خوردگی فلزات و ترمودینامیک شیمیایی
ساعت ۱۱:٤۱ ‎ب.ظ روز ۱۳۸٧/٥/٢٥ 

خوردگی فلزات و ترمودینامیک شیمیایی

 

 

 

 

دید کلی

یکی از مهمترین راههای قطع وابستگی غیر ضروری ، شناخت مشکلات و موانع و راههای تقلیل اثرات سوء آنها می‌باشد. به همین قیاس ، در صنعت و بخصوص صنایع کشور ما ، برای جلوگیری از هدر رفتن منابع مالی و انسانی که یکی از پیامدهای آن ، تقویت هر چه بیشتر بندهای وابستگی می‌باشد، لازم است تا نقاط ضعف صنعت را بخوبی بشناسیم و در آن راستا ، به تقویت هر چه بیشتر توان علمی خود بپردازیم.

خوردگی
یکی از موارد معدودی است که اثر خود را نه تنها در مراحل طراحی ، ساخت و تولید و بهره برداری نمایان می‌سازد، بلکه مبالغ عظیمی را نیز در مرحله حفاظت و نگهداری به خود اختصاص می‌دهد.

آسیب‌شناسی صنعت

برای شناخت صحیح‌تر خوردگی و اهمیت آن باید به آسیب‌شناسی صنعت پرداخت، زیرا یکی از مهمترین عواملی که گریبانگیر رشد صنایع و به خصوص صنایع ایرانی می‌باشد، عدم درک عمیق مساله خوردگی است. شاید بتوان دو دلیل عمده برای این بی‌عنایتی برشمرد:

  • در رابطه با ضرر و زیانهای وارد آمده توسط خوردگی به صنایع ، نه تنها آمار مستند بلکه حتی تخمین‌های رسمی مستند و قابل انکار وجود ندارد، لذا مشخص نیست که خوردگی چگونه به آرامی اما بطور مداوم ثروتهای ملی را هدر می‌دهد.
  • ابعاد فاجعه انگیز خوردگی از نظر اتلاف ماده و انرژی و ضرر و زیانهای زیست محیطی روشن نیست. لذا اکثرا با تصور اینکه مسائل مالی مربوط به خوردگی در بررسیهای مالی- اقتصادی در سر فصل استهلاک دیده می‌شوند، از ابعاد واقعی قضیه بی‌خبر می‌مانند و در نتیجه اهمیت مساله همواره در هاله ای از ابهام باقی می‌ماند.

مهندسی خوردگی

در این سلسله مقالات ، خواهیم کوشید جنبه ای از مهندسی را که به آن ««مهندسی خوردگی»» اطلاق می‌شود، به خوانندگان معرفی نماییم. هدف این نوشته‌ها ، ایجاد معلومان نیست، چه ، بسیاری از آنچه را که در اینجا می‌آید، می‌توان در کتب و مقالات تخصصی یافت، بلکه منظور اصلی ، ایجاد شناخت و آگاهی (هر چند جزئی) درباره یکی از مشکلات صنعتی است تا دانش پژوهان در انتخاب رشته‌های تحصیلی با آگاهی و توجه بیشتری اقدام کنند.

خوردگی چیست؟

خوردگی در زبان فارسی ترجمه واژه ای انگلیسی است که معنای آن جویده شده و گاز گرفته شده است. به نظر می‌رسد ظاهر قطعه خورده شده ، این تداعی معنایی را سبب شده باشد. برای بیشتر مردم، خوردگی با مصادیقش شناخته می‌شود، از قبیل زنگ زدگی و سیاه شدن قاشقهای نقره‌ای. در واقع خوردگی همه اینها هست، اما به‌تنهایی هیچ یک نیست. بطور مثال ، زنگ زدگی فقط به خوردگی آلیاژهای آهن اطلاق می‌شود.

استاندارد ایزو 8044 ، خوردگی را بدین شکل تعریف می‌کند:


««
واکنش فیزیکی – شیمیایی متقابل بین فلز و محیط اطرافش که معمولا دارای طبیعت الکتروشیمیایی است و نتیجه‌اش تغییر در خواص فلز می‌باشد. این تغییرات خواص ممکن است منجر به از دست رفتن عملکرد فلز ، محیط یا دستگاهی شود که این دو ، قسمتی از آن را تشکیل می‌دهند. »»

 

 

ترمودینامیک و خوردگی

ترمودینامیک یکی از رشته های فیزیکی – شیمی، است. یکی از ویژگی‌های علم ترمودینامیک این است که می‌تواند پیش‌بینی کند که آیا واکنشهای خاصی رخ خواهند داد یا نه. تعیین زمانی واکنشی که ترمودینامیک ، انجام آن را پیش بینی می‌کند، موضوع علم سینتیک است. خوردگی را می‌توان میل ترمودینامیکی برای بازگشت به اصل خود فلز دانست و آن را چنین توضیح داد:

فلزات اکثرا به شکل ترکیبات شیمیایی در سنگهای معدنی موجود هستند. فلز در این حالت به خاطر وضعیت ترمودینامیکی خود ، حالت پایدار دارد، یعنی از نظر ترمودینامیکی اگر نیرویی از خارج بر سنگ معدن وارد نشود، فلز میل دارد که در سنگ بماند و حالت ترکیبی خود را حفظ نماید. وقتی سنگ معدن از معدن جدا می‌شود، طی فرآیندهای خاصی ، فلز از سنگ استخراج می‌شود و به حالت فلز خالص در می آید.

عمل استخراج فلز ، از نظر شیمیایی یک فرآیند الکترون گیری یا احیا به حساب می‌آید. به این ترتیب فلز موجود در سنگ معدن ، الکترون می‌گیرد و به حالت فلز خالص در می‌آید. اما در اینجا وضعیتی ناگوار وجود دارد: الکترونهایی که طی فرآیند استخراج گرفته شده‌اند، برای فلز به شکل مهمان ناخوانده در می‌آیند. فلز علاوه بر الکترونهایی که خود دارد، الکترونهای زیادتری را نیز طی استخراج به سوی خود فرا خوانده ، با مهمان کردن الکترونهای اضافی از چنگ سنگ گریخته است. اما این مهمانان تبدیل به ناخواستگانی شده‌اند که فلز دائما در جستجوی راهی برای بیرون راندن آنهاست. به زبان ترمودینامیکی ، بی‌قراری فلز را ناپایداری ترمودینامیکی می‌نامند.

