Chemia stosowana i zarządzanie chemikaliami - notatki egzamin

ZIELONA CHEMIA

sustainable development (zrównoważony rozwój) - zaspokojenie potrzeb obecnych pokoleń bez naruszenia możliwości przyszłych pokoleń do zaspokojenia swoich potrzeb

Zrównoważony rozwój musi pogodzić trzy cele:

ekonomiczny, środowiskowy i społeczny

(3E - Economy, Environment, Equity)

Zielona chemia jest to projektowanie produktów i procesów chemicznych, które zmieniają lub eliminują użycie i wytwarzanie niebezpiecznych substancji.

Termin „niebezpieczne substancje” ma bardzo szerokie znaczenie:

• fizyczne (np. palność, zagrożenie eksplozją),

• toksykologiczne (np. rakotwórczość, mutagenność),

• globalne (np. wpływ na zanikanie ozonu, zmiany klimatyczne, zasoby czystej wody, surowców).

„Projektowanie” natomiast związane jest ze świadomym i rozważnym

zastosowaniem kryteriów, zasad i metodologii zielonej chemii w przemyśle.

zasada oszczędności atomowej - eliminacja lub ograniczenie produktów ubocznych w nowoczesnych syntezach chemicznych poprzez wkomponowanie możliwie wszystkich atomów znajdujących się w wyjściowych reagentach w produkt reakcji

czynnik środowiskowy (E-factor): E=masa odpadów [kg]/1kg produktu

Koncepcja Skumulowanego Zapotrzebowania na Energię (Cumulative Energy Demand – CED)

Trzy fazy cyklu życia produktu

Produkcja (P) + Wykorzystanie (Z) + Utylizacja (U)

CED = CED_P + CED_Z + CED_U

Zasady zielonej chemii:

1. Lepiej zapobiegać tworzeniu zanieczyszczeń i odpadów niż je unieszkodliwiać.

2. Syntezy powinny być projektowane w taki sposób, aby do końcowego produktu wprowadzić jak najwięcej materiałów wyjściowych (ekonomia atomów).

3. Tam, gdzie to tylko możliwe, syntezy chemiczne powinny być przeprowadzane z udziałem reagentów i materiałów nietoksycznych lub o nieznacznej toksyczności dla ludzkiego zdrowia i środowiska naturalnego.

4. Powinno się dążyć do wytwarzania produktów alternatywnych, które zachowując swoje funkcje (np. lecznicze lub owadobójcze), są nietoksyczne.

5. Substancje pomocnicze (rozpuszczalniki, czynniki rozdzielania itp.) powinny być wyeliminowane, a tam gdzie to niemożliwe należy stosować substancje nieszkodliwe.

6. Niezbędna jest szczegółowa analiza i konieczność minimalizowania nakładów energetycznych. Należy dążyć do prowadzenia syntez chemicznych w temperaturze i pod ciśnieniem otoczenia.

7. Gdzie tylko jest to możliwe, powinno się dążyć do stosowania surowców odnawialnych.

8. Należy unikać, tam gdzie możliwe, blokowania grup funkcyjnych w celu zapobieżenia reakcjom ubocznym przez zastosowanie wysoce selektywnych katalizatorów, w tym enzymów.

9. Reakcje katalityczne (szczególnie wysokoselektywne) powinny być przedmiotem preferencji.

10. Należy dążyć do produkcji materiałów chemicznych, ulegających biodegradacji po zużyciu do nieszkodliwych produktów.

11. Niezbędne jest rozwijanie analitycznych metod „in line” umożliwiających ciągły monitoring produkcji, w aspekcie zapobiegania powstawaniu niebezpiecznych substancji.

12. Reagenty oraz sposoby ich wykorzystania w procesie chemicznym powinny być tak dobrane, aby w jak największym stopniu zmniejszyć ryzyko wypadków chemicznych, w tym wycieków niebezpiecznych substancji, wybuchów i pożarów.

Do drugiej zasady: Współcześni chemicy projektują reakcje o najwyższej możliwej ekonomii atomów w celu zminimalizowania wpływu na środowisko. Osiągają to między innymi poprzez zmniejszenie ilości surowców oraz ilości dostarczanej energii.

