כימיה ירוקה

כימיה ירוקה (באנגלית: Green chemistry) היא תחום במדע הכימיה העוסק בתכנון ופיתוח של כימיקלים, ותהליכי ייצור יעילים אנרגטית, המאפשרים קבלת תוצרים בניצולת גבוהה עם מינימום של חומרי פסולת, תוך העדפה לשימוש בחומרי גלם בטוחים וידידותיים לסביבה, ובמקורות אנרגיה מתחדשים.

הכימיה הירוקה מבוססת על גישות פילוסופיות מתחום הקיימות.

הכימיה הירוקה קשורה במישרין ובעקיפין כמעט לכל תחומי הכימיה המודרנית, ובעיקר לתחומי ההנדסה הכימית והכימיה האורגנית סינתטית.

כללי

כמעט כל תהליך כימי שמבוצע על ידי האדם, אם בתעשייה ואם במעבדה, כרוך ביצירה של תוצרי לוואי. לעיתים, תוצאי הלוואי הללו, מוגדרים כפסולת, כיוון שהם אינם בעלי ערך מסחרי, ועל כן, עולה הצורך להיפטר מהם. כשמדובר בחומרי פסולת מסוכנים ומזהמים, הבעיה קשה יותר, שכן לא ניתן להיפטר מהן בדרכים מסורתיות של הטמנה או הזרמה למערכת הביוב, ויש צורך להעבירם לאתרי טיפול ייעודים בפסולת כימית, לנטרול, דבר שמעמיס על עלויות הייצור.

בנוסף, גם אם לא מדובר בחומרים מסוכנים, לעיתים קרובות, התוצר המתקבל מעורב בעשרות חומרי לוואי, דבר המחייב ביצוע של תהליכי הפרדה ארוכים ורב שלביים לבידוד התוצר, דבר המעמיס על עלויות האנרגיה והזמן של התהליך.

ברור, אם כן, מדוע פיתוח של תהליכים כימיים יעילים ו"ירוקים" לייצור של כימיקלים הוא כה חשוב. החשיבות אינה קשורה רק ליכולת לא לזהם, אלא גם לכלכליות של התהליך כולו.

עקרונות

בשנת 1998, שני כימאים אמריקאים, פול אנסטס (Paul Anastas) וג'ון סי. וורנר (John C. Warner) פיתחו את שנים-עשר העקרונות של הכימיה הירוקה: [1]

1. הימנע מייצור של חומרי פסולת (Prevention).
2. עשה שימוש מרבי בחומרי הגלם שלך בתהליך הייצור (Atom Economy).
3. הקטן ככל האפשר את השימוש בחומרי גלם ואת הייצור של תוצרי לוואי המסוכנים לאדם או לסביבה (Less Hazardous Chemical Syntheses).
4. תכנן כימיקלים שישיגו את המטרה הטובה ביותר שלשמן הן ייוצרו תוך בחירה בכאלו שיהיו הבטוחים ביותר (Designing Safer Chemicals).
5. עשה שימוש מינימלי בחומרי עזר כימיים כגון ממסים, וכשאין ברירה, העדף שימוש בממסים בטוחים (Safer Solvents and Auxiliaries).
6. הקטן ככל האפשר את השימוש באנרגיה בתהליך. שאף לבצע תגובות בטמפרטורות החדר ובלחץ האטמוספירי טבעי (Design for Energy Efficiency).
7. העדף שימוש בחומרי גלם ממקורות מתחדשים (Use of Renewable Feedstocks).
8. השתדל להימנע משימוש בנגזרות כימיות ובמגיבי ביניים בתהליך (Reduce Derivatives).
9. השתמש בזרזים כימיים (קטליזטורים) בררנים לתגובה, על פני שימוש במגיבים סטויכיומטרים (Catalysis).
10. תוצרים צריכים להיות מתוכננים כך שכאשר לא יהיה בהם עוד צורך, הם יוכלו להתכלות בצורה בטוחה בסביבה הטבעית (Design for Degradation).
11. תהליך הייצור צריך לכלול אמצעים לניטור בזמן-אמת ולשליטה בחומרים מסוכנים (Real-time analysis for Pollution Prevention).
12. תכנן תהליכי ייצור בהם סיכוני התאונות, הפיצוץ והאש הם הנמוכים ביותר (Inherently Safer Chemistry for Accident Prevention). 