هنگامی که فلز موفق به از دست دادن الکترون می‌شود، واکنش اکسیداسیون رخ می‌دهد و می‌گویند خوردگی اتفاق افتاده است. وقتی فلز خورده شد، آنچه از واکنش باقی می‌ماند (اصطلاحا محصولات خوردگی) به لحاظ ترمودینامیکی پایدار خواهد بود و از این نظر مانند فلز در حالت معدنی (در حالتی که به شکل ترکیب در سنگ معدن وجود داشت) رفتار می‌کند.

جالب آنکه از نظر شیمیایی نیز محصولات خوردگی مثل سولفات آهن ، اکسید روی و غیره ، همان ترکیباتی هستند که در سنگ معدن فلز یافت می‌شود.

خوردگی ، یک واکنش طبیعی

از آنچه گفته شد، می‌توان نتیجه گرفت که خوردگی یک واکنش طبیعی است و انجام می‌شود. اما چنانکه خواهیم دید، خوردگی دارای زیانهای بسیاری است که ما را وادار می‌کند تا ترجیح دهیم این واکنش انجام نشود. انجام نشدن خوردگی مثل آن است که بخواهیم آبشاری به جای آنکه از بالای صخره به پایین بریزد، از پایین به بالا بریزد. اگر چه امکان ندارد که ریزش آبشار را وارونه کنیم، اما خواهیم دید که روشهایی وجود دارند که با استفاده از آنها می‌توان نه تنها خوردگی را مهار کرد، بلکه آن را برعکس نمود!

 


کلمات کلیدی:
 
عامل خوردگی فلزات چیست؟
ساعت ۱۱:۳٤ ‎ب.ظ روز ۱۳۸٧/٥/٢٥ 


کلمات کلیدی:
 
کنترل خوردگی فلزات
ساعت ۱۱:۳٢ ‎ب.ظ روز ۱۳۸٧/٥/٢٥ 


کلمات کلیدی:
 
خوردگی مواد
ساعت ۱۱:۳۱ ‎ب.ظ روز ۱۳۸٧/٥/٢٥ 


کلمات کلیدی:
 
انواع خوردگی
ساعت ۱۱:۳٠ ‎ب.ظ روز ۱۳۸٧/٥/٢٥ 


کلمات کلیدی:
 
خورذگی فلزات
ساعت ۱۱:٢٥ ‎ب.ظ روز ۱۳۸٧/٥/٢٥ 


کلمات کلیدی:
 