%wydajności=(wydajność rzeczywista/wydajność teoretyczna)*100%

%ekonomii atomów=(masa pożądanego produktu-ów/całkowita masa substratów)*100%

Reakcja może się charakteryzować wysokim % wydajności, ale niskim % ekonomii atomów i na odwrót.

Surowce odnawialne - zasoby cechujące się naturalnie stałą dostępnością oraz dostarczające stałych użytków, których konsumpcja nie zagraża przyszłym możliwościom użytkowania, o ile nie zostanie przekroczony próg ich zdolności naturalnego odnawiania się. Są to głównie surowce organiczne roślinne zawierające część energii słonecznej zmagazynowanej dzięki procesowi fotosyntezy. Na przykład: drewno, wierzba energetyczna, biogaz, rzepak do produkcji biopaliwa, itp.

Polimery biodegradowalne są to związki wielkocząsteczkowe, które ulegają degradacji i są poddawane destrukcyjnemu metabolizmowi do CO₂ i H₂O przez mikroorganizmy (bakterie, grzyby, itp.) w warunkach naturalnych.

Polimery te dzielą się na trzy główne grupy:

1. polisacharydy naturalne (skrobia, celuloza) i inne biopolimery;

2. poliestry produkowane przez mikroorganizmy;

3. syntetyczne polimery, w szczególności poliestry alifatyczne.

Przemysłowe zastosowanie tlenku etylenu:

- sterylizacja

- środek bakteriobójczy i grzybobójczy

- produkcja: politlenku etylenu, kopolimerów, emulgatorów, plastyfikatorów, środków piorących

Przemysłowe zastosowanie poliwęglanów:

produkcja:

- szyb odpornych na stłuczenie

- szyb kuloodpornych

- opakowań jednorazowych

- powłok odpornych na wysoką temperaturę

- części maszyn i aparatów elektrycznych

- folii elektroizolacyjnych

- części aparatury medycznej

- elementów samogasnących

- warstw zewnętrznych CD

Kwas polilaktamowy PLA: polimer biodegradowalny wytwarzany z produktów naturalnych.

Korzyści środowiskowe wynikające z zastosowania PLA:

- wytwarzany z corocznie odnawialnych zasobów (kukurydza, buraki cukrowe, odpady z biomasy)

- zużywa 20-50% mniej zasobów paliw kopalnych niż produkcja polimerów na bazie ropy naftowej

- wykorzystuje naturalną fermentacje do produkcji kwasu mlekowego

- PLA może być poddany recyklingowi (w wyniku hydrolizy przekształcany z powrotem w monomer wyjściowy; w etapie kolejnym polimeryzacja z wytworzeniem polimeru), tym samym oznacza to zamkniętą pętle recyklingu

- PLA może być kompostowany (ulega biodegradacji); w warunkach normalnych pełna degradacja zachodzi w ciągu kilku tygodni

Produkty wytwarzane z PLA:

- włókna ubraniowe, poduszki, pieluchy

- kubki

- pojemniki na żywność, folie spożywcze/torby

- worki na śmieci

- wyposażenie dla domu i biura (wykładziny dywanowe, tapicerka, markizy, panele ścienne)

ABS – tworzywa sztuczne otrzymywane w procesie polimeryzacji butadienu oraz kopolimeryzacji akrylonitrylu ze styrenem wraz z jednoczesnym szczepieniem powstałego kopolimeru na polibutadienie.

ENERGIA I CO₂

1 baryłka ≈ 159L

Wyprodukowanie 1 kWh w elektrowni wiatrowej oznacza uniknięcie emisji do atmosfery:

- 5,5 g SO₂

- 4,2 g NO_x

- 700 g CO₂

- 49 g pyłów i żużla

Increasing CO₂ content causes temperature increase and confirmed phenomenon known as „Ocean acidification”. „Ocean acidification” is caused by the ocean’s absorption of carbon dioxide from the atmosphere, a process which makes water corrosive.

