Aula5-QuímicaVerde

Química Verde

Química Verde

●

Foram tratados os principais assuntos relacionados à química

do meio ambiente!

Estudo de origem, efeitos, transporte e destino das espécies

químicas (antropogênicas ou naturais) no meio ambiente.

Tratar de alguns aspectos da química para o meio ambiente

Uso da química para melhorar o meio ambiente por meio da

minimização dos níveis de poluentes, especificamente com

relação aos processos produtivos

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●

O modo como lidamos com a questão da poluição ambiental e

do impacto humano sobre o meio ambiente mudou ao longo do

tempo

Percepção de que nossas atividades causavam danos à nossa

saúde e ao nosso

habitat

levou-nos à tentativa de diminuir ou

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Impacto ambiental/toxicidade de substâncias ou classes de

substâncias

Limites de emissão

aceitáveis

Legislação

Específica

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●

Sistema produtivo: em um primeiro momento adotou medidas

em que os poluentes (ou seu excesso) eram removidos do fluxo

de resíduos, antes de seu lançamento ao meio ambiente.

Tal abordagem é conhecida como abatimento de

“fim-de-tubo” ou “ponta-de-chaminé”

Órgãos governamentais, centros de pesquisa, universidades e

organizações não-governamentais

monitoram o correto cumprimento desses limites ou a

necessidade de revisá-los e de estabelecer limites e restrições

a novas espécies

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Ao longo de tempo, vem tornando-se cada vez mais clara a necessidade do uso eficiente dos recursos

Em função da redução

do custo dos processos produtivos no meio ambienteImpacto dos processos e de sua sustentabilidade em médio e longo prazos

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●Na década de 1990: o modo mais eficiente de lidar com essa questão era

evitar gerar os resíduos em primeiro lugar, em vez de tratá-los ou remediar os danos por eles causados

Surgimento da “química sustentável” ou “química verde”

“ A invenção, o desenvolvimento e a aplicação de produtos e processos químicos para reduzir ou eliminar o uso e a geração de substâncias

perigosas”

● Substâncias perigosas: aquelas que prejudicam, de algum modo, a saúde humana ou o meio ambiente

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●Para aplicar esses conceitos na prática, é preciso primeiro ter uma visão

geral de como é um processo químico industrial, cujo esquema é apresentado abaixo: PROCESSO QUÍMICO Energia Subprodutos Produto Resíduos Solventes Reagentes Materiais de partida

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Materiais de partida (as matérias-primas) são convertidos Por meio do processo químico

(sequência de reações químicas e operações unitárias se separação, secagem, transporte, mistura, resfriamento ou aquecimento, necessárias

para às transformações pretendidas) Produto de interesse

(Por meio da adição de reagentes e solventes e do uso de energia) Com a geração simultânea de subprodutos e de resíduos

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●Atuação da química verde nesse processo genérico:

a) Materiais de partida e produtos – Reduzindo quantidades e periculosidade, aumentando degradabilidade e eficiência, usando materiais renováveis;

b) Reagentes e solventes – Reduzindo quantidades e periculosidade, reciclando-os e reutilizando-os, usando materiais alternativos ou eliminando seu uso.

c) Energia – Otimizando seu uso (por intermédio de processos otimizados, equipamentos eficientes, redução de etapas), ou usando formas mais eficientes;

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e) Resíduos – Eliminando etapas do processo, aumentando eficiência e seletividade das reações, reduzindo periculosidade, reciclando e reutilizando.

f) Processo químico – Reduzindo o número de atapas (de reações químicas e de operações unitárias necessárias), otimizando condições, usando equipamentos eficientes, reduzindo periculosidade e riscos inerentes.

Os 12 princípios da química Verde

1

_{– Evitar produção de resíduos;}

2

_{– Maximizar a economia de átomos;}

3

_{– Reduzir toxicidade;}

4

_{– Desenvolver produtos seguros e eficientes;}

5

_{– Eliminar/melhorar solventes e auxiliares de reação;}

6

_{– Otimizar uso de energia;}

7

_{– Usar fontes renováveis;}

8

_{– Evitar derivados e múltiplas etapas;}

9

_{– Usar catalisadores;}

10

_{– Desenvolver produtos degradáveis;}

11

_{– Monitorar/controlar processos em tempo real;}

12

_{– Desenvolver processos seguros.}

Resumem-se à busca da redução de rejeitos, do uso de materiais e energia, do risco, da periculosidade e do custo de processos químicos.