حلالهای سبز
ساعت ۱٢:٢۳ ‎ق.ظ روز ۱۳۸٧/٥/۱٠ 

حلال های سبز محیط زیست را آلوده نمی کند

استفاده از حلالهای سمی و آتشگیر از مهمترین مسائل مخاطره آمیز در صنایع شیمیایی است. در ضمن ، ورود این حلالها به محیط زیست باعث ایجاد آلاینده های مضر می شود و طبیعتا هزینه های هنگفتی صرف کنترل آنها خواهد شد.
به طور کلی مشکلات ناشی از جداسازی حلالها از محصولات ، بازیافت کامل این حلالها و مخاطرات زیست محیطی از جمله عواملی بودند که توجه محققان را به سمت استفاده از حلالهای سبز معطوف کردند. با توجه به اهمیت موضوع و همگام با فناوری های روز دنیا ، محققان پژوهشگاه صنعت نفت موفق به ساخت حلالهای سبز (مایعات یونی) در راستای استفاده از آنها برای جذب گاز
Co۲
از گاز طبیعی شدند.
امروز وقتی از شیمی صحبت می کنیم ، معمولا همیشه منظورمان علم شیمی در شکل محض آن نیست. واژه شیمی ، بیشتر با کلماتی نظیر محصولات ، صنعت ، شغل ، تجارت ، پیشرفت و خطرات همراه است.
صنایع شیمیایی برای افراد زیادی اشتغال ایجاد کرده اند بنابراین در حیات اجتماعی و اقتصادی جوامع نقش کلیدی دارند. از سوی دیگر بسیاری از فرایندهایی که از مواد شیمیایی استفاده می کنند ، می توانند اثرهای زیان آوری روی محیط زیست یا سلامتی انسان داشته باشند بنابراین حذف یا کاهش این خطرات تا یک سطح قابل قبول ، مساله ای بسیار مهم است. مطمئنا با کاهش انتشار مواد خطرناک می توان از خطرهای احتمالی مواد شیمیایی کاست.
این کار معمولا با اعمال محدودیت های قانونی در مراحل استفاده ، جابه جایی ، تصفیه و یا دفع مواد شیمیایی انجام می شود اما شیمی سبز به پارامتر اول یعنی زیان آوری مواد شیمیایی می پردازد و به دنبال این است که خطر ذاتی مواد را کاهش دهد. شیمی سبز بنابر پذیرفته ترین تعریف آن عبارت است از: طراحی ، توسعه و به کارگیری فرایندها و محصولات برای کاهش یا حذف موادی که برای انسان یا محیط زیست خطرناک هستند.
● نسلی جدید از ترکیبات شیمیایی
استفاده از حلالهای سمی و آتشگیر از مهمترین مسائل مخاطره آمیز در صنایع شیمیایی است. ورود این حلالها به محیط زیست باعث ایجاد آلاینده های مضر می شود و طبیعتا هزینه های هنگفتی صرف کنترل آنها خواهد شد. مشکلات ناشی از جداسازی حلالها از محصولات ، بازیافت کامل این حلالها و مخاطرات زیست محیطی از جمله عواملی هستند که توجه محققان را به سمت استفاده از حلالهای سبز معطوف داشته است.
به گفته دکتر امیر ناصر احمدی ، عضو هیات علمی پژوهشگاه صنعت نفت و مسوول طرح ساخت حلالهای سبز ، افزودن بر آب و دی اکسیدکربن به عنوان حلالهای سبز ، دسته جدیدی از ترکیبات شیمیایی با عنوان مایعات یونی با خواص و ویژگی های فوق العاده قادر به ایجاد محیطهای شیمیایی سبز به منظور اجرای فرآیندهای شیمیایی هستند. این ترکیبات عموما شامل یک کاتیون حجیم و یک آنیون آلی یا معدنی هستند که گرچه ماهیت یونی دارند ولی به علت عدم تقارن در ساختار ملکولی شان دارای نقطه ذوب پایین و معمولا در شرایط محیطی به فرم مایع هستند. این کیفیت ایجاد یک محیط قطبی بسیار قوی را می کند که نتیجه آن معرفی مجموعه جدیدی از حلالهای سبز برای اجرای گروه بزرگی از فرآیندهای شیمیایی است.
● جایگزینی مناسب
مهمترین ویژگی های مایعات یونی شامل تغییر در خواص فیزیکی آنها با تغییر آنیون ها و کاتیون ها و متنوع کردن دامنه کاربردی آنها می شود که این ویژگی این ترکیبات را به عنوان حلالهای قابل طراحی معرفی می کند. در ضمن ناچیز بودن فشار بخار مایعات یونی و ایجاد نشدن آلاینده های زیست محیطی ، به حداقل رسیدن ریسک انجام فرآیندهای شیمیایی براساس طبیعت ضد آتشگیر بودن مایعات یونی ، ایجاد نشدن خوردگی و قابل حل بودن محدوده وسیعی از ترکیبات آلی و معدنی در مایعات یونی از دیگر ویژگی های این مایعات هستند. به گفته احمدی ، از بهترین جنبه های کاربردی این گونه ها علاوه بر استفاده از آنها به عنوان حلالهای سبز در فرآیندهای شیمیایی می توان به توانایی آنها در فرآیند جذب بویژه جذب گازهای اسیدی و استفاده از آنها به عنوان کاتالیست های سبز با طراحی مدلهای خاص و همین طور عوامل موثر در فرآیندهای جداسازی در سیستم های دوفازی و سه فازی اشاره کرد.احمدی می افزاید: در اجرای این طرح با توجه به ویژگی های مطلوب مایعات یونی ، دستیابی به دانش ساخت آنها به عنوان ترکیبات
Fine Chemicals
با ارزش افزوده بسیار بالا از یک سو و استفاده از آنها در فرآیند تصفیه گازهای طبیعی به صورت یک محیط بدون آلاینده و حذف مسائل خوردگی از سوی دیگر، مورد توجه است.
توجه به انتخاب جایگزین های مناسب برای آمین ها در فرآیندهای تصفیه گاز به صورت جدی از یک دهه پیش از سوی کشورهای انگلستان و هلند آغاز و تلاش برای کاربردی کردن فرآیند همچنان ادامه دارد. همگام با این حرکت ، محققان پژوهشگاه صنعت نفت نیز دستیابی به این فناوری نوین را به منظور جایگزین مواد شیمیایی پرمصرف در صنعت به منظور کاهش آلاینده ها ، حذف مسائل خوردگی ناشی از آمین ها و همین طور کاهش مصرف انرژی مورد توجه خاص قرار داده اند. با امکان جایگزینی آمین ها با مایعات یونی ویژه و جذب گاز
CO۲ ، از یک سو افزایش ظرفیت پالایشگاه های گاز کشور و کاهش مصرف انرژی مورد نظر و از سوی دیگر با بازیافت کامل CO۲ از این ترکیبات امکان استفاده مجدد از آنها مطرح است.
● همگام با فناوری روز دنیا
در این طرح ، ساخت مایعات یونی با کاربردهای خاص ، امکان کاربرد مایعات یونی به عنوان حلال سبز در فرایند تصفیه گاز طبیعی و ایجاد محیطهای شیمیایی سبز و همین طور افزایش مقیاس تولید این ترکیبات مورد توجه است.
این طرح پس از مطالعات اولیه از اواسط سال
۸۴ در پژوهشگاه صنعت نفت آغاز و همگام با موضوعات و فناوری های روز دنیا مراحل تحقیقاتی آن دنبال می شود. نتایج به دست آمده حاکی از دستیابی به دانش ساخت این ترکیبات با فناوری و تجهیزات داخلی هستند و رفتار بسیار مناسبی از آنها در فرآیند جذب گاز CO۲
از گازهای طبیعی داخل کشور ملاحظه شده است. این طرح با حمایت مرکز تحقیق و توسعه شرکت ملی نفت ایران آغاز و در حال تکوین است. نتایج به دست آمده از طرح تاکنون به صورت ثبت اختراع بین المللی در حال تدوین نهایی است.
احمدی در پایان می افزاید: در فازهای بعدی ، طرح ساخت مایعات یونی جدید با خواص ویژه و همین طور افزایش مقیاس آنها و عملیاتی کردن جداسازی گازهای اسیدی از گاز طبیعی کشور مورد توجه است.
● بحران آلودگی محیط زیست جدی است
محیط زیست ، تمام چیزهایی است که در اطراف ما وجود دارند و روی آنها تاثیر می گذاریم و آنها نیز ما را متاثر می سازند. اکوسیستم های خشکی و دریایی ، گونه های مختلف حیات ، دریاها و رودخانه ها ، تالاب ها ، جنگلها و مراتع از عناصر تشکیل دهنده محیط زیست طبیعی به شمار می روند و هر یک به گونه ای در ایجاد شرایط پایداری حیات موثر واقع می شوند. در واقع طبیعت زنده محیط زیست ما ، قسمتی از کشور ماست. این در حالی است که ما بر اثر بهره برداری غیراصولی از منابع طبیعی ، در نابودی فرهنگ و تمدن خود نقش مهمی داریم.
در این میان اصل حفظ و حمایت از منابع طبیعی کشور و اشاعه فرهنگ زیست محیطی ، یک وظیفه ملی است و امروزه ملاحظات زیست محیطی جایگاه ویژه ای در رابطه با فعالیت های مرتبط با انرژی در دنیا کسب کرده است.
واقعیت این است که خسارت و تخریب محیط زیست بیش از این به وسیله جوامع و دولتها جدی تلقی نمی شد اما بحران آلودگی محیط زیست جهانی بویژه از نیمه دوم قرن بیستم موجب شد دانشمندان اعتقاد پیدا کنند که اگر توسعه و حفاظت محیط زیست با یکدیگر همسو و سازگار نشوند ، تداوم حیات و زندگی روی کره زمین برای نسل آینده امکان پذیر نخواهد بود. در این میان ، صنایع شیمیایی برای افراد زیادی اشتغال ایجاد کرده اند و بنابراین در حیات اجتماعی و اقتصادی جوامع نقش کلیدی دارند اما بسیاری از فرایندهایی که از مواد شیمیایی استفاده می کنند ، می توانند اثرهای زیان آوری روی محیط زیست یا سلامتی انسان داشته باشند بنابراین حذف یا کاهش این خطرات تا یک سطح قابل قبول ، مساله ای بسیار مهم است