Międzynarodowy traktat – Ramowa Konwencja Narodów Zjednoczonych w Sprawie Zmian Klimatu – 1994 r.

Protokół z Kioto (wszedł w życie w listopadzie 2004 r.)

Państwa uprzemysłowione do 2008-2012 roku mają obniżyć emisję sześciu gazów cieplarnianych o około 5% w porównaniu do poziomu z roku 1990:

- dwutlenek węgla (CO₂)

- sześciofluorek siarki (SF₆)

- gazy przemysłowe (HFC i PFC)

- podtlenek azotu (N₂O)

- metan (CH₄)

Polska ratyfikowała Protokół 13 grudnia 2002 roku.

Efektem cieplarnianym jest obecnie nazywany wzrost temperatury w przyziemnej warstwie atmosfery, spowodowany emisją dwutlenku węgla i innych „gazów cieplarnianych” (metan, tlenki azotu, freony), będących ubocznymi produktami naszej przemysłowej cywilizacji.

Opcje geologicznego magazynowania CO₂:

• wyeksploatowane złoża ropy i gazu

• wykorzystanie CO₂ w EGR i EOR (EGR – Enhanced Gas Recovery; wspomaganie wydobycia gazu ziemnego; EOR –Enhanced Oil Recovery – wspomaganie wydobycia ropy naftowej)

• głębokie, nieużywane zasoby wodne wysycone solą w skałach zbiornikowych

• głębokie, nieeksploatowane pokłady węgla

• wykorzystanie CO­₂ w ECBM (ECBM – Enhanced Coal Bed Methane; wspomaganie odzysku metanu z pokładów węgla)

• inne, sugerowane rozwiązania (skały bazaltowe, łupki naftowe, wnęki)

Aktualne zastosowania przemysłowe CO₂:

- EOR oraz inne zastosowania związane z wydobyciem ropy i gazu

- mocznik

- przemysł spożywczy (przechowywanie, ochrona i pakowanie)

- napoje gazowane

- usuwanie kofeiny z kawy

- przemysł farmaceutyczny

- ogrodnictwo

- środki gaśnicze

- produkcja wina

- przetwarzanie celulozy i papieru

- uzdatnianie wody

- atmosfera obojętna

- przemysł stalowy

- obróbka metali

- elektronika

- pneumatyka

Pojawiające się zastosowania CO₂:

- ECBM

- EGS (energia geotermalna suchych skał)

- wytwarzanie energii z wykorzystaniem CO₂ jako cieczy roboczej

- wytwarzanie polimerów

- wykorzystanie glonów do produkcji biopaliwa

- przetwarzanie pozostałości po boksytach

- węglany nieorganiczne

- utwardzanie betonu

- "odnawialny" metanol

- produkcja kwasu mrówkowego

KATALIZATORY SAMOCHODOWE

Katalizator trójfunkcyjny (tzw. three-way catalyst) zawiera trzy metale Pt-Rh-Pd na nośniku ceramicznym impregnowanym związkami ceru w proporcji Pt : Pd : Rh = 19 : 7 : 1

w ilościach metali:

Pt – 0,055 % wag.

Pd – 0,20 % wag.

Rh – 0,003 % wag.

ZAWARTOŚĆ SZKODLIWYCH SUBSTANCJI W SPALINACH ZALEŻY OD:

• typu silnika (iskrowy, dieslowski),

• rodzaju i składu paliwa,

• stosunku paliwo/powietrze,

• rozwiązań konstrukcyjnych silnika,

• warunków pracy silnika - rozruch, przyspieszanie, hamowanie

Za najważniejsze substancje zanieczyszczające atmosferę emitowane przez silniki spalinowe uważa się obecnie:

- tlenek węgla (II) CO₂

- węglowodory C_nH_m przy czym dotychczas w spalinach zidentyfikowano przeszło 2000 różnych związków węgla z wodorem (HC)

- aldehydy RCHO, z których największe stężenia osiągają formaldehyd i akroleina

- sadzę (C)

