Quimica verde
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José A. Mayoral
Zaragoza, 19 de Mayo de 2008
Química Verde,una apuesta estratégica de futuro
GREEN CHEMISTRY
JosJoséé Antonio MayoralAntonio MayoralDepartamentoDepartamento de de QuQuíímicamica OrgOrgáánicanicaInstitutoInstituto de de CienciaCiencia de de MaterialesMateriales de de
AragAragóónnInstitutoInstituto UniversitarioUniversitario de de CatCatáálisislisis
HomogHomogééneaneaUniversidad de Zaragoza Universidad de Zaragoza –– C.S.I.C.C.S.I.C.
GREEN CHEMISTRY GREEN CHEMISTRY
UNA APUESTA ESTRATÉGICA DE FUTURO
IbercajaZentrumMayo 2008
¿De dónde procede la lechedesnatada?
GREEN CHEMISTRY
La Química está en todas partes
En primer lugar, consideremos los beneficios de la química. La industria química suministramuchos productos que imejoran nuestra vida y de los que dependemos
¿¿QuQuéé hace la quhace la quíímica por nosotros?mica por nosotros?
“Most of the environmental problems of past centuries and decades, such as the
biological contamination of drinking water, were solved only when the methods of
science in general—and chemistry in particular—were applied to them. The
phenomenal rise in human life expectancy and in the material quality of life that has
come about in recent decades is due in no small measure to chemicals and chemistry.”
— Colin Baird, Environmental Chemistry.
La Química, motor de la innovación
28.600 millones. € Turn-over debido a las innovaciones químicas.
E&E = Electric & ElectronicE&E = Electric & Electronic
IndustriaIndustria QuQuíímicamica
SaludSalud
ConsumidorConsumidor
AutomovilAutomovilPackagingPackagingAgricultureAgricultureConstructionConstructionE&E*E&E*TextileTextilePaperPaperWood/FurnitureWood/FurnitureDetergentsDetergentsEngineeringEngineeringPrintingPrintingLeather/ShoeLeather/ShoeNutritionNutritionOthersOthers
Fuente: Zentrum für Europäische Wirtschaftforschung GmbH, INNOVATIONSMOTOR CHEMIE Ausstrahlung von Chemie-Innovationen auf andere Branchen, Feb. 2003.
¿¿QuQuéé ““hacehace”” la qula quíímica por nosotros?mica por nosotros?
ALGUNOS DE LOS INCIDENTES DEL PASADO HAN SIDO BIEN
PUBLICITADOS • El rio Cuyahoga en Ohio
estaba tan contaminadoque ardió de modoespontáneo.
• El accidente de Bhopal, India, liberó isocianato de metilo. Murieron cerca de 4.000 personas.
ALGUNOS DE LOS INCIDENTES DEL PASADO HAN SIDO
BIEN PUBLICITADOS• Un vertido accidental de dioxinas y otros
productos en Seveso, Italia, en 1.976 causó la muerte de muchos animales de granja y problemas de salud a personas
Efectos de la contaminaciEfectos de la contaminacióón n ququíímicamica
Efecto invernadero: Efecto invernadero: sustancias que absorben radiación infrarroja (CO2, CH4, CFCs, haluros de alquilo)AcidificaciAcidificacióón: n: lluvia ácida (SOx, NOx, ácidos orgánicos)DestrucciDestruccióón de ozono estratosfn de ozono estratosféérico:rico: gases ligeros que sufren reacciones radicalarias (CFCs, haluros de alquilo)Niebla urbana (Niebla urbana (smogsmog):): vapores de sustancias orgánicas, como hidrocarburos (combustión parcial) y otros COVs (disolventes)EutrofizaciEutrofizacióón:n: crecimiento excesivo de bacterias y plantas en medios acuáticos (fertilizantes y otras sales)Toxicidad: Toxicidad: respecto a humanos o a especies animales o vegetales de un cierto entorno (ecotoxicidad)
La percepciLa percepcióón social de la qun social de la quíímicamica
0
10
20
30
40
50
60
1980 1990 2000Año
Porc
enta
je d
e la
pob
laci
ón
DesfavorableFavorable
PreocupaciPreocupacióón social y normativan social y normativaSubstancia Efecto ambiental Normativa Año
CFCsCCl4, CH3Cl, CHCl3, halones, HBFCs
Destrucción del ozono estratosférico
Protocolo de Montreal 1987
Combustibles fósiles Efecto invernaderoCalentamiento global
Protocolo de Kyoto 1997
Sustancias tóxicas/peligrosas
Contaminación acuíferos Directiva marco 2000/60/CE 2000
Polucionantesorgánicos persistentes
BioacumulaciónToxicidadPersistencia
Programa UNEPConvención de Estocolmo
1997
Disolventes Emisión de COVFormación de ozono troposféricoSalud ocupacional
Directivas 99/13/CE, 2001/81/CEPrograma CAFE
REACH
1999
“ Chemistry has an important role to play in achieving a sustainable
civilization on earth.”