 


کلمات کلیدی:
 
شیمی سبز
ساعت ۱٢:۱٤ ‎ق.ظ روز ۱۳۸٧/٥/۱٠ 

شیمی سبز: پیش‌گیری از آلودگی در سطح مولکولی


شیمی نقشی بنیادی در پیشرفت تمدن آدمی داشته و جایگاه آن در اقتصاد، سیاست و زندگی‌روزمره روز به روز پر رنگ‌تر شده است. با این همه، شیمی طی روند پیشرفت خود، که همواره با سود رساندن به آدمی همراه بوده، آسیب‌های چشم‌گیری نیز به سلامت آدمی و محیط زیست وارد کرده است. شیمیدان‌ها طی سال‌ها کوشش و پژوهش، مواد خامی را از طبیعت برداشت کرده‌اند، که با سلامت آدمی و شرایط محیط زیست سازگاری بسیار دارند، و آن‌ها را به موادی دگرگونه کرده‌اند که سلامت آدمی و محیط زیست را به چالش کشیده‌اند. هم‌چنین، این مواد به‌سادگی به چرخه‌ی طبیعی مواد باز نمی‌گردند و سال‌های زیادی به صورت زباله‌های بسیار آسیب‌رسان و همیشگی در طبیعت می‌ماند.

بارها از آسیب‌های مواد شیمیایی به بدن آدمی و محیط زیست شنیده و خوانده‌ایم. اما، چاره‌ی کار چیست؟ آیا دوری و پرهیز از بهره‌گیری از مواد شیمیایی می‌تواند به ما کمک کند؟ تا چه اندازه‌ای می‌توانیم از آن‌ها دوری کنیم؟ کدام‌ها را می‌توانیم به کار نبریم؟ کدام‌یک از فرآورده‌های شیمیایی را می‌توان یافت که با آسیب به سلامت آدمی یا محیط زیست همراه نباشد؟ داروهایی که سلامتی ما به آن‌ها بستگی زیادی دارد، خود با آسیب‌هایی به بدن ما همراه‌اند. آیا می‌توانیم آن‌ها را به کار نبریم؟ آیا می‌توان آب تصفیه شده با مواد شیمیایی را ننوشیم؟ پیرامون ما را انبوهی از مواد شیمیایی گوناگون فراگرفته‌اند که در زهرآگین بودن و آسیب‌رسان بودن بیش‌تر آن‌ها شکی نداریم و از بسیاری از آن‌ها نیز نمی‌توانیم دوری کنیم.

بی‌گمان هر اندازه که بتوانیم از به کارگیری مواد شیمیایی در زندگی خود پرهیز کنیم یا از رها شدن این گونه مواد در طبیعت جلوگیری کنیم، به سلامت خود و محیط زیست کمک کرده‌ایم. اما به نظر می‌رسد در کنار این راهکارهای پیش‌گیرانه، که تا کنون کارآمدی چشمگیری از خود نشان نداده‌اند، باید به راه‌های کارآمدتری نیز بیاندیشیم که دگرگونی در شیوه‌ی ساختن مواد شیمایی در راستای کاهش آسیب‌های آن‌ها به آدمی و محیط زیست، یکی از این راه‌هاست. امروزه، از این رویکرد نوین با عنوان شیمی سبز یاد می‌شود که عبارت است از: طراحی فرآورده‌ها و فرآیندهای شیمیایی که به‌کارگیری و تولید مواد آسیب‌رسان به سلامت آدمی و محیط زیست را کاهش می‌دهند یا از بین می‌برند.

بنیادهای شیمی سبز

شیمی سبز، که ‌بیش‌تر به عنوان شیوه‌ای برای پیش‌گیری از آلودگی در سطح مولکولی شناخته می‌شود، بر دوازده بنیاد استوار است که طراحی یا بازطراحی مولکول‌ها، مواد و دگرگونی‌های شیمیایی در راستای سالم‌تر کردن آن‌ها برای آدمی و محیط زیست، بر پایه‌ی آن‌ها انجام می‌شود.

1. پیش‌گیری از تولید فراورده‌های بیهوده

توانایی شیمی‌دان‌ها برای بازطراحی دگرگونی‌های شیمیایی برای کاستن از تولید فراورده‌های بیهوده‌ و آسیب‌رسان، نخستین گام در پیش‌گیری از آلودگی است. با پیش‌گیری از تولید فراورده‌های بیهوده، آسیب‌های مرتبط با انبارکردن، جابه‌جایی و رفتار با آن‌ها را به کم‌ترین اندازه‌ی خود کاهش می‌دهیم.

