A KÉMIA ÉS A KÉMIÁT ALKALMAZÓ IPARÁGAK FENNTARTHATÓ FEJLŐDÉSÉNEK FONTOSABB KIHÍVÁSAI

Átírás

1 A KÉMIA ÉS A KÉMIÁT ALKALMAZÓ IPARÁGAK FENNTARTHATÓ FEJLŐDÉSÉNEK FNTSABB KIHÍVÁSAI Horváth István Tamás istvan.t.horvath@att.net Eötvös Loránd Tudományegyetem Kémiai Intézet 1

2 A KÉMIA CSDÁLATS ÉS MI MÉG CSDÁLATSABBÁ FGJUK TENNI 2

3 KÉMIA ZÖLD KÉMIA FENNTARTHATÓ ÉS ZÖLD KÉMIA FENNTARTHATÓ KÉMIA 3

4 A FENNTARTHATÓ CIVILIZÁCIÓ A civilizáció folyamatos fejlődése mellett az emberek egyéni és kollektív tevékenysége folytatható legyen a végtelen jővőben legalább azonos, de ha lehet jobb életkörülmények között. Collins, T. Science, 2001, 291, 48. A környezettel és fejlődéssel kapcsolatos riói nyilatkozat első alapelve (Rio de Janeiro, Június 3-14.) Az emberek állnak a fenntartható fejlődés középpontjában. Jogosultak egészséges és hatékony életre a természettel harmóniával. 4

5 A fenntartható fejlődést természetesen csak egy fenntartható civilizációban lehet megvalósítani, amelyben az őszinteség, a sokféleség és egymás gazdasági és kulturális tisztelete megkérdőjelezhetetlenül része a mindennapi életnek! 5

6 A FENNTARTHATÓ FEJLŐDÉS KIHÍVÁSAI Kőolaj, kőszén és földgáz alapú energia kiváltása 6

7 ENERGIA ENERGIA 7

8 A világ energiaigényének várható alakulása 18,0 Kőolaj Földgáz Szén Nukleáris Vizi Megújuló 16, tonna olaj ekvivalens 14,0 12,0 10,0 8,0 6,0 4,0 2, % 18% 52% 7.6 5% 28% 21% 41% 8.7 6% 26% 21% 41% 10 6% 26% 24% 40% 6% 24% 26% 40% 0, Forrás: Magyar Kémikusok Lapja, 2003, 3, 94 8

9 MI TÖRTÉNIK HA NINCS ENERGIA? 9

10 New rleans 10

11 11

12 12

13 13

14 14

15 15

16 HA NINCS ENERGIA, AKKR NINCS hűtés élelmiszer fűtés gyógyszer gyógyítás televizió telefon ipar.. FENNTARTHATÓ ÉLET 16

17 A FENNTARTHATÓ FEJLŐDÉS KIHÍVÁSAI Kőolaj, kőszén és földgáz alapú energia kiváltása 17

18 A FENNTARTHATÓ FEJLŐDÉS KIHÍVÁSAI Kőolaj, kőszén és földgáz alapú energia kiváltása Hidrogén gazdaság (előállítás, tárolás, és szállítás) 18

19 Hidrogén gazdaság 19

20 Hidrogén gazdaság 20

21 A FENNTARTHATÓ FEJLŐDÉS KIHÍVÁSAI Kőolaj, kőszén és földgáz alapú energia kiváltása Hidrogén gazdaság (előállítás, tárolás, és szállítás) Fenntartható biofolyadékok (metanol, etanol, dízel, butanol, stb.) Etanol: CH 3 -CH 2 -H Bioetanol: CH 3 -CH 2 -H 21

22 A kukorica vékánkénti ára cents per véka Daily change of ( % ) Corn Quote Updated ct :54 AM 1 véka = liter 22

23 A kukorica vékánkénti ára 23

24 A FENNTARTHATÓ FEJLŐDÉS KIHÍVÁSAI Kőolaj, kőszén és földgáz alapú energia kiváltása Hidrogén gazdaság (előállítás, tárolás, és szállítás) Fenntartható biofolyadékok (metanol, etanol, dízel, butanol, stb.) Dízel Biodízel 24