— Dr. Terry Collins, Professor of ChemistryCarnegie Mellon University
EN UNA CIVILIZACIÓN SOSTENIBLE
• Las tecnologías paraproducir bienes de consumono deben dañar el medioambiente o la salud
• Es preferible usar materiasprimas renovables que lasmeterias fósiles, de duración limitada
Concepto de biorefinería
EN UNA CIVILIZACIÓN SOSTENIBLE
• Al fin de su uso los materiales han de biodegradarse, en caso contrariodeben reciclarse.
• Desarrollando productos que no dañanla salud ni el medioambiente.
EN UNA CIVLIZACIÓN SOSTENIBLE
• Los procesos de fabricación han de diseñarse para no producirresiduos.
– O –• Ls residuos han de ser
biodegradables o han de reciclarse.
¿¿QuQuéé se ha hecho hasta ahora al respecto?se ha hecho hasta ahora al respecto?
Dimensiones del Dimensiones del proceso quproceso quíímico mico
industrialindustrial
QuQuíímicamica
EconomEconomííaa
IngenierIngenierííaa
TecnologTecnologíía a paliativapaliativa
•• NeutralizacionesNeutralizaciones•• Plantas de tratamientoPlantas de tratamiento•• Plantas de recuperaciPlantas de recuperacióónn•• Lagunas de aireaciLagunas de aireacióónn•• DestrucciDestruccióón de residuosn de residuos
Peligro = (Riesgo Peligro = (Riesgo XX ExposiciExposicióón)n)
Peligro = (Riesgo Peligro = (Riesgo XX ExposiciExposicióónn))
¿¿QuQuéé se propone como alternativa?se propone como alternativa?
Dimensiones del Dimensiones del proceso quproceso quíímico mico
industrialindustrial
QuQuíímicamica
EconomEconomííaa
IngenierIngenierííaa
IntroducciIntroduccióón de cambios en n de cambios en la Qula Quíímica del procesomica del proceso
¿¿QuQuéé se propone como alternativa?se propone como alternativa?
Dimensiones del Dimensiones del proceso quproceso quíímico mico
industrialindustrial
QuQuíímicamica
EconomEconomííaa
IngenierIngenierííaa
QuQuíímica mica SostenibleSostenible
Peligro = (Peligro = (RiesgoRiesgo XX ExposiciExposicióón)n)
QuQuíímica Sostenible es a mica Sostenible es a QuQuíímica Paliativa lo que mica Paliativa lo que Medicina Preventiva es a Medicina Preventiva es a
Medicina CurativaMedicina Curativa
THE POLLUTION PREVENTION ACT OF 1990
• Es una ley de los EEUU quefavorece el desarrollo de procesos que no producenresiduos, la aproximación de la Química Verde.
PRINCIPIOS DE LA QUÍMICA VERDE
Prevención de los vertidosEconomía atómicaSíntesis químicas menos peligrosasDiseño de compuestos químicos más segurosDisolventes y auxiliares más segurosDiseños para mejor eficiencia energéticaUso de fuentes renovablesReducción de derivatización en la síntesis
CatálisisDiseño para la degradaciónAnálisis en tiempo real para evitar la poluciónQuímica más segura para la prevención de accidentes
QUÍMICA VERDE SIGNIFICA
• Prevenir la contaminación antes de que aparezca.
• Diseñar procesos mas eficientesque minimicen la producción de residuos y precisen menosenergía.
