Yeşil Kimya Nedir? Temel İlkeleri ve Kirliliği Önleme Yaklaşımı
Yeşil kimya, kimyasal ürün ve süreçleri daha az tehlikeli madde ve daha az atık oluşturacak şekilde tasarlamayı amaçlar. Kirliliği oluştuktan sonra temizlemek yerine kaynağında önlemeye odaklanır. İlkeler; atık, hammadde, çözücü, katalizör, enerji ve ürün güvenliği birlikte değerlendirilerek uygulanır.
Bu yazıda (6)
Yeşil kimya, kimyasal üretimin çevre üzerindeki olumsuz etkilerini süreç tamamlandıktan sonra gidermeye çalışmak yerine, bu etkileri daha en başta azaltmayı hedefleyen bir yaklaşımdır. Bu nedenle yalnızca elde edilen ürünün miktarına değil, üretim sırasında kullanılan maddelere, oluşan atıklara ve harcanan enerjiye de bakılır.
Yeşil kimyanın tanımı ve amacı
Yeşil kimya; kimyasal ürünlerin ve üretim süreçlerinin, çevre için tehlikeli maddelerin kullanımını ve atık oluşumunu en aza indirecek biçimde bilinçli olarak tasarlanmasıdır. Buradaki amaç yalnızca çevreye bırakılan atığı azaltmak değildir. Üretimin her aşamasında daha güvenli maddeler kullanmak, daha az yan ürün oluşturmak, daha az enerji harcamak ve kullanım ömrü sonunda daha az sorun çıkaran ürünler geliştirmek de bu yaklaşımın kapsamındadır.
Geleneksel bir süreçte istenmeyen maddeler üretimden sonra arıtma, filtreleme veya bertaraf gibi işlemlerle kontrol edilmeye çalışılabilir. Yeşil kimya ise sorunu sonradan düzeltmek yerine, tehlikeli maddenin ya da atığın oluşmasını sağlayan tasarımı değiştirmeye yönelir. Böylece atık arıtma için ek kimyasallara, enerjiye ve ekipmana duyulan ihtiyaç da azalabilir.
Örneğin ibuprofen üretiminde eski yöntem altı basamaklı bir sentez kullanırken, daha sonra geliştirilen alternatif yöntem üç basamakla çalışmıştır. Alternatif süreçte atom ekonomisi yaklaşık yüzde 80'e çıkmış, eski süreçteki yaklaşık yüzde 40'lık değerin iki katına yaklaşmıştır. Bu değişim daha az kimyasal atık oluşması, daha az tehlikeli ve geri dönüştürülebilir maddelerin kullanılması ve üretim maliyetlerinin azalmasıyla ilişkilendirilmiştir. Örnek, aynı ürünü elde ederken üretim yolunun değiştirilmesinin çevresel sonucu nasıl etkileyebileceğini gösterir.
Kirliliği kaynağında önleme yaklaşımı
Kirliliği kaynağında önlemek, atık veya tehlikeli madde oluştuktan sonra onu uzaklaştırmak yerine, süreci bu maddeleri mümkün olduğunca üretmeyecek şekilde kurmaktır. Bunun için tepkime basamakları, başlangıç maddeleri, çözücüler, katalizörler, sıcaklık ve basınç gibi koşullar birlikte değerlendirilir. Üretim sonunda ortaya çıkan atık miktarı, sürecin başında yapılan bu seçimlerin bir sonucudur.
Bu yaklaşımın çalışma mantığı, atığın üretim hattının kaçınılmaz bir sonucu kabul edilmemesidir. Bir tepkimede ürün dışındaki maddeler ne kadar çok oluşursa ayırma, arıtma ve imha işlemleri de o kadar artar. Ürün oluşumunu daha doğrudan sağlayan bir yol seçildiğinde hem istenen ürüne girmeyen atomların miktarı hem de ek işlem gereksinimi azalabilir. Katalizör kullanımı da tepkimenin daha uygun koşullarda gerçekleşmesine yardım ederek enerji gereksinimini ve yan ürün oluşumunu azaltabilir.
İbuprofen örneğinde eski sentez yolunun altı basamak yerine üç basamağa indirilmesi, kaynağında önleme düşüncesine uygundur. Burada yalnızca son aşamadaki atıkların temizlenmesi söz konusu değildir; ürünün oluşum yolu baştan değiştirilmiştir. Daha az basamak, daha az yardımcı madde ve daha az ayırma işlemi gerektirebildiği için süreçte oluşan kimyasal atık da azalmıştır. Çevre kirliliğini sonradan giderme yaklaşımları ve sürdürülebilir kimya daha geniş bir çerçevede ayrıca ele alınır.