25 A FENNTARTHATÓ FEJLŐDÉS KIHÍVÁSAI Kőolaj, kőszén és földgáz alapú energia kiváltása Hidrogén gazdaság (előállítás, tárolás, és szállítás) Fenntartható biofolyadékok (metanol, etanol, dízel, butanol, stb.) Dízel Biodízel R H R CH 3 + CH 3 H + H 2 Zsírsavak 25

26 NÖVÉNYI LAJK HIDRLÍZISE R R R + H 2 H R + R H R R + R H H R + R H R R + H 2 H H R + H H R + R H Biodízel H H R + H H R + H 2 H H H + R H????? 26

27 Kuala Lumpur A pálma olaj ára 40%-al emelkedett 2006-ban 27

28 SURGE IN BIFUELS PUSHES UP FD PRICES Javier Blas and Jenny Wiggins A surge in the production of biofuels derived from corn, wheat, and soybeans is helping to push up food prices so sharply that the World Food Programme (WFP), the United Nation s agency in charge of fighting famine, is finding it difficult to feed as many hungry people as it has in the past. Josette Sheeran, WFP s Executive Director, said that rising food prices were already having an impact on WFP operations and added: there is a realization we are facing a new level of challenge. Financial Times: July 15,

29 MEGÚJULÓ ALAPANYAGK FENNTARTHATÓ ÁTALAKÍTÁSA A megújuló alapanyagok energia és szén-tartalmú anyagok termelésére való felhasználása ne legyen versenyben az élelmiszer alapanyagok termelésével. * A legnagyobb mennyiségben termelt megújuló alapanyag a ligno-cellulóz (40-50% cellulóz, 25% hemi-cellulóz és 25% lignin). * *Horváth, I. T.and Anastas P. T. Chem. Rev. 2007, 107,

30 A FENNTARTHATÓ VEGYIPAR KIHÍVÁSAI Kőolaj, kőszén és földgáz alapú energia kiváltása Hidrogén gazdaság (előállítás, tárolás, és szállítás) Szén-tartalmú anyagok termelése megújuló alapanyagokból lcs ó H 2 Szén-dioxid (C 2 ) Szénhidrátok (C 6 H 12 6 ) A természet alkalmazása C 2 átalakításra Létezik-e egy olyan anyag, mely alkalmas mind energia mind szén-tartalmú anyagok termelésére? A fenntartható folyadék! 30

31 AZ IDEÁLIS FENNTARTHATÓ FLYADÉK ENERGIA TERMELÉSHEZ ÉS SZÉN-ALAPÚ KÉMIÁHZ Lehet alkalmazni energia és szén-alapú termékek termelésében Megújuló Könnyen és biztonságosan lehet tárolni és szállítani a földön nagy mennyiségben - alacsony az olvadáspontja - magas a forráspontja - alacsony gőznyomás - stabil víz és oxigén jelenlétében (nem képződik sav és peroxid) - jól érezhető és kellemes illatú a könnyű és egyértelmű felismeréshez Alacsony toxicitású Megfelelő vizoldhatóság a természetes lebontáshoz. 31

32 γ-valerlaktn EGY LEHETSÉGES FENNTARTHATÓ FLYADÉK Metanol Etanol MTBE γ-valerolakton Mólsúly (g/mol) C (w%) H (w%) (w%) Forráspont ( o C) lvadáspont ( o C) Sűrűség ( o C) Lobbanáspont ( o C) LD 50, orális-patkány (mg/kg) Előfordul a természetben, gyakran használják adalékként az élelmiszeriparban és kellemes illata van. Green Chem., 2007, megjelenés alatt 32

33 A METANL GŐZNYMÁSÁNAK MÉRÉSE Hőmérséklet ( C) Mért adat 0 0,5 1 1,5 2 2,5 Gőznyomás (bar) Handbook of Chemistry and Physics, 63rd Edition CRC Press, Boca Raton,

34 HŐMÉRSÉKLET FÜGGŐ GŐZNYMÁS MÉRÉS MeH, EtH, MTBE, ETBE, és GVL 160 MTBE Methanol 140 ETBE Ethanol 120 GVL Gőznyomás (kpa) Vapor pressure (kpa) Hőmérséklet Temperature ( C)( 34