Os 12 princípios da química Verde

●Primeiro Princípio: Prevenir a formação de resíduos (no lugar de seu

tratamento)

“ Evitar a produção do resíduo é melhor do que tratá-lo ou “limpá-lo” após sua geração”.

A avaliação da quantidade de resíduos gerados num determinado processo e a decisão sobre qual processo é menos impactante, pode não ser uma tarefa simples.

Uma das maneiras de avaliar a quantidade de resíduos gerados por um processo é o fator de eficiência (fator E), proposto inicialmente por Roger Sheldom.

Os 12 princípios da química Verde

E = massa resíduos (Kg)/massa produto (Kg)

●Razão entre a massa de resíduos total e a massa de produto obtido num dado processo: quantos quilogramas de resíduos totais são gerados na produção de 1Kg de um produto de interesse.

Devem ser considerados no cálculo dos resíduos as massas de : solvente utilizados (mesmo que sejam reciclados posteriormente), fases

estacionárias para cromatografia, reagentes em excesso, efluentes líquidos e emissões gasosas geradas, catalisadores que precisem ser neutralizados

ou não possam ser reaproveitados, agentes de secagem, resíduos de destilações, adsorventes, etc.

Os 12 princípios da química Verde

●Além de tentar reduzir o número de reações numa sequência reacional, é

necessário reduzir o número de operações unitárias associadas (purificações, separações, etc), de modo a minimizar os resíduos.

Indústria Produção anual (ton.)

Fator E Refino de Petróleo 106 _{- 10}8 _{< 0,1}

Química Fina 102 _{- 10}4 _{5 a 50}

Os 12 princípios da química Verde

●Segundo Princípio: Economia de Átomos

“ Deve-se procurar desenhar metodologias sintéticas que possam maximizar a incorporação de todos os materiais de partida no produto final”

Em vez de gerar subprodutos ou produtos secundários

 Pode ser medida pela eficiência atômica: determinada por meio da fração

Os 12 princípios da química Verde

EA(%) =

a

x MM

(a

x MM

)

x 100%

EA = % eficiência atômica; MM_p = massa molar do produto; a_p = coeficiente estequiométrico do produto na reação: MM_Ri = massa molar do reagente i; a_Ri = coeficiente estequiométrico do reagente i na reação

Devemos somar as MMs de todos os reagentes utilizandos

A eficiência atômica é uma medida da eficiência estequiométrica de uma reação

Quantidade mínima que será necessariamente gerada toda vez que a reação for realizada, resultado de sua estequiometria

Idealmente, o objetivo é utilizar reações químicas que incorporem a massa

total de reagentes no produto desejado, fazendo com que o resíduo estequiométrico seja zero.

Os 12 princípios da química Verde

Espécie

Fórmula

Molecular

Massa Molar

(g/mol)



MM

Reagentes

Óleo Vegetal

(1mol)

C57H98O6

879,38

1.017,59

Etanol (3 mols)

C2H6O

46,07

Produto

Biodiesel

(3mols)

C20H36O2

308,50

925,5

EA(%)

90,9%

Resultado: aproximadamente 10% dos átomos dos reagentes originais são perdidos em subprodutos (glicerina), apenas considerando a estequiometria da reação

Não leva em consideração outros resíduos gerados (por exemplo, o

catalisador básico e o ácido usados para a sua neutralização, o excesso de etanol, etc.

Os 12 princípios da química Verde

●Terceiro Princípio: Reduzir a toxicidade (de reagentes e produtos)

Métodos sintéticos e processos devem ser planejados de modo a gerar apenas substâncias que tenham pouca ou nenhuma toxicidade em organismos vivos ou efeito no meio ambiente.

●Quarto Princípio: Desenvolver produtos seguros e eficientes

Produtos que tenham baixa ou nenhuma toxicidade, causem baixo ou nenhum dano ao serem introduzidos no meio ambiente e tenham uma baixa persistência, ou seja, elevada degradabilidade.

Exemplo: síntese de pesticida baseado em materiais renováveis (é obtido por fermentação) que apresenta um modo de ação que atinge especificamente os insetos sensíveis, com baixa toxicidade ao homem.

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●Quinto Princípio: Eliminar ou tornar seguros solventes e outros auxiliares de reação

Deve-se eliminar por completo, reduzir o uso (por meio de otimização, reuso ou reciclagem) e/ou periculosidade de solventes e outros auxiliares de reação.

Solubilizar materiais e reagentes, promover o transporte de massa e energia, estabilizar espécies químicas intermediárias (muitas vezes alterando os produtos da reação que seriam obtidos em sua ausência), entre outros.

Muitas vezes, sua total eliminação é simplesmente impossível, o que requer alternativas mais adequadas.

Os 12 princípios da química Verde

●Sexto Princípio: Otimizar o uso de energia

O uso de energia deve ser feito da forma mais eficiente possível, quer seja através da otimização de processos (processos catalisados, feitos a temperaturas mais baixas e pressões menores), do uso de equipamentos mais eficientes ou de formas mais eficazes de energia (usar microondas no lugar de aquecimento por calor, por exemplo)

A energia causa impacto ambiental para ser produzida

Tanto em termos de geração de resíduos quanto de diminuição de recursos (danos históricos)

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●Sétimo Princípio: Usar fontes renováveis de matérias-primas

Os recursos renováveis devem sempre ter preferência na escolha de matérias-primas e reagentes, de modo a possibilitar maios sustentabilidade do processo.

●Oitavo Princípio: Evitar derivação desnecessária

O uso de grupos protetores ou o acréscimo de etapas por meio da produção de derivados devem ser evitados.

É essencial o desenvolvimento de catalisadores mais efetivos, que promova maior seletividade das reações

Os 12 princípios da química Verde

●Nono Princípio: Catálise (catalisadores são preferíveis a reagentes)

 Catalisadores efetivamente reaproveitáveis, preferencialmente

heterogêneos (em virtude da maior facilidade de separação) são preferíveis a reações feitas sem catálise (mais lentas e com maior consumo de energia) ou a catalisadores que acabam sendo consumidos no processo durante a reação.

Exemplo: na obtenção do biodiesel, o catalisador básico utilizado (NaOH ou um alcoolato de sódio ou potássio) precisa ser neutralizado com ácido sulfúrico após a transesterificação

Gerando um volume maior de resíduos (a base e o ácido consumidos, além do sal formado)

Os 12 princípios da química Verde

●Décimo Princípio: Desenvolver produtos degradáveis após o término de sua vida útil

 Os produtos devem ser desenvolvidos para serem ativos e estáveis durante sua vida útil, mas sofrerem degradação rápida no ambiente após o término dessa vida útil

É necessário controlar o tempo de persistência de um novo material no ambiente, por meio de produtos mais degradáveis

●Décimo Primeiro Princípio: Monitorar/controlar processos em tempo real

 O monitoramento e o controle de processos químicos em tempo real, que

utilizem técnicas analíticas e algoritmos computacionais adequados, é essencial para a otimização desses processos

Os 12 princípios da química Verde

Evitando, assim, geração de subprodutos indesejáveis, desperdício de energia, materiais e outros elementos.

Décimo Segundo Princípio: Desenvolver processos intrinsecamente seguros

Processos químicos devem ser desenvolvidos com o objetivo de reduzir seu risco inerente, de modo a evitar danos extensivos caso haja um acidente ou problema com o processo.

Isso inclui:

-O uso de reagentes e solventes seguros, com menor periculosidade e toxicidade;

-Pressões e temperaturas aceitáveis, bem controladas;

-Equipamento adequado e projetado para o fim específico a que se destina; -Mecanismos de controle e monitoramento do processo, de modo que falhas ou problemas sejam detectados antes que causem maiores consequências;

Os 12 princípios da química Verde

Caso ocorra acidente ou falha no processo, as consequências são limitadas pela própria baixa periculosidade do material, evitando tragédias.