- tlenki azotu NO_x czyli: tlenek azotu NO powstający w wysokich temperaturach w komorze spalania (w reakcji tlenu z azotem), ditlenek azotu NO₂ produkt utleniania tlenku azotu oraz tlenek diazotu N₂O (produkt reakcji ubocznych)

- tlenek siarki (IV) SO₂

- związki ołowiu

CECHY KATALIZATORÓW DOPALANIA:

• aktywność w jak najniższych temperaturach (200-400oC),

• stabilność w wysokich temperaturach (700-800oC),

• wytrzymałość na chwilowe przegrzanie (do ok. 1200oC),

• małe opory przepływu,

• wysoka odporność mechaniczna na zgniatanie, wibrację i erozję,

• niska cena, niskie koszty eksploatacji,

• długi czas pracy (do 100 000 km)

Katalizator w silnikach z zapłonem samoczynnym (silnik Diesel'a):

Filtr cząstek stałych najczęściej wykonywany jest z syntetycznego kordierytu (krzemianu glinowo-magnezowego – Mg₂Al₄Si₅O₁₈, 2MgO·5SiO₂·2Al₂O₃), węgliku krzemu (SiC) lub tytanianu glinu (Al₂TiO₅).

Jednym z podstawowych celów prowadzonej reakcji katalitycznej jest jej selektywność (ograniczenie reakcji ubocznych, zwiększenie wydajności w kierunku oczekiwanego produktu).

Modyfikatorami katalizatorów nazywane są domieszki powodujące zwiększenie liczby miejsc aktywnych na powierzchni lub utrwalenie struktury (promotory) oraz inne - zwiększające selektywność oddziaływania (inhibitory).

CHEMIA GOSPODARCZA

Środki do prania maja już ponad 4500-letnią historię. Za „kamień milowy" w rozwoju proszków piorących można uznać wprowadzenie w roku 1907 proszku „PERSIL". Nazwa „PERSIL" to słowo złożone z dwóch sylab, a mianowicie „Per = nadboran" i „Sil = krzemian". Nadboran to składnik umożliwiający nadanie bieli pranym wyrobom, a krzemian to jeden z „aktywnych wypełniaczy" proszków piorących poprawiających w różny sposób efekt wyprania.

Wybielacze oparte na nadsolach stosowane są do utlenienia chromoforów plam pochodzących z herbaty, czerwonego wina, itp.; nie reagują natomiast z chromoforem w cząsteczkach barwnika.

System TAED oparty jest na nadsoli połączonej z aktywatorem bielącym. Optymalne działanie tego systemu występuje w zakresie temperatur 40- 60°C.

TAED (tetraacetyloetylenodiamina) w proszkach do prania występuje w postaci granulatu zabarwionego na kolor zielony lub niebieski (zawartość TAED w granulacie 85-92 ±2%). Czysty TAED (jako odczynnik chemiczny) ma barwę kremową.

MATERIAŁY WIĄŻĄCE

Zastosowanie gipsów:

- do wyrobu materiałów budowlanych (składnik cementu, spoiwo szybkowiążące)

- przemysł (chemiczny, papierniczy, spożywczy, farb i lakierów)

- medycyna (w chirurgii, w dentystyce)

- modelarstwo

- jako materiał rzeźbiarski i dekoracyjny

- przemysł cementowy: regulator czasu wiązania cementu

- przemysł ceramiczny: formy do wyrobów budowlanych (kształtki), fajansowych, porcelanowych

- przemysł motoryzacyjny: modelowanie karoserii samochodów

Metody produkcji cementu:

• sucha

• półsucha

• półmokra

• mokra

LOTNE ZWIĄZKI ORGANICZNE

Źródła zanieczyszczeń naturalnych:

- erupcja wulkanu

- erozja wietrzna skał

- drobinki soli z rozbryzgów wody morskiej

- pożar lasu

- pył kosmiczny

- pyłki roślin

Źródła zanieczyszczeń sztucznych:

- przemysł: hutniczy, wydobywczy, materiałów budowlanych, spożywczy, chemiczny

- elektrociepłownie

- środki transportu

- gospodarstwa domowe