35 XIGENÁTK ÉS SZÉNHIDRGÉNEK FENNTARTHATÓ SZINTÉZISE Dr. Andrea Bodor Hasan Mehdi Felhasználók C 2 + H 2 Természet Nem ehető szénhidrátok H 2 Laszlo Mika Szén-tartalmú termékek HCH H Vegyipar C 2 H 2 H 2 Alkánok H 2 H 2 H 2 H H H 2 GVL Cat. Today, 2007, megjelenés alatt 35

36 A FENNTARTHATÓ FEJLŐDÉS lyan sebességel használjuk fel a természetes nyersanyagokat, hogy azok mennyisége nem csökken egy elfogadhatatlanul alacsony szint alá. ÉS AKKR MI LESZ? 36

37 Az elveszett civilizáció: Húsvét Szigetek A fákat kivágták élelmiszer termelés és a gigantikus méretű kőszobrok, a Moai -k, elszállítása miatt. 37

38 Hogyan? 38

39 Az elveszett civilizáció: Húsvét Szigetek Az erdők kivágása a termőföld eroziójához vezetett, amely élelmiszerhiányhoz, kanibalizmushoz és végül a társadalom összeomlásához vezetett. A Húsvét szigetek története bizonyítja, hogy fenntarhatóságunk attól függ, hogy sikerül-e a gyorsan növekvő népességet elég energiával, élelmiszerrel és kémiai termékekkel ellátni anélkül, hogy a Föld hosszútávú egyensúlyát megbontanák. 39

40 A FENNTARTHATÓ FEJLŐDÉS lyan sebességel használjuk fel a természetes nyersanyagokat, hogy azok mennyisége nem csökken egy elfogadhatatlanul alacsony szint alá. A hulladékok képződésének és környezetbe való jutásának sebessége nem lehet gyorsabb, mint a környezet feldolgozási képessége. 40

41 A FENNTARTHATÓ VEGYIPAR KIHÍVÁSAI Kőolaj, kőszén és földgáz alapú energia kiváltása Hidrogén gazdaság (előállítás, tárolás, és szállítás) Fenntartható folyadék (metanol, etanol, stb.) gazdaság Szén-tartalmú anyagok termelése megújuló alapanyagokból lcs ó H 2 Szén-dioxid (C 2 ) Szénhidrátok (C 6 H 12 6 ) A természet alkalmazása C 2 átalakításra A környezetszennyezés molekuláris szintű megelőzése Zöld kémia 41

42 Zöld 42

43 A KÉMIA EGYRE RMLÓ MEGÍTÉLÉSE Az 1950-es és 1960-as években a kémikusok azt hitték, hogy a kémia megoldást adhat a társadalom különböző szükségleteire. A nagyszámú sikeres megoldás mellett, sajnos több előre nem várt káros kimenetelű esemény is történt. A DDT nevű klórozott rovarírtószer felgyülemlik madarakban. Tojáshéj vékonyodást és más szaporodási problémákat okoz. Carson, R. (1962). Silent Spring. Houghton Mifflin Co., New York. Cl CCl 3 Cl A Thalidomide nevű gyógyszert terhes nők használták reggeli rosszullét tüneti kezelésére. Mintegy gyermek rendellenességekkel született. N NH 43

44 A KÉMIA EGYRE RMLÓ MEGÍTÉLÉSE A hűtőszekrényekben alkalmazott freonokat a kén dioxid és az ammónia helyettesítésére fejlesztették ki. Ezeknek a vegyületekenek ózonbontó hatása nem volt előre látható. Centre for Atmospheric Science október 44

45 45

46 A KÉMIA EGYRE RMLÓ MEGÍTÉLÉSE A tetraetilólmot addig használták kopogásgátlóként benzinben, amig ki nem derült, hogy ólommérgezést okoz és jelentősen csökkenti a gyermekek IQ szintjét. 1982, Times Beach, Missouri (USA) Az utak melletti földek dioxinnal voltak szennyezve ben dioxinnal szennyezet olajat használtak az utak felújítása során. A dioxin szintje ppb között volt ( >1ppb már veszélyesnek számít mindennapi érintkezéskor). 33 millió dollárba került az egész város megvásárlása. Cl Cl Cl Cl 1999, Belgium Különböző hústermékek dioxinnal voltak szennyezve. 46

