Chemija · Pamoka

Žaliosios chemijos principai, saugesni pasirinkimai ir atliekų prevencija

Taikykite žaliosios chemijos principus, aiškiai nurodydami rodiklius, šviežių įėjimo medžiagų apskaitos ribas ir trūkstamos informacijos keliamus apribojimus.

Grįžti į chemijos planą

Baigę pamoką, galėsite

Atskirti formalų atomų ekonomiškumą nuo priskirto išskyrimo atgavimo.
Apskaičiuoti masės intensyvumo ir atliekų rodiklius pagal nuoseklias išorinės apskaitos ribas.
Palyginti pateiktus rodiklius neišgalvojant pavojingumo reitingo.
Įvertinti nurodytą stebėjimo delsos kompromisą.

Žalioji chemija nagrinėja, kaip atlikti funkciją sukeliant mažesnę naštą

Atliekų prevencija, veiksmingesnis reagentų naudojimas, tinkamos reakcijos terpės, energijos pasirinkimai ir medžiagų savosios savybės yra susiję projektavimo klausimai. Prieš vertindami pakeitimą nurodykite norimą cheminę funkciją ir svarbius apribojimus.

Atsinaujinanti kilmė, žyma „natūralus“ ar vienas palankus rodiklis neįrodo mažo pavojingumo ar mažo bendro poveikio. Cheminė tapatybė, poveikio aplinkybės, proceso poreikiai ir gyvavimo ciklo ribos tebėra svarbūs.

Rodiklis padeda tik tada, kai aiškus jo vardiklis

Atomų ekonomiškumas apibūdina pasirinktą formalią reakciją ir norimo produkto masę. Išskyrimo atgavimas apibūdina surinktą susidariusio produkto dalį. Karbonato pavyzdyje keičiamas atgavimas, o formalus atomų ekonomiškumas lieka pastovus, todėl šis skirtumas tampa matomas.

Proceso masės intensyvumas apima nurodytas išorines įėjimo medžiagas produkto masės vienetui. Atliekų koeficientas apima išorines atliekas produkto masės vienetui pagal atskirai nurodytą pagrindą. Jų skirtumas lygus vienetui tik tada, kai apskaitos ribos, atsargų pokytis ir įtrauktos medžiagos leidžia sudaryti tą patį uždarą masės balansą. Reikia aiškiai nurodyti, ar vanduo įtrauktas.

Pastovi vidinė recirkuliacija gali sumažinti šviežių medžiagų tiekimą ir kartu išlaikyti didesnį cirkuliuojantį srautą. Kiekvieną kartą skaičiuojant grįžtantį srautą kaip šviežią tiekimą, medžiaga suskaičiuojama du kartus. Kita vertus, pradinis užpildas, gryninimo kokybė ir atgavimo energija turi likti matomi, kai apimtis išplečiama už nurodyto pastovaus intervalo ribų.

Esant priskirtai vidinei recirkuliacijai šviežių įėjimo medžiagų masė mažėja

Šviežių išorinių medžiagų įėjimas / kg

Priskirtas vidinis atgavimas r

Priskirti pasikartojančio intervalo atvejai
— Nurodyta išorinio įėjimo apskaita

Pradiniai duomenys

Priskirtas vidinis atgavimas r	Šviežių išorinių medžiagų įėjimas / kg
0	323 · Priskirti pasikartojančio intervalo atvejai
0.5	233 · Priskirti pasikartojančio intervalo atvejai
0.8	179 · Priskirti pasikartojančio intervalo atvejai

Originalios pastovios apskaitos ribos, apimančios vandenį: per intervalą pagaminama 18.0 kg produkto, kai atgavimas nulinis, įėjimas yra 323 kg, o bendras pratekančio tirpiklio kiekis 180 kg. Apskritimai žymi atgavimą 0, 0.50, 0.80; brūkšninė kreivė apskaičiuoja šviežių medžiagų įėjimą 323−180r. Pradinis užpildas, tirpiklio kokybė ir nežinoma atgavimo energija nepatenka į šias nurodytas ribas.

Atomų ekonomiškumas kyla iš konkrečios stechiometrinės reakcijos

Stechiometrinis atomų ekonomiškumo skaičiavimas palygina norimam produktui priskirtų atomų masę su stechiometrinių reagentų mase pagal apibrėžtą susitarimą. Reikia subalansuotos reakcijos ir aiškiai pasirinkto norimo produkto.