Yeşil kimyanın on iki temel ilkesi
Yeşil kimyanın uygulamaları on iki temel ilkeyle özetlenir: (1) Atığı önleme: Atık oluştuktan sonra işlemden geçirmek yerine baştan oluşmasını engellemek. (2) Atom ekonomisi: Kullanılan başlangıç maddelerindeki atomların mümkün olduğunca ürüne aktarılmasını sağlamak. (3) Daha az tehlikeli kimyasal sentezler: Ürünü elde ederken insan ve çevre için daha düşük risk taşıyan maddeler ve yollar seçmek. (4) Daha güvenli kimyasallar tasarlamak: Ürünün işlevini korurken zararlı etkilerini azaltmak. (5) Daha güvenli çözücüler ve yardımcı maddeler kullanmak. (6) Enerji verimliliği: Tepkimeleri gereksiz ısıtma, soğutma veya basınç gerektirmeyecek koşullara yaklaştırmak.
(7) Yenilenebilir hammaddeler kullanmak. (8) Gereksiz türevlendirmelerden kaçınmak; koruyucu veya geçici gruplar gibi ek basamakları azaltmak. (9) Kataliz kullanmak: Stokiyometrik reaktifler yerine, tepkimeyi daha etkili biçimde yönlendiren seçici katalizörlerden yararlanmak. (10) Ürünleri, kullanım sonrasında çevrede kalıcı olmayan ve zararsız bozunma ürünlerine parçalanacak biçimde tasarlamak. (11) Süreci gerçek zamanlı izleyerek tehlikeli maddelerin oluşmasını önlemek. (12) Kimyasal kazaları azaltacak, daha güvenli maddeler ve süreçler tasarlamak.
Bu ilkeler tek tek değil, birlikte düşünülür. Bir süreç az atık oluştursa bile çok tehlikeli bir çözücü kullanıyorsa tamamen yeşil kabul edilmez. Benzer biçimde güvenli bir ürün, üretimi sırasında yüksek enerji tüketiyor ve çok sayıda yan ürün oluşturuyorsa başka açılardan iyileştirilmeye ihtiyaç duyabilir. Yeşil kimya, farklı çevresel etkileri aynı tasarım kararı içinde değerlendirmeyi gerektirir.
Atık oluşumu, ürün verimi ve atom ekonomisi arasındaki fark
Ürün verimi, bir tepkimede gerçekte elde edilen ürün miktarının, stokiyometriye göre elde edilebilecek en yüksek ürün miktarına ne kadar yaklaştığını gösterir. Bu değer, belirli bir kimyasal sürecin uygulamada ne kadar başarılı yürütüldüğünü anlatır. Ancak yüksek ürün verimi, kullanılan hammaddelerin tamamına yakınının ürüne dönüştüğü anlamına gelmez.
Atom ekonomisi ise seçilen sentez yolunun teorik verimliliğiyle ilgilidir. Başlangıç maddelerindeki atomların ne kadarı hedef ürünün yapısında yer alıyorsa süreç o açıdan daha verimlidir. Hedef ürüne girmeyen atomlar yan ürün veya atık olarak süreçten ayrılabilir. Bu nedenle yüzde 100'e yakın ürün verimiyle çalışan bir süreç bile, başlangıç maddelerinin önemli bir kısmını atığa dönüştürüyorsa yeşil kimya açısından iyi bir seçim olmayabilir.
İbuprofen üretiminde eski yöntemin atom ekonomisi yüzde 40 iken alternatif yöntemde yaklaşık yüzde 80 olmuştur. Alternatif süreç, daha az basamak kullanmasının yanı sıra daha az kimyasal atık oluşturmuştur. Bu örnek, yalnızca ne kadar ürün elde edildiğinin değil, o ürünü elde etmek için ne kadar madde kullanıldığının da incelenmesi gerektiğini gösterir. Atom ekonomisi ve E-faktör hesaplamalarının ayrıntılı karşılaştırması ayrı bir hesaplama konusudur.
Hammadde, çözücü, katalizör ve enerji seçiminin çevresel etkisi
Bir kimyasal sürecin çevresel niteliği, yalnızca son ürüne bakılarak belirlenemez. Hammadde seçimi, ürünün yapısına ne kadar katkı sağlandığını ve üretim sonunda ne kadar yan madde kaldığını etkiler. Yenilenebilir kaynaklardan gelen veya daha az tehlikeli olan hammaddeler uygun olduğunda tercih edilebilir; ancak asıl değerlendirme, bu maddelerin süreçte nasıl kullanıldığı ve ne kadar atık oluşturduğu ile birlikte yapılır.
Çözücüler ve diğer yardımcı maddeler tepkimenin gerçekleşmesini, maddelerin ayrılmasını ve ürünün saflaştırılmasını sağlar. Fakat bunların kullanımı, geri kazanımı ve bertarafı sürecin çevresel yükünü artırabilir. Bu yüzden daha güvenli çözücüler seçmek, kullanılan çözücü miktarını azaltmak veya geri kazanılabilir çözücülerden yararlanmak yeşil kimya açısından önemlidir. Katalizörler ise tepkimenin daha seçici ve daha uygun koşullarda ilerlemesine yardımcı olabilir; böylece istenmeyen ürünler ve enerji ihtiyacı azalabilir.
Enerji seçimi de sürecin önemli bir parçasıdır. Bir üretimin sürekli yüksek sıcaklıkta, yüksek basınçta ısıtılması veya soğutulması gerekiyorsa enerji tüketimi artar. Tepkimeyi daha düşük enerji gerektiren koşullarda gerçekleştirecek bir yol seçmek çevresel etkiyi azaltabilir. İbuprofen için geliştirilen alternatif sentezde daha az basamak ve daha az tehlikeli, geri dönüştürülebilir malzeme kullanılması; hammaddelerin, yardımcı maddelerin ve süreç tasarımının birlikte değerlendirilmesine örnek oluşturur.
Yeşil kimya uygulamalarının değerlendirilmesi
Bir uygulamanın yeşil kimya ilkelerine uygunluğunu değerlendirmek için tek bir ölçüt yeterli değildir. Önce süreçte ne kadar atık oluştuğuna ve başlangıç maddelerinin ne kadarının ürüne katıldığına bakılır. Ardından kullanılan hammaddelerin, çözücülerin ve katalizörlerin tehlikelilik düzeyi; üretimin kaç basamakta gerçekleştiği; enerji ihtiyacı ve ürünün kullanım sonrasında çevrede kalıcılığı birlikte incelenir.
Örneğin iki süreç aynı ürünü benzer miktarda verebilir. Birinci süreç daha fazla basamak, daha tehlikeli çözücüler ve yüksek sıcaklık gerektiriyorsa; ikinci süreç daha az basamakta, daha güvenli maddelerle ve daha düşük enerji kullanımıyla çalışıyorsa ikinci süreç yeşil kimya açısından daha uygun görünür. Ancak bu sonuca ulaşırken ürün veriminin yanı sıra atık miktarı ve hammaddelerin ürüne katılma oranı da dikkate alınmalıdır.
Biyobozunurluk, bir ürünün çevrede mikroorganizmalar veya doğal süreçler aracılığıyla daha basit maddelere parçalanabilmesiyle ilgilidir; ürünün kullanım sonrasında kalıcılaşmasını azaltması bakımından yeşil kimyayla ilişkilidir, fakat tek başına bir sürecin tamamen yeşil olduğunu kanıtlamaz. Biyobozunurluk ile yeşil kimya arasındaki ilişki ayrıca incelenebilir. Ayrıntılı özel malzeme ve ürün örnekleri için günlük hayatta kimya örnekleri konusuna bakılabilir.
İbuprofen, günlük yaşamda kullanılan reçetesiz ağrı kesicilerden biridir. Bu ürünün üretim yolunun altı basamaktan üç basamağa indirilmesi ve atom ekonomisinin yaklaşık yüzde 40'tan yüzde 80'e yükselmesi, aynı ürünün daha az kimyasal atıkla üretilebilmesine somut bir örnektir.
Ürün verimi ile atom ekonomisini karıştırmamak gerekir: Ürün verimi gerçekleşen miktarı teorik maksimumla karşılaştırır; atom ekonomisi ise seçilen tepkime yolunda başlangıç maddelerindeki atomların ne kadarının hedef ürüne geçtiğini değerlendirir. Bu nedenle yüksek verim, tek başına yeşil süreç anlamına gelmez.
Sık sorulan sorular
Yeşil kimya kirliliği tamamen ortadan kaldırır mı?
Amaç kirliliği mümkün olduğunca kaynağında önlemektir. Her süreçte tüm çevresel etkilerin sıfırlanması garanti değildir; ancak atık, tehlikeli madde ve enerji kullanımını azaltacak tasarımlar seçilir.
Yüksek ürün verimi olan her süreç yeşil midir?
Hayır. Süreç yüksek ürün verimine sahip olsa bile çok miktarda hammaddeyi yan ürüne dönüştürebilir, tehlikeli çözücüler kullanabilir veya yüksek enerji gerektirebilir.
Yeşil kimyanın temel ilkeleri neden birlikte değerlendirilir?
Bir süreç atığı azaltırken daha tehlikeli bir çözücü kullanabilir ya da güvenli bir ürün üretirken çok fazla enerji harcayabilir. Bu nedenle atık, güvenlik, enerji, hammadde ve ürün özellikleri birlikte incelenir.
Biyobozunur bir ürün otomatik olarak yeşil kimya ürünü müdür?
Hayır. Biyobozunurluk kullanım sonrasındaki davranışla ilgilidir. Üretim sırasında oluşan atık, kullanılan maddelerin tehlikeliliği, enerji tüketimi ve ürünün işlevi de değerlendirilmelidir.
- •Chemistry — Reaction Yields / Green Chemistry and Atom Economyopenstax.org
- •Chemistry: Atoms First — Reaction Yields / Green Chemistry and Atom Economyopenstax.org
- •openstax.orgopenstax.org
- •openstax.orgopenstax.org