47 1984. december 3. Bhopal, India KÉMIAI BALESETEK A Union-Carbide cég rovarirtószert gyártó üzeméből 40 tonna metil-izocianát került a város sűrűn lakott részei fölé, melynek következményeként 3500-an meghaltak és en megbetegedtek któber 19. University of Texas, Austin, USA Fém nátriumot tartalmazó éghető szerves hulladék közömbösítése során a nátrium vízzel került érintkezésbe, amely súlyos tüzet okozott. Az egyetem 30.2 millió dollárt költött a kémiai tanszék tűzbiztonsági felszereltségének biztosítására Tisza Ciánszennyezés került a Tisza folyóba. 47

48 A KÉMIA EGYRE RMLÓ MEGÍTÉLÉSE A kemofóbia jelentősen megemelkedett. Az emberek általában azt hiszik, hogy a vegyi anyagok "rosszak" és a "természetes anyagok" jobbak, noha sokuk azt sem tudja, hogy mi is egy vegyi anyag. KÖRNYEZETVÉDELMI TÖRVÉNYEK AZ USA-BAN A törvények száma 120 CH Év Importált Aflatoxin B1 a paprikában (2004 október) 48

49 ZÖLD KÉMIA VEGYÉSZEK ÉS A VEGYIPAR KEMFÓBIA 49

50 A KÉMIA CSDÁLATS ÉS MI MÉG CSDÁLATSABBÁ FGJUK TENNI 50

51 SME SEE THINGS AS THEY ARE, AND ASK WHY. I SEE THINGS AS THEY SHULD BE AND ASK WHY NT Vannak akik úgy nézik a dolgokat ahogyan vannak és azt kéredezik miért. Én úgy nézem a dolgokat ahogyan lenniük kellene és azt kérdezem, hogy miért nincsenek úgy. Robert F. Kennedy ZÖLD KÉMIA A kémiai termékek tervezését, termelését és felhasználását irányító elvek egységes alkalmazása, melyek eredményként csökken vagy megszűnik a környezetre veszélyes anyagok előállítása és felhasználása. Anastas, P. T. és Warner, J. C. Green Chemistry: Theory and Practice, xford University Press, xford, Barta, K.; Csékei, M.; Csihony, S.; Mehdi, H.; Horváth, I. T.; Pusztai, Z.; Vlád, G. A zöld kémia tizenkét alapelve, Magyar Kémikusok Lapja 2000, 55,

52 A ZÖLD KÉMIA TIZENKÉT ALAPELVE A kémiai termékek tervezését, termelését és felhasználását irányító elvek egységes alkalmazása, melyek eredményként csökken vagy megszűnik a környezetre veszélyes anyagok előállítása és felhasználása. 1. Jobb megelőzni a hulladék keletkezését, mint keletkezése után kezelni. 2. Szintézisek tervezésénél törekedni kell a kiindulási anyagok maximális felhasználására (atomhatékonyság) 3. Lehetőség szerint már a szintézisek tervezésénél olyan reakciókat célszerű választani, melyekben az alkalmazott és keletkező anyagok nem mérgező hatásúak és a természetes környezetre nem ártalmasak. 4. Kémiai termékek tervezésénél törekedni kell arra, hogy a termékekkel szembeni elvárások teljesítése mellett mérgező hatásuk minél kisebb mértékű legyen. Anastas, P. T. és Warner, J. C. Green Chemistry: Theory and Practice, xford University Press, xford, Barta, K.; Csékei, M.; Csihony, S.; Mehdi, H.; Horváth, I. T.; Pusztai, Z.; Vlád, G. A zöld kémia tizenkét alapelve, Magyar Kémikusok Lapja 2000, 55,