דוגמאות

שימוש בממסים סופר-קריטיים בטוחים כגון: פחמן דו-חמצני, תכנון וביצוע תגובות כימיות בתמיסות מימיות, שימוש במחמצנים בטוחים כמו נתרן תת-כלורי ומי חמצן (על פני מחמצנים המבוססים על תחמוצות רעילות או חומצות חזקות), שימוש בזרזים ממקורות כימיים או ביולוגים כגון אנזימים, ובתהליכי ייצור ביוטכנולוגים.

שימוש בקרינת השמש כמקור חום וכמקור אנרגיה לביצוע תגובות כימיות (פוטוכימיה ופוטוקטליזה).

מדדים לכימות של תגובות על פי עקרונות ה"כימיה הירוקה"

ניתן לקבוע מהי מידת ה"כימיה הירוקה" של תגובה כימית נתונה באמצעות כמה מדדים כמותיים שפותחו במיוחד לצורך כך, כשהחשובים שבהן הן: מדד E ומדד AE.

מדד E

מוגדר כיחס בין כמות הפסולת שנוצרה בתגובה לכמות התוצר (E factor = total waste / product).

ככל שמדד E גבוה יותר, כך התגובה פחות "ירוקה" ולהפך.

מדד Atom Economy) AE)

מדד ליעילות הניצול של אטומים בתגובה. מחושב כיחס בין כמות התוצר המבוקש לכמות כלל המגיבים (AE factor = [molecular mass of desired product / molecular mass of all reactants] X 100%)

ככל שמדד AE גבוה יותר, כך התגובה יותר "ירוקה" ולהפך.

לדוגמה, נשווה בין שתי תגובות שבהן נוצר גז מימן, תגובה של נתרן במים ותגובה של רובידיום במים.

עבור נתרן -

$\ 2Na(s)+2H_{2}O(l)\rightarrow 2NaOH(aq)+H_{2}(g)$

E = [ ( 22.9 x 2 + 18 x 2 ) - 2 ] / 2 = 39.9

%AE = 2 / [39.9 x 2 + 2 x 2] x 100% = 2.38

עבור רובידיום -

$\ 2Rb(s)+2H_{2}O(l)\rightarrow 2RbOH(aq)+H_{2}(g)$

E = [ ( 85.46 x 2 + 18 x 2 ) - 2 ] / 2 = 102.46

%AE = 2 / [102.46 x 2 + 2 x 2] x 100% = 0.95

מהשוואה של ערכי ה-E וה-AE של שתי התגובות, עולה, כי תגובה של נתרן במים לקבלת מימן, הנה "ירוקה" יותר מהתגובה המקבילה עם רובידיום (E נתרן < E רובידיום, AE נתרן > AE רובידיום).

כתבי עת מקצועיים

בתחום הכימיה הירוקה קיימים עשרות כתבי עת מדעיים מקצועיים, ובהן:

• Green Chemistry (RSC)
• Green Chemistry Letters and Reviews (Taylor & Francis)
• ChemSusChem (Wiley)
• ACS Sustainable Chemistry & Engineering (ACS)

ראו גם

• פיתוח בר-קיימא
• סביבתנות
• אנרגיה מתחדשת
• ביוטכנולוגיה
• סינתזה אורגנית

לקריאה נוספת

• Alvise Perosa, Fulvio Zecchini, Methods and Reagents for Green Chemistry: An Introduction, John Wiley & Sons, 2007
• Mike Lancaster, Green Chemistry: An Introductory Text, Royal Society of Chemistry, 2010
• Mukesh Doble, Ken Rollins, Anil Kumar, Green Chemistry and Engineering, Academic Press, 2010
• Sanjay K. Sharma, Ackmez Mudhoo, Green Chemistry for Environmental Sustainability, CRC Press, 2010

קישורים חיצוניים

• What is Green Chemistry?(הקישור אינו פעיל, 18 בדצמבר 2016), האגודה האמריקנית לכימיה
• Green Chemistry, אוניברסיטת מקגיל
• EPA Green Chemistry, המנהל להגנת הסביבה האמריקאי
• מרטין פוליאקוף, Green Chemistry, אוניברסיטת נוטינגהאם