• Diseñar procesos mas rentablesbasados en la reducción de costesde energía y de tratamiento de residuos
Acciones de la QuAcciones de la Quíímica Sostenible en el flujo mica Sostenible en el flujo de productos qude productos quíímicosmicos
Manufactura Manufactura QuQuíímicamica
Uso de Uso de productos y productos y materialesmateriales
Uso de materias Uso de materias primas renovablesprimas renovables
ObtenciObtencióón n de materias de materias
primasprimasEliminaciEliminacióónn
DiseDiseñño de o de productos productos
biodegradablesbiodegradables
DiseDiseñño de o de productos que no productos que no
dadaññen la salud ni el en la salud ni el medioambientemedioambiente
DiseDiseñño de procesos o de procesos industriales mindustriales máás eficientes:s eficientes:-- EnergEnergííaa-- Sin usar reactivos Sin usar reactivos peligrosos o nocivospeligrosos o nocivos-- Que no generen residuos o Que no generen residuos o que estos sean inocuosque estos sean inocuos
EJEMPLOS DEQUÍMICA VERDE
• Biocombustibles• Extintores• Tintorería ecológica• Polímeros• Esterilización• Sintesis verde de viagra• Biocatálisis• Disolventes verdes• Energía
Ejemplos de QuEjemplos de Quíímica Sostenible: uso de mica Sostenible: uso de productos quproductos quíímicosmicos
ReducciReduccióón de la n de la contaminacicontaminacióón n
por PLOMOpor PLOMO
ReducciReduccióón de su uso en n de su uso en pigmentos (color rojo, igual pigmentos (color rojo, igual que cromo y cadmio para que cromo y cadmio para
naranja y amarillo)naranja y amarillo)
Gasolina sin Gasolina sin plomo (uso de plomo (uso de
catalizadores en catalizadores en automautomóóviles)viles)
BiocombustiblesBiocombustibles
Desarrollo de pigmentos Desarrollo de pigmentos que contienen calcio, que contienen calcio,
estroncio y barioestroncio y bario
Ejemplos de QuEjemplos de Quíímica Sostenible: uso de mica Sostenible: uso de productos quproductos quíímicosmicos
Extintores Extintores ““verdesverdes””Los extintores llevan sustancias nocivas en ciertos aspectos, o
gases de tipo halon, que dañan la capa de ozono, o disoluciones
acuosas con aditivos persistentes en el medioambiente (fluorosurfactantes).
PyrocoolPyrocool utiliza utiliza surfactantessurfactantesbiodegradables para formar biodegradables para formar
espumas extintoras.espumas extintoras.
Ejemplos de QuEjemplos de Quíímica Sostenible: uso de mica Sostenible: uso de productos quproductos quíímicosmicos
Limpieza Limpieza ““en secoen seco””Percloroetileno (perc) es el
disolvente usado para tintorería. Se sospecha que causa cáncer y que sus residuos contaminan el agua.
El COEl CO22 supercrsupercríítico, junto tico, junto con algcon algúún humectante, es n humectante, es muy eficaz para eliminar la muy eficaz para eliminar la
grasa. Se usa de modo grasa. Se usa de modo comercial en algunas comercial en algunas
tintorertintoreríías.as.
Ejemplos de QuEjemplos de Quíímica Sostenible: disemica Sostenible: diseñño de o de materiales biodegradablesmateriales biodegradables
ÁÁcido cido polilpoliláácticoctico
Ejemplos de QuEjemplos de Quíímica Sostenible: uso de mica Sostenible: uso de productos quproductos quíímicosmicos
EsterilizaciEsterilizacióón de n de muestras biolmuestras biolóógicas o gicas o
implantes mimplantes méédicosdicos
Las dos técnicas usadas comúnmente, óxido de etileno y
radiación gamma, tienen problemas de toxicidad o seguridad.
El COEl CO22 supercrsupercríítico, junto con tico, junto con algo de algo de áácido cido peracperacééticotico y y
agua consigue la esterilizaciagua consigue la esterilizacióón n a baja temperatura.a baja temperatura.
VIAGRA VERDE
• Sildenafilo, se consumen 9 cápsulasde 50 mg/ seg. Se producían 100 l de residuos por Kg, en la actualidad se producen solo 2 l. El consumo de disolventes pasa de 125.000 l/año a 13.500 y se han eliminado los tóxicos.