2. اقتصاد اتم، افزایش بهره‌وری از اتم

اقتصاد اتم به این مفهوم است که بازده دگرگونی‌های شیمیایی را افزایش دهیم. یعنی طراحی دگرگونی‌های شیمیایی به شیوه‌ای باشد که گنجاندن بیش‌تر مواد آغازین را در فرآورده‌ها‌ی نهایی درپی داشته باشد. گزینش این گونه دگرگونی‌ها، بازده را افزایش و فرآورده‌های بیهوده را کاهش می‌دهد.

3. طراحی فرایندهای شیمیایی کم‌آسیب‌تر

شیمی‌دان‌ها در جایی که امکان دارد باید شیوه‌ی را طراحی کنند تا موادی را به کار برد یا تولید کند که زهرآگینی کم‌تری برای آدمی یا محیط زیست داشته باشند. اغلب برای یک دگرگونی شیمیایی واکنش‌گرهای گوناگونی وجود دارد که از میان آن‌ها می‌توان مناسب‌ترین را برگزید.

4. طراحی مواد و فراورده‌های شیمیایی سالم‌تر

فراورده‌های شیمیایی باید به گونه‌ای طراحی شوند که با وجود کاهش زهرآگینی‌شان کار خود را به‌خوبی انجام دهند. فراورده‌های جدید را می‌توان به گونه‌ای طراحی کرد که سالم‌تر باشند و در همان حال، کار در نظر گرفته شده برای آن‌‌ها را به‌خوبی انجام دهند.

5. بهره‌گیری از حلال‌ها و شرایط واکنشی سالم‌تر

بهره‌گیری از مواد کمکی(مانند حلال‌ها و عامل‌های جداکننده) تا جایی که امکان دارد به کم‌ترین اندازه‌ برسد و زمانی که به کار می‌روند از گونه‌های کم‌آسیب‌رسان باشند. دوری کردن از جداسازی در جایی که امکان دارد و کاهش بهره‌گیری از مواد کمکی، در کاهش فراورده‌های بیهوده کمک زیادی می‌کند.

6. افزایش بازده انرژی.

نیاز به انرژی در فرایندهای شیمیایی از نظر اثر آن‌ها بر محیط زیست و اقتصاد باید در نظر گرفته شود و به کم‌ترین میزان خود کاهش یابد. اگر امکان دارد، روش‌های ساخت و جداسازی باید به گونه‌ای طراحی شود که هزینه‌های انرژی مرتبط با دما و فشار بسیار بالا یا بسیار پایین به کم‌ترین اندازه‌ی خود برسد.

7. بهره‌گیری از مواداولیه‌ی نوشدنی

دگرگونی‌های شیمیایی باید به گونه‌ای طراحی شوند تا از مواد اولیه‌ی نوشدنی بهره گیرند. فرآورده‌های کشاورزی یا فرآورده‌های بیهوده‌ی فرآیندهای دیگر، نمونه‌هایی از مواد نوشدنی هستند. تا جایی که امکان دارد، این گونه مواد را به‌جای مواد اولیه‌ای که از معدن یا سوخت‌های فسیلی به دست می‌آیند، به کار بریم.

8. پرهیز از مشتق‌های شیمیایی.

مشتق‌گرفتن‌(مانند بهره‌گیری از گروه‌های مسدودکننده یا تغییرهای شیمیایی و فیزیکی گذرا) بایدکاهش یابد، زیرا چنین مرحله‌هایی به واکنشگرهای اضافی نیاز دارند که می‌توانند فراورده‌های بیهوده تولید کنند. توالی‌های جایگزین می‌توانند نیاز به گروه‌های حفاظت‌کننده یا تغییر گروه‌های عاملی را از بین ببرند یا کاهش دهند.

9. بهره‌گیری از کاتالیزگرها

کاتالیزگرها گزینشی بودن یک واکنش را افزایش می‌دهند؛ دمای مورد نیاز را کاهش می‌دهند؛ واکنش‌های جانبی را به کم‌ترین اندازه می‌رسانند؛ میزان دگرگون‌شدن واکنشگرها به فرآورده‌های نهایی را افزایش می‌دهند و میزان فرآورده‌های بیهوده مرتبط با واکنشگرها را کاهش می‌دهند.

10. طراحی برای خراب شدن

فروآرده‌های شیمیایی باید به گونه‌ای طراحی شوند که در پایان کاری که برای آن‌ها در نظر گرفته شده، به فرآورده‌ها‌ی تجزیه‌شدنی، بشکنند و زیاد در محیط زیست نمانند. روش طراحی در سطح مولکول برای تولید فرآورده‌هایی که پس از آزاد شدن در محیط به مواد آسیب‌نرسان تجزیه می‌شوند، مورد توجه است.

11. تحلیل در زمان واقعی برای پیش‌گیری از آلودگی

بسیار اهمیت دارد که پیشرفت یک واکنش را همواره پی‌گیری کنید تا بدانید چه هنگام واکنش کامل می‌شود یا بروز هر فراورده‌ی جانبی ناخواسته را شناسایی کنید. هر جا که امکان داشته باشد، روش‌های آنالیز در زمان واقعی به کار گرفته شوند تا به وجود آمدن مواد آسیب‌رسان پی‌گیری و پیش‌گیری شود.

12. کاهش احتمال روی‌دادهای ناگوار

یک راه برای کاهش احتمال روی‌داهای شیمیایی ناخواسته، بهره‌گیری از واکنش‌گرها و حلال‌هایی است که احتمال انفجار، آتش‌سوزی و رهاشدن ناخواسته‌ی مواد شیمیایی را کاهش می‌دهند. آسیب‌های مرتبط با این روی‌دادها را می‌توان به تغییردادن حالت(جامد، مایع یا گاز) یا ترکیب واکنش‌گرها کاهش داد.

