16 \mathrm {C O} _ {2} +18 \mathrm { H} _{2} \mathrm { O} + \end {equation}$$

از واکنش‌های دیگر اکسیژن می‌توان به کربوهیدرات برای تولید انرژی در بدن اشاره کرد:

انرژی $$\begin {equation} \mathrm {C} _{6} \mathrm {H}_{12} \mathrm {O}_ {6}(\mathrm{}) + 6 \mathrm{O}_ {2} \rightarrow 6 \mathrm { C O }_{2}+ 6 \mathrm {H} _{2} \mathrm {O} \end {equation}$$

شیمی سبز در مایعات یونی

بیشتر ترکیبات یونی معمول، همچون سدیم کلرید، جامداتی سخت هستند چراکه یون‌های تشکیل دهنده آن‌ها، اندازه به نسبت کوچکی دارند که به صورت فشرده در شبکه بلور،‌ کنار یکدیگر قرار گرفته‌اند. چنین ترکیباتی، نقطه ذوب بسیار بالایی دارند. در سال‌های اخیر، ترکیباتی یونی توسعه پیدا کرده‌اند که در شرایط معمول، به صورت مایع دیده می‌شوند. یون‌ها در این مایعات یونی،‌ از مولکول‌های آلی بزرگی تشکیل شده‌اند که این مولکول‌ها، شامل ساختاری با تعداد بسیار زیاد از اتم کربن هستند. این اتم‌ها، هریک با سایر اتم‌ها پیوند تشکیل داده‌اند و یون‌هایی با بار خالص را ایجاد کرده‌اند. تراکم این بار خالص نسبت به ترکیبات غیرآلی همچون سدیم کلرید، بسیار کمتر است. این یون‌های بزرگ در بلور یونی نسبت به یکدیگر به سادگی حرکت می‌کنند و چنین ترکیباتی، در دمای پایین به صورت مایع هستند.

از نمونه‌های مایعات یونی می‌توان به «دسیل متیلیمیدازولیوم هگزا فلولئوروفسفات» (Decylmethylimidazolium Hexafluorophosphate) اشاره کرد که در دمای بالای 40 درجه سانتی‌گراد به صورت مایع قرار دارد. کاربردهای متعددی در شیمی سبز برای مایعات یونی وجود دارند زیرا بسیاری از واکنش‌های شیمیایی جهت آماده‌سازی پلیمرها، در حلال‌های مایع صورت می‌گیرند. این حلال‌ها در اثر تبخیر، موجب آلودگی محیط زیست یا مشکلات مدیریت پسماند خواهند شد. علاوه بر این، با وجود این‌که خواص حلال در سنتزهای شیمیایی نقش مهمی را ایفا می‌کند، اما تعداد محدودی از این حلال‌ها وجود دارند. در صورتیکه از مایعات یونی استفاده شود، تنوع بسیاری در کاتیون‌ها و مایعات خواهیم داشت که در ترکیب با یکدیگر، میلیاردها مایع یونی تشکیل می‌دهند. با «تنظیم دقیق» (Fine Tuning) خواص این مایعات یونی، می‌توان از آن‌ها برای سنتز مورد نظر بهره گرفت.

مایعات یونی به راحتی قابل بازیافت هستند و علاوه بر استفاده به عنوان حلال، در جداسازی آلاینده‌ها 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.

محصولات شیمی سبز

از آن‌جایی که محصولات شیمیایی در هر قلمروی از فناوری دیده می‌شوند، انتظار می‌رود که نمونه‌های بسیاری را نیز در زمینه محصولات شیمی سبز شاهد باشیم. در ادامه قصد داریم تا به توضیح برخی از این محصولات بپردازیم.

فیلم مجموعه آموزش دروس شیمی – از دروس دانشگاهی تا کاربردی در فرادرس

کلیک کنید

ساخت تراشه‌های کامپیوتر

برای ساخت چیپ‌های کامپیوتری،‌ مواد شیمیایی، آب و انرژی زیادی به مصرف می‌رسند. در تحقیقی که سال 2003 انجام شد، مواد شیمیایی و سوخت‌های فسیلی که برای ساخت یک تراشه کامپیوتری مورد استفاده قرار می‌گرفت، 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 داده‌اند که از دی‌اکسید 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 تراشه‌ها را کاهش می‌دهد. دانشمندان همچنین مطالعاتی را آغاز کرده‌اند که به کمک آن، در تولید تراشه‌های کامپیوتری از پر مرغ بهره بگیرند. کراتین موجود در پر مرغ بمنظور تولید نوعی فیبر مورد استفاده قرار می‌گیرد که در عین سبک بودن، توانایی مقاومت در برابر تنش‌های مکانیکی و حرارتی را دارد. نتیجه این تحقیقات، ساخت تراشه‌ها بر پایه «پر» خواهد بود که سرعتی دو برابر سرعت تراشه‌های فعلی دارند. با وجود این‌که این فناوری همچنان تحت بررسی قرار دارد اما چنین تحقیقاتی موجب بکارگیری پر به عنوان یکی از منابع مفید در سوخت‌های 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 گرفته‌اند که در آن به کمک فرآیندهای آنزیمی، پسماند کاهش می‌یابد و بازده محصولات افزایش پیدا می‌کنند. در این روش، نیازی به بهره‌گیری از کاتالیست‌های فلزی نیست. تحقیقات نشان داده‌اند که بیوکاتالیست‌های جدید می‌توانند 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 می‌گیرد، نیاز به بکارگیری مقادیر زیادی از ریجنت‌های خطرناک دارد و پسماندهای سمی به جای می‌گذارد اما در روش جدید، از یک آنزیم سنتزی برای این کار استفاده می‌کنند که هزینه‌های خوراک ورودی را نیز کاهش می‌دهد. در نهایت، داروی تولیدی هم به لحاظ اقتصادی و هم به لحاظ زیست محیطی از اصول شیمی سبز پیروی می‌کند.

پلاستیک‌های زیست تخریب پذیر

شرکت‌های بسیاری وجود دارند که در تلاش برای توسعه پلاستیک‌هایی با استفاده از منابع زیست تخریب‌پذیر و تجدیدپذیر هستند. دانشمندان دریافته‌اند که برخی از میکروارگانیسم‌ها، نشاسته ذرت را به رزینی تبدیل می‌کنند که استحکام آن به اندازه پلاستیک‌های پایه نفتی است که در بطری‌های آب یا ظروف لبنیات مورد استفاده قرار می‌گیرند. برخی از شرکت‌ها در تلاشند تا مواد خام خود را از طریق پسماند محصولات کشاورزی تهیه کنند.

شرکت‌هایی که در این زمینه فعالیت می‌کنند، محصولاتی زیست‌ تخریب‌پذیر تولید کرده‌اند که در تولید کیسه‌های فروشگاهی کاربرد دارند. این کیسه‌ها در سیستم‌های تهیه کمپوست، به سادگی به آب، دی‌اکسید کربن و بیومس تبدیل می‌شوند. کیسه‌‌های تولیدی در برابر آب، پاره و سوراخ شدن مقاوم هستند و می‌توان بر روی این مواد الاستیک، فرآیند چاپ و طراحی انجام داد. بهره‌گیری از این کیسه‌ها به جای کیسه‌های پلاستیکی، از موارد مورد توجه در شیمی سبز به شمار می‌آید.

رنگ‌ها

رنگ‌ روغن‌های «آلکید» (Alkyd)، مقادیر زیادی ترکیبات فرار آلی به همراه دارند. این ترکیبات فرار، با تبخیر، اثرات زیست محیطی را به جای می‌گذارند. به تازگی با مخلوط کردن سویا، روغن و شکر، حلال‌ها و رزین‌هایی به تولید می‌رسند که در آن‌ها، ترکیبات فرار به میزان ۵۰ درصد کاهش پیدا کرده‌اند و جایگزین مناسبی برای حلال‌های نفتی به شمار می‌آیند و در نهایت، رنگ‌هایی تولید می‌شوند که پسماند سمی کمتری از خود به جای می‌گذارند. همچنین، رنگ‌های اکرلیکی به تولید رسیده‌اند که از از بطری‌های بازیافتی و روغن دانه سویا در تهیه آن‌ها استفاده شده است.

اگر این مطلب برای شما مفید بوده است، آموزش‌ها و مطالب زیر نیز به شما پیشنهاد می‌شوند:

• مجموعه آموزش‌های دروس شیمی
• مجموعه آموزش‌های نرم‌افزارهای مهندسی شیمی
• آموزش شیمی تجزیه ۱
• شیمی فضایی — به زبان ساده
• اوربیتال مولکولی — به زبان ساده

^^