N
HNN
NOEt
O2S NN
Pr
Me
Me
O
O
O
O
OH
ZANAHORIA
UNA REACCIÓN VERDE
Uso industrial de disolventes en EuropaUso industrial de disolventes en Europa
Producción de tintas1%
Procesamiento de caucho
2%Producción de fármacos
5%
Producción de adhesivos
4%
Artes gráficas13%
Tratamiento de maderas5%
Recubrimientos adhesivos
10%
Extracción de aceites4%
Limpieza en seco4%
Desengrasado13%
Pinturas39%
Ésteres9%
Halogenados8%
Aromáticos21%
Alcanos9%
Alcoholes33%
Éteres14%
Polares apróticos6%
2.200.000 Tm de disolventes usados en la U.E.
Producción de tintas1%
Procesamiento de caucho
2%Producción de fármacos
5%
Producción de adhesivos
4%
Artes gráficas13%
Tratamiento de maderas5%
Recubrimientos adhesivos
10%
Extracción de aceites4%
Limpieza en seco4%
Desengrasado13%
Pinturas39%
hidrocarburos
alcoholes y deriv
cloradoscetonas
glicolesotros
19871992
1997
Disolventes alternativosDisolventes alternativos
AguaAgua Formulaciones en pinturas y barnicesFormulaciones en pinturas y barnices
sCOsCO22
Extracciones de sustancias naturales: Extracciones de sustancias naturales: cafcaféé descafeinado, aceites esencialesdescafeinado, aceites esenciales……
Limpieza en secoLimpieza en seco
Disolventes orgDisolventes orgáánicos renovablesnicos renovablesEn ocasiones el empleo de un disolvente orgánico es inevitable o presenta ventajas difíciles de superar (mayor solubilidad de los solutos, facilidad de separación)
Una opción es sustituir los disolventes derivados del petróleo por otros procedentes de la biomasa, que pueden obtenerse por procesos de fermentación, enzimáticos o de esterificación, con las ventajas de ser biodegradables y contener oxígeno en su estructura en casi todos los casos
BIOMASABIOMASABIOMASA
Glicoles yéteres de glicol
Etanol Ácido láctico y lactatos
Esteres de ácidos grasos
Terpenos
Disolventes orgDisolventes orgáánicos renovablesnicos renovablesLas “biorefinerías” son capaces de producir este tipo de disolventes en grandes cantidades, lo que ya permite su comercialización a precios competitivos
Lactato de etiloEsteres de
aceite de soja
Sociedad basada en el petroleo
El crecimiento de las emisiones de CO2 causa un incremento en el CO2 atmosférico asociado con un incremento de la temperatura global
World Energy World Energy DemandDemand
2004: 14.5 TW (220 millions of barrels of oil per 2004: 14.5 TW (220 millions of barrels of oil per day)day)2050: 302050: 30--60 TW (45060 TW (450--900 900 mbdmbd))
Indicadores del cambio climático
FÍSICO-QUÍMICOS
Indicadores del cambio climático
- Ave pequeña, de unos 12 cm de long., alas largas y cabeza grande. Difícil de observar por su mimetismo con el terreno.
- Habita en desiertos y zonas áridas del norte de África y Próximo Oriente
- 1970 vista por primera vez en la Península Ibérica, en Almería y Murcia, donde se supone que llegó desde El Magreb
- 2000 se pudo comprobar por primera vez su reproducción en Alicante
- 2002 se detectó por primera vez su presencia en el delta del Ebro
BIOLÓGICOS
BUCANETES GITHAGINEUS(Camachuelo Trompetero)
PILAS DE COIMBUSTIBLE E HIDRÓGENO PROVENIENTE DEL AGUA
2 H2O O-O + 4 H+ + 4 e-
La energía proviene de la luz solar, aunque no
interaccione directamentecon el H2O
hν
4 H+ + 4 e- 2 H2
2 H2O O-O + 2 H-H
¡¡96% a 96% a partirpartir de combustibles de combustibles ffóósilessiles!!
Celdas de combustible: HCeldas de combustible: H22 + O+ O22 = H= H22OO
EN RESUMEN,LA QUÍMICA VERDE ES
• Científicamente consistente,• Económicamente eficiente, y• Conduce hacia una civilización
sostenible.
Los 10 problemas más importantes de la Humanidad en lospróximos 50 años
ENERGÍAAGUAALIMENTACIÓNMEDIO AMBIENTEPOBREZATERRORISMO y GUERRAENFERMEDADEDUCACIÓNDEMOCRACIASUPERPOBLACIÓN
2000 6.000 Millones de Personas2050 8-10.000 Millones de Personas
Fuente: Prof. R.E. Smalley, „Our Energy Challenge“, Columbia University, NYC, 23 September 2003
GREEN CHEMISTRY GREEN CHEMISTRY
UNA APUESTA ESTRATÉGICA DE FUTURO
IbercajaZentrumMayo 2008