کوشش‌ها و دستاوردهای شیمی سبز

شیمیدان‌های سبز در پی آن هستند که روندهای شیمیایی سالم‌تری را جایگزین روندهای کنونی کنند یا با جایگزین کردن مواد اولیه‌ی سالم‌تر یا انجام دادن واکنش‌ها در شرایط ایمن‌تر، فراورده‌های سالم‌تری را به جامعه هدیه دهند. برخی از آن ها می‌کوشند شیمی را به زیست‌شیمی نزدیک کند، چرا که واکنش‌های زیست‌شیمیایی طی میلیون‌ها سال رخ داده‌اند و چه برای آدمی و چه برای محیط زیست، چالش‌ها نگران کننده‌ی به وجود نیاورده‌اند. بسیاری از این واکنش‌ها در شرایط طبیعی رخ می‌دهند و به دما و فشار بالا نیاز ندارند. فراورده‌های آن‌ها نیز به آسانی به چرخه‌ی مواد بازمی‌گردند و فراورده‌های جانبی آن‌ها برای جانداران سودمند هستند. الگو برداری از این واکنش‌ها می‌تواند چالش‌های بهداشتی و زیست‌محیطی کنونی را کاهش دهد.

گروه دیگری از شیمیدان‌های سبز می‌کوشند بهره‌وری اتمی را افزایش دهند. طی یک واکنش شیمیایی شماری اتم آغازگر واکنش هستند و در پایان بیش‌تر واکنش‌ها با فراورده‌هایی رو به رو هستیم که شمار اتم‌های آن‌ها از شمار همه‌ی اتم‌های آغازین بسیار کم‌تر است. بی‌گمان آن اتم‌ها نابود نشده‌اند، بلکه در ساختمان فرآورده‌های بیهوده و اغلب آسیب‌رسان به طبیعت رها می‌شوند و سلامت آدمی و دیگر جانداران را به چاش می‌کشند. هر چه بتوانیم اتم‌های بیش‌تری در فرآورده‌های بگنجانیم، هم به سلامت خود و محیط زیست کمک کرده‌ایم و هم از هدر رفتن اتم‌هایی که به عنوان مواد اولیه برای آن‌ها پول پرداخت کرده‌ایم، پیش‌گیری می‌کنیم.

بازطراحی واکنش‌های شیمیایی نیز راهکار سودمند دیگری برای پیش‌گیری از پیامدهای ناگوار مواد شیمیایی است. در این بازطراحی‌ها از مواد آغازگر سالم‌تر بهره می‌گیرند یا روندهایی را طراحی می‌کنند که با واکنش‌های مرحله‌ای کم‌تر به فراورده برسند. هم‌چنین، روندهایی را طراحی می‌کنند که به مواد کمکی کم‌تر، به‌ویژه حلال‌های شیمیایی، نیاز دارند. گاهی نیز واکنش‌های زیست‌شیمی و شیمی را به هم گره می‌زنند و روند سالم‌تری و کارآمدتری را می‌آفرینند. بازطراحی روند داروها می‌تواند همراه با افزایش کارآمدی آن‌ها به هر چه سالم‌تر شدن آن‌ها بینجامد و اثرهای جانبی آن‌ها بر روندهای زیست شناختی بدن، تا جایی که امان دارد، کاهش دهد.

در ادامه به نمونه‌هایی از کوشش‌ها و دستاوردهای شیمیدان‌های سبز اشاره می شود.

1. سوخت‌های جایگزین

به کارگیری سوخت‌های فسیلی در خودروها با رهاشدن انبوهی از گازهای گلخانه‌ی به جو همراه شده که دگرگونی‌های آب و هوایی را در پی داشته است. از سوختن نادرست آن‌ها نیز، مواد زهرآگینی به هوا آزاد شده که سلامتی آدمی را به چالش کشیده است. حتی اگر بتوانیم بر این دو چالش بزرگ پیروز شویم، با کاهش روز افزون اندوخته‌های فسیلی روبه‌رو هستیم که از آن گریزی نیست. این تنگناها همراه با افزایش روز افزون بهای این گونه سوخت‌ها، که به نظر می‌رسد همچنان ادامه یابد، پژوهشگران و مهندسان بسیاری را به فکر طراحی خودروهایی با سوخت هیدروژن انداخته است. چرا که خاستگاه این سوخت، آب است که فراوان‌ترین ماده در طبیعت است و فرآورده‌ی سوختن این سوخت در خودرو نیز خود آب است.

با این همه، سوخت هیدروژن با چالش بزرگی رو‌به‌رو است. فراهم آوردن هیدروژن از آب با فرآیند الکترولیز انجام می‌شود که برای پیشبرد آن به الکتریسیته نیاز هست و اکنون نیز بیش‌تر الکتریسیته از سوختن اندوخته‌های فسیلی به دست می‌آید. شاید روزی با به‌کاربردن برخی کاتالیزگرها بتوانیم از انرژی خورشیدی به جای سوخت‌های فسیلی در پیش بردن روند الکترولیز بهره گیریم، اما هنوز راهکار کارآمدی برای تولید ارزان هیدروژن پیشنهاد نشده است و به نظر نمی‌رسد در آینده‌ای نزدیک به چنین توانی دست پیدا کنیم. با این همه، برخی دانشمندان امیدوارند بتوانند خواستگاه زیستی برای هیدروژن به وجود آورند.

گروهی از پژوهشگران در سال 2000 میلادی گزارش کردند که توانسته‌اند از جلبک‌های سبز برای آزاد کردن هیدروژن از مولکول‌های آب، به همان اندازه که از الکترولیز به دست می‌آید، بهره‌ گیرند. اما نور خورشید برای این رویکرد گرفتاری درست می‌کند، چرا که جلبک طی فرآیند فتوسنتز اکسیژن نیز تولید می‌کند. این اکسیژن از کار آنزیم تولیدکننده‌ی هیدروژن جلوگیری می‌کند و در نتیجه هیدروژن اندکی به دست می‌آید دانشمندان می‌کوشند با تغییرهایی که در این فرایند طبیعی می‌دهند، بازده‌ی تولید هیدروژن را بالا ببرند. شاید یک روز آبگیر کوچکی که از جلبک پوشیده شده است، خواستگاه هیدروژن خودروهای ما باشد.