Atomų ekonomiškumas nepriklauso nuo faktiškai pasiektos išeigos toje teorinėje reakcijos apskaitoje. Jis savaime neapima tirpiklių, produkto apdorojimo medžiagų, energijos ar visų tikrųjų nuostolių. Todėl didelė jo vertė neįrodo, kad tikras procesas nesudaro atliekų.

Prevencijos pasirinkimai apima daugiau nei vieną stebimą dydį

Anoniminių variantų palyginimas iliustruoja pakeitimą, kuris sumažina nurodyto tirpiklio kiekį, bet išlaiko bendrą pagalbinių medžiagų masę. Net kai pakeista priskirta energija taip pat pagerėja, vis tiek trūksta tapatybės, pavojingumo, poveikio ir gyvavimo ciklo įrodymų. Palankus rodiklis negali pakeisti šių stebėjimų.

Informacija tikruoju laiku gali padėti anksčiau aptikti nepageidaujamą pokytį. Toliau pateiktas originalus laiko modelis pateikia sąlyginę vidutinę delsą ir energijos kompromisą, kai stebėjimas ir atsakas yra tobuli. Jis nenustato tikro stebėjimo veiksmingumo ar priimtinos ribos.

Taikydami prevencijos principus klauskite, kurių įėjimo medžiagų, virsmų, šalutinių produktų ir energijos poreikių galima išvengti, tikrindami pasekmes pagal suderinamą funkciją ir apskaitos ribas. Nežinomus poveikius pateikite kaip nežinomus, užuot platų principą pavertę universaliu reitingu.

Medžiagų intensyvumo rodikliui reikia įtraukimo taisyklės

Proceso masės intensyvumo apskaita susieja apibrėžtas įėjimo medžiagas su išskirto produkto mase. Atliekų ir produkto santykiui naudojamas nurodytas atliekų sąrašas. Vanduo, recirkuliuojami srautai, pagalbinės ir kitos įėjimo medžiagos turi būti įtraukiamos arba neįtraukiamos aiškiai ir nuosekliai.

Suderinami rodikliai gali atskleisti skirtingas proceso dalis. Mažesnis santykis savaime nepalygina šių medžiagų toksiškumo, energijos, išteklių stokos ar apdorojimo poreikių. Išsaugokite pradinę apskaitą, kad rezultatą būtų galima interpretuoti.

Saugesniam ar veiksmingesniam pasirinkimui reikia atitinkamų įrodymų

Projektinis sprendimas gali neleisti susidaryti atliekų srautui, pagerinti selektyvumą ar sumažinti nustatytą pavojingumą ir kartu pakeisti kitus poreikius. Įvertinkite konkretų pakeitimą ir funkciją nurodytame intervale, įskaitant neapibrėžtį ir galimą naštos perkėlimą.

Toliau pateikti originalūs palyginimai naudoja išgalvotus balansus. Jie nepatvirtina jokios medžiagos saugumo, nerekomenduoja keisti tirpiklio ir nepateikia praktinių sintezės instrukcijų.

Išnagrinėti pavyzdžiai

Keičiantis atgavimui atomų ekonomiškumas nekinta

Naudokite formalią suminę reakciją 2NaHCO₃→Na₂CO₃+CO₂+H₂O, pradinį 5.88 kg NaHCO₃ kiekį, visišką formalų virsmą ir karbonato atgavimą 0.850. Naudokite suapvalintas formulines mases 84,106,44,18 g mol⁻¹ ir norimu produktu pasirinkite karbonatą.

Vyksmo mastas yra 5880/(2×84)=35.0 mol. Susidaro 3.71 kg karbonato, 1.54 kg CO₂ ir 0.630 kg vandens, iš viso 5.88 kg.
Na70,H70,C70,O210 mol atomų kiekiai subalansuoti. Neutralių formulinių vienetų elektronų skaičiai vienam vyksmo mastui sutampa: 2×42=52+22+10=84; nepriskiriama nei ištirpusių cheminių formų sudėtis, nei molekulinė druskos forma.
Išskirtas karbonatas yra 3.71×0.850=3.1535 kg, o neišskirtas karbonatas 0.5565 kg. Formalus atomų ekonomiškumas yra 106/(2×84)=0.630952381.
Atgavimas padalija susidariusį karbonatą; jis nepakeičia pasirinktos formalios suminės reakcijos. Nė vienas rodiklis neapima pagalbinių medžiagų, energijos ar cheminio pavojingumo, o visiškas virsmas yra priskirtas, ne eksperimentiškai prognozuotas.

Išskirtas karbonatas 3.1535 kg; formalus atomų ekonomiškumas 106/168 nepriklausomai nuo priskirtos atskyrimo dalies.

Vidinė cirkuliacija nėra šviežias išorinis tiekimas

Pastoviam pasikartojančiam intervalui, per kurį pagaminama 18.0 kg produkto, priskirkite 31.0 kg šviežių reagentų, 180 kg bendrą pratekančio tirpiklio kiekį, 95.0 kg šviežio vandens ir 17.0 kg kitų šviežių pagalbinių medžiagų. Numatykite išgalvotą nereaguojantį, idealiai pakartotinai naudojamą vidinį tirpiklį, kurio atgavimas 0.800. Visa išorinė ne produkto masė skaičiuojama kaip atliekos pagal tą patį vandenį apimantį pagrindą.

Be recirkuliacijos išorinis įėjimas yra 323 kg. Proceso masės intensyvumas PMI=323/18=17.9444444; atliekų koeficientas E=(323−18)/18=16.9444444.
Kai atgavimas 0.800, vidinė tirpiklio cirkuliacija yra 144 kg, o papildymas šviežiu tirpikliu 36.0 kg. Išorinis šviežių medžiagų įėjimas tampa 31+36+95+17=179 kg.
Atliekos yra 13 kg iš reagentų kilusios ne produkto masės+36 tirpiklio+95 vandens+17 kitų medžiagų=161 kg. Taigi PMI=179/18=9.94444444 ir E=161/18=8.94444444.
PMI=E+1 galioja šioms nekintančių atsargų apskaitos riboms ir bendram medžiagų įtraukimo pagrindui. Pradinis užpildas ir nežinoma atgavimo energija nepatenka į šią pastovaus pasikartojimo apskaitą; paleidimo ar gyvavimo ciklo apskaitai jų reikia. Ne visi skelbiami atliekų koeficientai apima vandenį.

Šviežių medžiagų apskaitos ribose PMI yra 9.94444444, o tuo pačiu pagrindu E yra 8.94444444; vidinė 144 kg cirkuliacija suskaičiuojama vieną kartą.

Vienos įėjimo medžiagų kategorijos sumažinimas palieka kitus palyginimus neišspręstus

Numatykite vienodą anoniminių variantų A/B funkciją. A naudoja 8.00 kg nurodyto tirpiklio, nenaudoja kitų pagalbinių medžiagų ir sunaudoja 12.0 kWh; B naudoja 2.00 kg nurodyto tirpiklio, 6.00 kg kitų pagalbinių medžiagų ir sunaudoja 28.0 kWh. Pavojingumo, poveikio ir gyvavimo ciklo duomenų nėra.

Nurodyto tirpiklio sumažėjimas yra 1−2/8=0.750. Bendra pagalbinių medžiagų masė abiem variantams yra 8.00 kg.
B/A energijos santykis yra 28/12=2.33333333. Vienos nurodytos kategorijos sumažinimas neįrodo bendros masės sumažėjimo.
Dėl trūkstamos tapatybės, pavojingumo ir poveikio duomenų bei gyvavimo ciklo naštos bendras saugumo ar ekologiškumo reitingas lieka nenustatytas. Variantai išgalvoti ir nesuteikia pagrindo rekomenduoti tirpiklį.

Nurodyto tirpiklio kiekis sumažėja 75%; bendra pagalbinių medžiagų masė lieka vienoda, o priskirta energija didėja.

Stebėjimo intervalas lemia laiko kompromisą

Numatykite išgalvotą nuolatinį nepageidaujamo produkto susidarymą 0.900 kg h⁻¹ sparta, prasidedantį tolygiai atsitiktiniu metu tarp planinių stebėjimų, kuriuos skiria 0.400 h. Aptikimas ir nutraukimas per kitą stebėjimą yra tobuli ir momentiniai; kiekvienam rodmens nuskaitymui priskirta 6.00 Wh energijos. Apskaičiuokite vidutinę ir blogiausio atvejo delsą bei susikaupusią masę.