53 A ZÖLD KÉMIA TIZENKÉT ALAPELVE A kémiai termékek tervezését, termelését és felhasználását irányító elvek egységes alkalmazása, melyek eredményként csökken vagy megszűnik a környezetre veszélyes anyagok előállítása és felhasználása. 5. Segédanyagok (oldószerek, elválasztást elősegítő reagensek, stb.) használatát minimalizálni kell, s amennyiben szükséges, ezek zöldek legyenek. 6. Az energiafelhasználás csökkentésére kell törekedni. 7. Megújuló nyersanyagokból válasszuk a vegyipari alapanyagokat. 8. A felesleges származékkészítést kerülni kell. Anastas, P. T. és Warner, J. C. Green Chemistry: Theory and Practice, xford University Press, xford, Barta, K.; Csékei, M.; Csihony, S.; Mehdi, H.; Horváth, I. T.; Pusztai, Z.; Vlád, G. A zöld kémia tizenkét alapelve, Magyar Kémikusok Lapja 2000, 55,

54 A ZÖLD KÉMIA TIZENKÉT ALAPELVE A kémiai termékek tervezését, termelését és felhasználását irányító elvek egységes alkalmazása, melyek eredményként csökken vagy megszűnik a környezetre veszélyes anyagok előállítása és felhasználása. 9. Reagensek helyett katalizátorok alkalmazását kell előtérbe helyezni. 10. A kémiai termékeket úgy kell megtervezni, hogy használatuk végeztével ne maradjanak a környezetben és bomlásuk környezetre ártalmatlan termékek képződéséhez vezessen. 11. Új és érzékeny analitikai módszereket kell használni a vagyipar folyamatok in situ ellenőrzésére, hogy a veszélyes anyagok keletkezését idejében észleljük. 12. A vegyipari folyamatokban olyan anyagokat kell használni, amelyek csökkentik a vegyipari balesetek (kémiai anyagok kibocsátása, robbanás, tűz) valószinűségét. Anastas, P. T. és Warner, J. C. Green Chemistry: Theory and Practice, xford University Press, xford, Barta, K.; Csékei, M.; Csihony, S.; Mehdi, H.; Horváth, I. T.; Pusztai, Z.; Vlád, G. A zöld kémia tizenkét alapelve, Magyar Kémikusok Lapja 2000, 55,

55 FLYADÉK-FLYADÉK KÉTFÁZISÚ KÉMIA Lehetővé teszi a jól szabályozható oldat kémia megvalósítását azzal az előnnyel, hogy a termék könnyen elválasztható a reagenstől vagy a katalizátortól. A + B c A c B c T c A c B Reagens vagy katalizátor fázis L Termék fázis L Reagens vagy Katalizátor L c T L L=oldhatóságot elõsegítõ csoport T A termék oldószer tulajdonságai határozza meg az alkalmas reagens/katalizátor fázist. - Víz - Alkoholok - Ionos folyadékok - Fluoros folyadékok - Szuperkritikus C 2 Apoláris termékek Poláros termékek 55

56 BECKMANN ÁTRENDEZŐDÉS N H HN S 3 H 2 S 4 Katalizátorok Homogén: PCl 5, P 2 5, HCl, PCl 3, H 2 S 4 /S 3 * Heterogén: zeolitok *DSM 56

57 Cyclohexanone xime DSM ELJÁRÁS NH C CAPL leum Ammonium Sulfate A reakciót az un. átrendeződési keverékben végzik - Folyékony ciklohexanon oximot használnak -AH 2 S 4 +S 3 /ciklohexanon oxim arány A maximum szabad S 3 12 mol% % konverzió és 99.5% szelektivítás (az utolsó 1%) - Ammóniúm szulfát a melléktermék -AS 3 növeli a reakcióüsebessélget 57

58 AZ UTLSÓ 1%* *Horváth, I. T.and Anastas P. T. Chem. Rev. 2007, 107,

59 DSM ELJÁRÁS A reakció az un. átrendeződési keverékben végzik, amely egy ionos folyadék. NH H H 2 S 4 HS 4 NH C= a b c e d 1 mmol in 6.84 mmol 10% leum 1 mmol in 6 mmol 97% H 2 S 4 H 2 C c H 2 C e dch 2 H 2 C a b CH 2 NH C mmol in 0.6 mlcdcl (ppm) ChemSusChem, megjelenés alatt 59