در رویکرد دیگر که مورد توجه است، از روغن‌های گیاهی به عنوان خواستگاهی برای تهیه‌ی سوخت جایگزین بهره می‌گیرند. برای تهیه‌ی این نوع سوخت، که با عنوان بیودیزل شناخته می شود، پس مانده‌ی روغن آشپزی را نیز می‌توان به کار گرفت. هر چند از سوختن این نوع سوخت نیز مانند دیگر سوخت‌های فسیلی گاز گل‌خانه‌ی آزاد می‌شود، اما به اندازه‌ا‌ی تولید می‌شود که گیاهان طی فرآیند فتوسنتز آن را برای تولید قند به کار می‌گیرند. از سوی دیگر، روغن‌ها گیاهی نوشدنی هستند و از سوختن آن‌ها گوگرد و آلاینده‌های آسیب‌رسان دیگری آزاد نمی‌شود. از سودمندی‌های دیگر این نوع سوخت این است که گلیسرین، ماده‌ای که در صابون، خمیردندان، مواد آرایشی و جاهای دیگر به کار می‌رود، از فرآورده‌های جانبی روند تولید آن است. هم‌چنین، چون طی روند تولید این سوخت، به آن اکسیژن افزوده می شود، بهتر از سوخت نفتی در موتور می‌سوزد. به روغن‌کاری موتور نیز کمک می‌کند و بر درازی عمر آن می‌افزاید.

2. پلاستیک‌های سبز و تجزیه‌پذیر

زندگی در جهانی بودن پلاستیک بسیار دشوار است. پلاستیک‌ها د ر تولید هر گونه فرآورده ‌ی صنعتی، از صنعت خودروسازی گرفته تا دنیای پزشکی، به کارگرفته شده‌اند . تنها در ایالات متحده ‌ی امریکا سالانه نزدیک 50 میلیون تن پلاستیک تولید می‌شود. اما این مواد به عنوان زباله‌های پایدار به تجزیه میکروبی، چالش‌های زیست ‌محیطی پیچیده‌ای به بار آورده‌اند. پلاستیک‌ها علاوه بر این که جاهای به خاک‌سپاری زباله را پر کرده‌اند، سالانه در حجمی برابر با چند هزار تن به محیط‌های دریایی وارد می‌شوند. برآورد شده است که هر سال یک میلیون جانور دریایی به دلیل خفگی حاصل از خوردن پلاستیک‌ها به عنوان غذا یا به دام افتادن در زباله‌های پلاستیکی از بین می‌روند.

در سال های اخیر، کوشش‌های قانونی برای جلوگیری از دورریزی پلاستیک‌های تجزیه ناشدنی، افزایش یافته است. این کوشش‌ها صنعت‌‌گران پلاستیک را واداشته است تا در پی پلاستیک‌هایی باشند که پیامدهای زیست‌محیطی کم‌تری دارند. پلاستیک‌های نشاسته‌ای تجزیه‌پذیر و پلاستیک‌های میکروبی از دستاورد کوشش‌های چند ساله‌ی پژوهشگران این زمینه‌ی در حال پیشرفت و گسترش است.

در پلاستیک های نشاسته‌ای، قطعه‌های کوتاهی از پلی‌اتیلن با مولکول‌های نشاسته به هم می‌پیوندند. هنگامی که این پلاستیک‌ها در جاهای به خاک‌سپاری زباله ‌ها، دور ریخته می‌شود، باکتری‌های خاک به مولکول‌های نشاسته یورش می‌برند و قطعه‌های پلی‌اتیلن را برای تجزیه‌ی میکروبی رها می‌سازند. این گونه پلاستیک‌ها اکنون در بازار وجود دارند و به ویژه‌ برای پلاستیک‌ها جابه‌جایی و نگهداری مواد عذایی و دیگر وسایل یک‌بار مصرف بسیار سودمند هستند. با این همه، کمبود اکسیژن در جاهای به خاک‌سپاری زباله‌‌ها و اثر مهاری قطعه‌های پلی‌اتیلن بر عملکرد باکتری‌ها، بهره‌گیری استفاده از این پلاستیک‌ها را محدود ساخته است.

در سال 1925 میلادی گروهی از دانشمندان کشف کردند که گونه‌های زیادی از باکتری‌ها ، بسپار پلی‌بی هیدروکسی بوتیرات(PHB) می‌سازند و از آن به عنوان اندوخته‌ی غذایی خود بهره می‌گیرند. در دهه ‌ی 1970، پژوهش‌های نشان داد که PHB بسیاری از ویژگی‌های پلاستیک‌های نفتی(مانند پلی‌اتیلن) را دارد. از این رو، کم ‌کم گفت و شنود پیرامون بهره‌گیری از این بسپار به عنوان جایگزینی مناسب برای پلاستیک‌های تجزیه‌ناپذیر کنونی آغاز شد. سپس در سال 1992، گروهی از پژوهشگران ژن‌های درگیر در ساختن این بسپار را به گیاه رشادی(Arabidopsis thaliana) وارد کردند و به این ترتیب گیاهی پدید آوردند که پلاستیک تولید می‌کند.

سال پس از آن، تولید این پلاستیک سبز در گیاه ذرت آغاز شد و برای این که تولید پلاستیک با تولید مواد غذایی رقابت نکند، پژوهشگران بخش‌هایی از گیاه ذرت (برگ‌ها و ساقه‌ها) را ، که به طور معمول برداشت نمی‌شوند، هدف قرار دادند. پرورش پلاستیک در این بخش‌ها به کشاورزان امکان می‌دهد که پس از برداشت دانه‌های ذرت، زمین را برای برداشت ساقه‌ها و برگ‌های دارای پلاستیک درو کنند. پژوهشگران درباره‌ی افزایش مقدار پلاستیک در گیاهان، پیشرفت‌های چشم‌گیری داشته‌اند. با این همه، هنوز دشواری‌هایی برای رسیدن به نتیجه‌ی مناسب وجود دارد.