Delsa tolygiai pasiskirsčiusi nuo 0 iki 0.400 h. Vidutinė delsa yra 0.200 h, o ribinė blogiausio atvejo delsa 0.400 h.
Vidutinė ir blogiausio atvejo masė iki aptikimo yra 0.900×0.200=0.180 kg ir 0.900×0.400=0.360 kg. Jau susidariusi medžiaga lieka apskaitoje.
Per valandą atliekama 1/0.400=2.50 nuskaitymo, todėl priskirta stebėjimo energija yra 15.0 Wh h⁻¹. Tai laiko ir energijos modelis be tikro jutiklio, delsos, klaidingai neigiamų rezultatų modelio ar priimtinos cheminės ribos.

Vidutinė / blogiausio atvejo masė 0.180/0.360 kg; priskirta stebėjimo energija 15.0 Wh h⁻¹.

Pabandykite patys

Pakeiskite tik priskirtą karbonato išskyrimo atgavimą į 0.62. Palyginkite išskirtą masę, neišskirtą karbonatą ir formalų atomų ekonomiškumą.
Rodyti atsakymą ir paaiškinimą
Išskirtas karbonatas 2.3002 kg, neišskirtas 1.4098 kg; bendras susidaręs kiekis 3.71 kg ir atomų ekonomiškumas 106/168 nepakinta.
Atgavimas pakeičia tik susidariusio karbonato padalijimą.
Sumažinkite priskirtą vidinį atgavimą iki 0.50, išlaikydami tokį patį bendrą pratekančio tirpiklio kiekį, kitas šviežių medžiagų mases ir produktą. Perskaičiuokite išorinę apskaitą ir rodiklius.
Rodyti atsakymą ir paaiškinimą
Šviežias tirpiklis 90.0 kg, cirkuliacija 90.0 kg; šviežių medžiagų įėjimas 233 kg, atliekos 215 kg; PMI=12.9444444 ir E=11.9444444 pagal tą patį vandenį apimantį pagrindą.
Išlaikykite išorinės apskaitos ribas ir vidinį grįžtantį srautą skaičiuokite atskirai; 233=18+215 kg.
Pakeiskite tik variantui B priskirtą energiją į 10 kWh. Nurodykite, kurie pateikti rodikliai pagerėja ir ar tampa pagrįstas bendras pavojingumo ar gyvavimo ciklo reitingas.
Rodyti atsakymą ir paaiškinimą
B/A energijos santykis 10/12=0.833333333; nurodyto tirpiklio sumažėjimas lieka 75%, o pagalbinių medžiagų masė po 8.00 kg; bendras pavojingumo ar gyvavimo ciklo reitingas lieka nenustatytas.
Pateiktų energijos ir tirpiklio kiekių pagerėjimas nesuteikia trūkstamų pavojingumo, poveikio ar gyvavimo ciklo įrodymų.
Pakeiskite tik stebėjimo intervalą į 0.15 h. Palyginkite tikėtiną ir blogiausio atvejo susikaupusį šalutinio produkto kiekį bei stebėjimo energiją per valandą.
Rodyti atsakymą ir paaiškinimą
Vidutinė / blogiausio atvejo delsa 0.0750/0.150 h; masės 0.0675/0.135 kg; nuskaitymų dažnis 6.66666667 h⁻¹ ir energija 40.0 Wh h⁻¹.
Tolygaus delsos pasiskirstymo modelyje vidutinė delsa lygi pusei intervalo; daugiau planinių nuskaitymų sunaudoja daugiau priskirtos energijos.

Ką verta įsidėmėti

Atomų ekonomiškumas ir išskyrimo atgavimas apibūdina skirtingas apskaitos dalis.
Medžiagų rodiklius skaičiuokite pagal nurodytas apskaitos ribas ir bendrą įtraukimo pagrindą.
Vienos įėjimo medžiagų kategorijos sumažinimas nenustato visų aplinkos ar pavojingumo rezultatų.
Ankstesniam aptikimui reikia patikrinto atsako modelio ir atskiros išteklių apskaitos.

Šaltiniai

Mokomoji medžiaga ir žinynai, kuriais remiasi pamokos paaiškinimai ir pavyzdžiai.