60 HŐMÉRSÉKLET FÜGGŐ GŐZNYMÁS MÉRÉS 60 leum Vapor pressure (kpa) Temperaure ( C) CAPL/H 2 S 4 =1:1 ( ), CAPL/H 2 S 4 /S 3 =3.3:4.7:1 ( ), and H 2 S 4 /S 3 =12:1 ( ) 60

61 e-kaprlaktámium HIDRSZULFÁT Mi az oka az alacsony gőznyomásnak? NH H 2 S 4 HS 4 NH H H H NH HS 4 S 3 NH HS 2 7 ChemSusChem, megjelenés alatt 61

62 KATALÍZIS! Energia ΔE akt E akt (nem katalitikus) E akt (katalitikus) Reaktánsok Termék(ek) MIÉRT? 62

63 MIÉRT NE! 63

64 Mert katalizátorok (pl. enzimek) nélkül nagyon, nagyon, nagyon lassan beszélnénk! Prof. Waymouth (Stanford Egyetem), Budapest, szeptember 7. 64

65 TEHÁT SZÜKSÉGÜNK VAN KATALIZÁTRKRA! 65

66 Az új katalizátor annyira aktív volt, hogy a reakció majdnem befejeződött a katalizátor hozzáadása elött! Prof. R. Grubbs, ELTE, 9:15 am, szeptember 7. 66

67 A 2005 ÉVI KÉMIAI NBELDÍJASK Chauvin, Yves Institut Français du Pétrole Rueil-Malmaison, France Grubbs, Robert H. California Institute of Technology Pasadena, California, USA Schrock, Richard R. Massachusetts Institute of Technology Cambridge, Massachusett, USA 67

68 METATÉZIS - CH 2 =CH 2 + CH 2 =CH 2 - n CH 2 =CH 2 n R 1 + R 2 - CH 2 =CH R 2 R 1 R 1 R 1 R 2 R

69 METATÉZIS TÁNC A ÉVI KÉMIAI NBELDÍJASK TISZTELETÉRE KEREPESI KISVIRÁG GYERMEK TÁNCSPRT ELTE- Budapest december 1 69

70 A FÉM KERES EGY KARBÉNT 70

71 A FÉM MEGNÉZI A KARBÉNT 71

72 A FÉM-KARBÉN KMPLEX M C * 72

73 A FÉM-KARBÉN KMPLEX ÉS AZ LEFINEK/LEFINEK TÁNCRA KÉSZEK C 2 C 2 C * M C 1 C 1 73

74 METATÉZIS TÁNC C 2 C 2 C1 C * C 1 M 74

75 METATÉZIS TÁNC C 1 C 1 C 2 C 2 C 1 M 75

76 METATÉZIS TÁNC M C 2 C 1 C 2 C 1 C 1 76

77 METATÉZIS TÁNC C 1 C 2 C 2 C2 C 1 C 2 C 2 C 1 M C 1 C 1 C 2 C 1 C * 77

78 A KÉMIA CSDÁLATS ÉS MI MÉG CSDÁLATSABBÁ FGJUK TENNI 78

79 A FENNTARTHATÓ FEJLŐDÉS KIHÍVÁSAI Korunk emberének életminősége szempontjából (víz, élelmiszer, gyógyszer, ruházat, lakó és munkakörülmények, közlekedés, stb.) három cél fenntarthatóvá való tétele tűnik fontosnak: (1) a foszilis alapú energia kiváltása fenntartható energiával, (2) a foszilis alapú nyersanyagok kiváltása szén-dioxid alapú nyersanyagokkal, (3) a hulladékmentes termelés kifejlesztése mellett a környezetre és egészségre káros anyagok helyettesítése nem káros anyagokkal vagy alternatív megoldásokkal. 79

80 A fenntartható fejlődést természetesen csak egy fenntartható civilizációban lehet megvalósítani, amelyben az őszinteség, a sokféleség és egymás gazdasági és kulturális tisztelete megkérdőjelezhetetlenül része a mindennapi életnek! 80