کلروپلاست‌های برگ بهترین جا برای تولید پلاستیک به شمار می‌آیند، اما چون کلروپلاست‌های جای جذب نور هستند، مقدار زیاد پلاستیک می‌تواند فتوسنتز را مهار کند و بازده‌ی محصول را کاهش دهد. بیرون کشیدن پلاستیک از گیاه نیز دشوار است. این کار به مقدار زیادی حلال نیاز دارد که باید پس از بهره‌گیری، بازیافت شود. بر اساس تازه‌ترین تخمین‌ها, تولید یک کیلوگرم PHB در گیاه ذرت در مقایسه با پلی‌اتیلن به سه برابر انرژی بیش‌تری نیاز دارد. کشت انبوه میکروب‌های پلاستیک ساز نیز به همین میزان انرژی نیاز دارد.

3. بازطراحی واکنش‌‌های شیمیایی

در روند بازطراحی واکنش‌های شیمیایی از واکنشگرهای آغازکنده‌ای بهره گرفته می‌شود که سالم‌ترند. در این را ممکن است روندهای زیست‌شیمیایی نیز سودمند باشند. برای مثال، ادیپیک اسید، HOOC(CH2)4COOH یک ماده‌ی خام کلیدی در تولید نایلون و فرآورده‌های مانند آن است که سالانه بیش از 2 میلیون تن از آن در صنعت به کار گرفته می‌شود. این ماده از بنزن ساخته می‌شود که سرطان‌زا است و از اندوخته‌های فسیلی نونشدنی به دست می‌آید. اما به تازگی دو شیمیدان توانسته‌اند این ماده را از یکی از فراوان‌ترین، سالم‌ترین و نوشدنی‌ترین مواد طبیعی، یعنی گلوکز، بسازند. آن‌ها در این راه از باکتری‌هایی کمک گرفتند که با مهندسی ژنتیک آنزیم ویژه‌ای در آن‌ها کار گذاشته شده بود و به ناچار طی یک روند زیست‌شیمیایی ناخواسته، بنزن را از گلوکز می‌سازند.

توجه به اقتصاد اتم نیز کمک زیادی می‌کند. برای مثال، پژوهشگران توانسته‌اند اقتصاد اتمی را در روند تولید ایبوپورفن، ترکیبی که در بسیاری از آرامش‌بخش‌ها به کار می‌رود، از 40 درصد به 77 درصد برسانند و این یعنی، اتم‌های بیش‌تری که شرکت داروسازی برای آن‌ها هزینه پرداخته است، به صورت مولکول پر فروشی در می‌آیند و فراورده‌های بیهوده، که می‌توانند به محیط‌زیست آسیب برسانند، کم‌تر تولید می‌شوند.

4. چندسازه‌های زیستی

اگر چه موادشناسان تنها در چند دهه‌ی گذشته به سوی چندسازه‌ها گرایش پیدا کرده‌اند، طبیعت در خود چندسازه‌های بسیار سخت، پیچیده و گوناگونی دارد که از دیدگاه سختی و وزن، مانندی برای آن‌ها نمی‌توان یافت. به هر جای طبیعت که می‌نگریم، با یک چندسازه رو به رو می‌شویم. برای نمونه، صدف‌های دریایی از چندسازه‌ی سرامیکی سختی ساخته شده‌اند. این سرامیک از لایه‌هایی از بلورهای سخت تشکیل شده که در زمینه‌ی سیمانی نرم‌تری جای دارند. این سرامیک سخت و پایدار، جاندار درون خود را از آشوب موج نگهداری می‌کند که پیوسته آن را بر سطح سخره‌ها می کوبد. بدن ما یک چند سازه است که از چندسازه‌هایی مانند استخوان، غضروف و پوست درست شده است.

بشر از سالیان دور از چندسازه‌های طبیعی بهره گرفته است. کاه که برای ساختن نخستین چندسازه‌ها به کار می‌رفت، خود نوعی چندسازه است. ابزارهای چوبی، کفش و لباسی که از پوست جانوران تهیه می‌شود، همه چندسازه‌های طبیعی‌اند. به خاطر این گوناگونی و ویژگی‌های بی‌مانند، موادشناسان تلاش می‌کنند از این مواد برای سختی بخشیدن به چندسازه‌های ساختگی(مصنوعی) بهره‌ گیرند تا از پیامدهای زیست ‌محیطی ناگوار ناشی از مواد ساختگی بکاهند. انویرون ( environ ) نمونه‌ای از این چندسازه‌هاست که از 40 درصد کاغذ روزنامه، 40 درصد گرد سویا و 20 درصد ترکیب‌های دیگر (از جمله رنگ‌دهنده‌ها و کاتالیزگری که در حضور آب کارا می‌شود و گرد سویا را به رزین دگرگونه می‌کند) ساخته می‌شود. فراورده‌ی کار، یک چندسازه‌ی زیستی است که ظاهری سنگ مانند دارد، اما مانند چوب می‌توان آن را برید. از این چندسازه می‌توان هر نوع ابزار چوبی را با ظاهری سنگ مانند ساخت.

سخن پایانی

بازطراحی واکنش‌ها و روندهای شیمیایی فرصت‌های تازه و بی‌شماری برای شیمیدان‌ها به وجود آورده است و هر شیمیدانی می‌تواند به طراحی هر یک از واکنش‌های شناخته‌شده‌ای که سال‌ها در کارخانه‌ها یا آزمایشگاه‌های دانشگاه‌ها به کار گرفته می‌شد، در راستای سالم‌کردن آن و کاهش هزینه‌ها و افزایش کاراآمدی و بازده، بپردازد. از این رو، به نظر می‌رسد فرصت‌هایی که برای شیمیدان‌ها طی تاریخ دراز و کهن این دانش فراهم شده، اکنون باردیگر برای شیمیدان‌های امروزی فراهم شده است تا با ویرایش آن‌چه آنان در تاریخ شیمی به یادگار گذاشته‌اند، یادگارهای سالم‌تری برای آیندگان برجای گذارند.



کلمات کلیدی: