Groen Chemie

Report
Groene Chemie
Nieuw subdomein in havo en vwo examenprogramma
DvD, 18 oktober 2012
Aonne Kerkstra
Prof. Isabel Arends
12
Challenge the future
1
Twaalf principes voor Groene chemie
• Hoeveel principes kent u?
Challenge the future
2
Twaalf principes voor Groene chemie
1. Preventie
Vorming van afval moet zoveel mogelijk worden voorkomen.
2. Atoomeconomie
Er moeten productiemethoden ontwikkeld worden, waarbij zo veel
mogelijk van de beginstoffen in het eindproduct verwerkt zijn.
Challenge the future
3
Principe 2: Atoomeconomie
m gewenste product
Atoomeconomie 
x100%
m alle producten
m is de massa
Voorbeeld
H
C
H
H
H
+
O
H
32,04
H
H
C
O
C
H
O H
O
+
H
H
C
H
H
C
O
C
H
H
+
H
O
H
60,06
74,08
18,02
De atoomeconomie voor het product methylethanoaat is dus:
Atoomeconomie 
74,08
x100%  80,43%
74,08  18,02
Ook wel wordt gezegd: de atoom efficiency is 80,43%.
Challenge the future
4
Voorbeelden: Atoom Efficiënte
Processen
Challenge the future
5
Metathese in de organische chemie
•
•
•
•
•
Snellere, eenvoudiger en milieuvriendelijker reacties
Homogene katalysator, zeer specifiek
Etheen is een product, geen afval
Toepassing: Medicijnen en geavanceerde kunststoffen
Nobelprijs in 2005: Chavin, Grubs en Schrock
Challenge the future
6
Principe 2: Atoomeconomie
Voorbeeld: Productie melkzuur
Methode 1: synthese van melkzuur via een biotechnologisch proces
Glucose uit maïs of bietsuiker wordt m.b.v. melkzuurbacteriën omgezet in melkzuur.
Dit anaerobe fermentatieproces duurt 4 tot 6 dagen.
→
C6H12O6 2 C3H6O3
• Bereken de atoomeconomie voor methode 1.
Methode 2: chemische synthese van melkzuur
Reactie 1: Ethanal reageert met blauwzuur tot lactonitril.
C2H4O + HCN  C3H5ON
Reactie 2: Lactonitril reageert met zwavelzuur tot melkzuur en ammoniumsulfaat.
2 C3H5ON + H2SO4 + 4 H2O  2 C3H6O3 + NH4 2 SO4
• Geef de reactievergelijking van de totale reactie, door reactie 1 en 2 op te tellen.
• Bereken de atoomeconomie voor methode 2.
• Leg uit welke methode het predicaat Groene Chemie krijgt.
Challenge the future
7
Rendement
Rendement 
praktische opbrengst
x100%
theoretische opbrengst
• De theoretische opbrengst is de massa die volgens een
kloppende reactievergelijking zou ontstaan bij een aflopende
reactie. Dit is dus een ideale situatie, wat in de praktijk bijna nooit
voorkomt.
• De praktische opbrengst is de massa van het product, zoals die
bij een bepaalde synthese in een chemische fabriek gevormd wordt.
De praktische opbrengst is bijna altijd lager dan de theoretische
opbrengst.
Challenge the future
8
Voorbeeld: Oxidatie van Alcohol
naar Keton
Pd-kat
Rendement voor keton is 90%
A.E. = 87%
Challenge the future
9
E-factor (Environmental factor)
In 1992 door prof. Roger Sheldon
aan de TU Delft geïntroduceerd.
De E-factor is de hoeveelheid afval per kg product:
E-factor 
m alle producten  m gewenste product
m afval

m gewenste product
m gewenste product
• De E-factor is klein voor een synthese waarin weinig niet-bruikbare
bijproducten zijn.
• Onder een bijproduct verstaan we alle producten behalve het
gewenste product.
Challenge the future
10
E-factor
ENERGIE
Groene kwantificering van
grootschalige chemische
processen:
GEWENST PRODUCT
GRONDSTOFFEN
AFVAL
Industrie
Productie (ton)
E-factor (kg afval/ kg product)
Olie industrie
106-108
< 0,1
Bulkchemie
102-106
< 1-5
Fijnchemie
102-104
5 .. 50
Farmaceutische industrie
10-103
25 .. >100
Bron: R.A Sheldon, Chem & Ind., December 1997 p. 904
Challenge the future
11
Hoe het afval beperken?
Bv. Synthese van chiraal verrijkt bestrijdingsmiddel, door reductie met
Waterstof en een katalysator: De kracht van homogene katalyse (principe 9)
H2 (80 bar)
N
I
OCH3 Ir -xyliphos
HOAc / I
o
50 C/ 4hr
H
N
OCH3
(S)
> 80% opt.yield
H3CO
P
Fe PPh
2
2
Ciba-Geigy
(Syngenta)
> 10 kton/y
N
O
xyliphos
Cl
(S)-metolachlor
(mixture of tw o atropisomers)
Verhouding substraat/kat = 750.000
Snelheid kat: 1 miljoen turnovers in 6 hrs
Challenge the future
12
Principe 3:
Minder gevaarlijke productiemethoden
Vb. vervanging van fosgeen door dimethylcarbonaat
Challenge the future
13
Principe 4:
Ontwikkelen van veiliger producten
• Productontwerp, toxiciteit minimaal
• Duurzame productontwikkeling (LCA)
• Cradle to Cradle-benaderingen
(Remaking the way we make things)
Challenge the future
14
Cradle to Cradle
Biologische kringloop
• De biologische kringloop is gebaseerd op de
biotische sfeer. Restproducten van de ene
kringloop vormen voedsel voor de volgende
(biologische) kringloop.
Technische kringloop
• De technische kringloop omvat alle materialen
die wij uit de biotische en abiotische sfeer
halen. We zuiveren ze, zetten ze om in andere
producten, mengen, scheiden, en uiteindelijk
storten we ze ergens in de biologische kringloop
Samenhang tussen de
of verbranden we ze in een vuilverbranding. Alle
biologische kringloop en de
technologische kringloop.
materialen zijn weg, niet meer terug te halen.
Bedenk een materiaal dat via de technische
kringloop bruikbaar is.
Challenge the future
15
Cradle to Cradle
Recycling
• Papier, glas,
• Puingranulaat afkomstig van sloopprojecten in de bouw
• Bedenk een afvalproduct dat een nuttige toepassing heeft gekregen.
Puingranulaat
Downcycling
• De oorspronkelijke materialen kunnen niet terugkeren in de
kringlopen waar ze vandaan komen en gaan dus verloren
(monsterlijke hybriden)
• Mindere kwaliteit
• Is het toepassen van puinkorrels als ophoogmateriaal van wegen
een voorbeeld van recyclen of downcyclen?
• Upcycling
upcycling
• Betere kwaliteit bijv,: PE doppen van PET flessen
• Creatief nieuwe producten maken
• Geef een aantal voorbeelden.
Challenge the future
16
Principe 5:
Veiliger oplosmiddelen
• Geen oplosmiddelen!
Bv. Puur uitgangsproduct, of mechanisch mengen
• Cascade reacties
Dezelfde en geen extra oplosmiddelen
• Water als oplosmiddel
Niet toxisch, bv. om kat te solvateren
• Nieuwe reactiemedia
Ionische vloeistoffen: niet vluchtig, geen verlies, goede oploseigenschappen
Superkritisch CO2: schoon en veilig
• Gebruik van minder toxische oplosmiddelen
Challenge the future
17
Principe 6:
Energie-efficient ontwerpen
• Principe zegt letterlijk: Processen bij kamertemp. i.p.v. bij
hoge Temp en hoge Druk.
• Voorbeelden hiervoor zijn gebruik van enzymen.
Zie bv. Enzymatische productie acrylamide.
• Echter algemeen statement hierbij is gevaarlijk.
• Exotherme processen, kunnen heel efficiënt bij hogere temp.
plaatsvinden. Voor een complete energie-evaluatie is een
volledig procesontwerp nodig.
• Consulteer een chemical engineer
Challenge the future
18
Voorbeeld:
Enzymatische productie acrylamide
CN
+ H2O
NH2
NHase
O
conv. > 99.99%
sel. > 99.99%
• Milde condities (5 oC); geen polymerisatie inhibitor nodig
• 100.000 tons per jaar
• Simpeler dan chemisch proces (Cu cat 140 oC)
• Hoge productiviteit (>400 g·L-1 ·h-1)
• Hoge productkwaliteit
Challenge the future
19
Principe 7:
Hernieuwbare grondstoffen
• Biodiesel en bio-ethanol
• Glucose naar melkzuur
• Lignocellulose naar
allerhande platformmoleculen
• Biobased polymeren
• Biobased economy
Challenge the future
20
Voorbeelden Biomassagebruik
Chemische Feitelijkheden 48, nr 221,
december 2005
Challenge the future
21
Proces Opties naar Bioproducten
syngas
enzymen
bio-oliën
éénpots
cascades
hydrolyse
fermentatie
Fischer-Tropsch
Ethanol
koolwaterstoffen
BRANDSTOFFEN/ CHEMICALIEN
Platform moleculen
enzymen
CHEMICALIEN
Challenge the future
22
Principes 8 en 9:
Reacties in weinig stappen
Katalyse
Enzymatische synthese van 6-APA als grondstof voor antibiotica
• 1 stap i.p.v. 3
• Enzym als katalysator – milde en niet-toxische chemie
N
H
N
O
1. Me 3SiCl
2. PCl 5 /
PhNMe 2/
CH 2Cl 2
S
O
penicillin G
-40 o C
N
S
CO2H
37 o C
H2N
N
Cl
pen acylase
H2O
S
6-APA
N
O
CO2SiMe3
O
CO2H
Challenge the future
23
Principe 10:
Ontwerpen met het oog op afbraak
• Polymelkzuur (PLA)
• Afbreekbare luiers.
OH
HO
HO
O
OH
HO
O
O
HO
OH
HO
OH
HO
HO
O
O n
HO
HO
O
OH
COOH
HO
O
O
HO
OH
HO
Oxidatie van zetmeel met enzymen
O n
HO
O
HO
OH
Challenge the future
24
Principes 11 en 12:
Proces analyses met het oog op
preventie milieuverontreiniging
Ontwikkel veilige chemie
• Proces ontwerp: Veiligheidsanalyse.
• Voorbeeld bij oxidaties: Gebruik 8% zuurstof in stikstof.
Hiermee bevindt een reactie zich in explosievrije gebied.
Challenge the future
25
Twaalf principes voor Groene chemie
1. Preventie
2. Atoomeconomie
3. Minder gevaarlijke chemische productiemethoden
4. Ontwikkelen van veiliger chemische producten
5. Veiliger oplosmiddelen
6. Energie-efficiënt ontwerpen
7. Gebruik van hernieuwbare grondstoffen
8. Reacties in weinig stappen
9. Katalyse
10. Ontwerpen met het oog op afbraak
11. Tussentijdse analyse met het oog op preventie van
milieuverontreiniging
12. Ontwikkel veilige chemie
Bron: P.C/ Anastas and J.C. Warner, Green Chemistry: Theory and Practice, Oxford University Press, New
York, 1998.
Challenge the future
26
Twaalf principes samengevat
Duurzaamheid
‘Een ontwikkeling waarin tegemoet gekomen kan worden aan de behoeften van
huidige generaties zonder de mogelijkheden weg te nemen dat toekomstige
generaties in hun behoeften kunnen voorzien’. (Brundtland-rapport)
is het doel,
Groene chemie
Processen die gebaseerd zijn op de twaalf principes van Groene Chemie:
• zijn veiliger;
• gebruiken minder grondstoffen en energie;
• geven minder vervuiling;
• zijn soms meer kostenbesparend dan traditionele processen.
is het middel.
Challenge the future
27
• Groene Chemie is een platform om aan farmaceutische- en polymeer
industrie, maar eigenlijk aan iedereen die producten maakt duidelijk te
maken dat de vraag die gesteld dient te worden is:
“Is this the best you can do” ?
• Maak de massabalans van cradle to cradle en blijf vragen waar alles
vandaan komt en verdwijnt, alleen dan kunnen we alle koolstof en zuursofbalansen kloppend maken en onze aarde niet onnodig vervuilen en
bestendig maken voor toekomstige generaties.
Challenge the future
28
Module Groene chemie
•
•
•
•
Ontwikkelteam
Kitty Jansen-Ligthelm, Scheldemondcollege, Vlissingen,
Miek Scheffers-Sap, Gymnasium Beekvliet, Sint-Michelsgestel,
Arno Verhofstad, Dr.Knippenbergcollege, Helmond.
Coach: Véronique van der Reijt, Fontys Lerarenopleiding Tilburg.
http://www.scheikundeinbedrijf.nl
Challenge the future
29
Module Groene chemie
en evenwichten
De Delftse leerlijn
• Aonne Kerkstra
• Juleke van Rhijn
• Jan van Rossum
Module en Excelfile op: http://ocw.tudelft.nl/
Meer informatie: [email protected]
Challenge the future
30
De Delftse voorbeeldleerlijn
Visie en uitgangspunten
Context-concept benadering
Iedere module begint met contextvragen.
Leerlingen zullen aan de hand van maatschappelijke-, chemische- en
technologische vraagstukken concepten leren om een antwoord te geven
op deze vraagstukken op grond van chemische argumenten. Er wordt
ingestoken op nieuwe materialen, duurzaamheid, innovatieve technologie
en de chemische industrie.
Effectief leren
• Kennen:Leren gericht op onthouden
• Begrijpen: Leren gericht op samenhang weergeven tussen de concepten
• Integreren: Leren gericht op inpassen van nieuw verworven kennis in
bestaande kennis
• Creatief toepassen: Leren gericht op creatief en wendbaar gebruik.
Challenge the future
31
Module Groene chemie
en evenwichten
•
•
•
•
•
•
H1
H2
H3
H4
H5
H6
inleiding en contextvragen
Hoe groen is een productieproces?
Energiebalansen
Evenwichtsreacties
Proceschemie
Eindopdracht





Industriële context
Chemie van de 21e eeuw
Leerling in de rol van mogelijk beroep (adviesbureau)
Need to know principe toegepast
Eindopdracht is groepswerk
Challenge the future
32
Hoofdstuk 3 Energiebalansen
•
•
•
•
•
•
warmtecapaciteit
energie balans fase overgangen
vormingswarmte
reactie energie
activeringsenergie
hergebruik energie
Figuur 3: blokschema verwarmen van lood
Challenge the future
33
Hoofdstuk 3 Energiebalansen
• Vormingswarmte: Binas tabellen 57A en 57B
• Reactie-energie
Ereactie  Evorming reactieproducten  Evorming beginstoffen
• Activeringsenergie
Figuur 14: energiediagram van een exotherme reactie met en zonder katalysator
Challenge the future
34
Hoofdstuk 4 Evenwichtsreacties
Aanhaken bij hoofdstuk energiebalansen
Omkeerbare reacties en evenwichtsreacties
vanuit een energie concept.
•omkeerbare reacties
•evenwichtsreacties
•evenwichtsvoorwaarde, constante en concentratiebreuk*
•beïnvloeden evenwicht*
Δreactie G ɵ = -RT lnK
* simulatie
Challenge the future
35
Hoofdstuk 4 Evenwichtsreacties
omkeerbare reactie
evenwichtsreactie
Challenge the future
36
Hoofdstuk 4 Evenwichtsreacties
Energie diagrammen voor een N2O4/ NO2-mengsel
(T)
Mengsel
zonder
met energie-effecten van menging
Challenge the future
37
Hoofdstuk 4 Evenwichtsreacties
• evenwichtsvoorwaarde, constante en concentratiebreuk
• beïnvloeden evenwicht
Simuleren aan industrieel belangrijke evenwichtsreactie

 PCl5 (g)
PCl3 (g) + Cl2 (g) 

Levert dat bij evenwicht de concentratiebreuk altijd dezelfde
waarde heeft.
Vervolgens simulaties aan temperatuur afhankelijkheid K en
beïnvloeden evenwicht (afleiden vuistregels)
Challenge the future
38
Hoofdstuk 4 Evenwichtsreacties
Simulaties in Excel
Challenge the future
39
Hoofdstuk 5 Proceschemie
Concepten
• scheidingsmethoden
• blokschema
• reactoren batch/continu
• massabalans
Figuur 11: blokschema ammoniakproductie
Challenge the future
40
Hoofdstuk 6 Eindopdracht
• Binnen een straal van 10 km van jullie leefomgeving wordt een
chemische fabriek gepland, die titaandioxide gaat produceren.
• Voor deze fabriek is een vergunning aangevraagd bij de gemeente.
• De gemeenteraad vraagt het chemisch adviesbureau “Green
Chemistry” om op grond van chemische argumenten advies uit te
brengen over de productieroutes. In het advies moet aangegeven
worden voor welke productieroute het bedrijf een vergunning kan
krijgen.
• Welke vragen stelt de lokale partij?
Contextvragen
• Welke aspecten zijn van belang bij beide productieprocessen en
hoe weeg je die tegen elkaar af?
• Welk advies geef je t.a.v. de keuze van de meest groene
productieroute.
Challenge the future
41
Eindopdracht Titaandioxide productie
Maak van het proces een blokschema en geef de totale reactievergelijking van het proces.
Principe
Proces I
Proces II
Toelichting
1. Preventie
• Is er sprake van vervuiling?
• Zijn bij de recycling extra processtappen nodig?
2. Atoomeconomie
• Bereken de atoomeconomie
• Bereken de E-factor.
• Beredeneer de Q-factor.
• Bereken voor een jaarproductie van 250.000 ton hoeveel
vrachtwagens/ binnenvaartschepen per dag nodig zijn; aan –
afvoer, ook van afval.
• Bereken hoeveel ton H2SO4/ Cl2 per dag moeten worden
aangevoerd.
3. Minder gevaarlijke chemische
productiemethode
• Zijn er gevaarlijke stoffen betrokken bij het proces?
4. Ontwikkelen van minder schadelijke chemische
stoffen
5. Veiliger oplosmiddelen
6. Energie efficiënt ontwerpen
• Vinden de processen bij hoge temperatuur plaats?
• Bereken de reactie-energie in kJ mol-1.
• Reken de reactie-energie om in kJ per ton product.
7. Gebruik hernieuwbare grondstoffen
8. Reacties in weinig stappen
• Tel aantal reactie- en zuiveringsstappen.
9. Katalyse
10. Ontwerpen met het oog op afbraak
11. Preventie milieuverontreiniging
• Denk aan uitstoot van stoffen
12. Minder risicovolle chemie
Challenge the future
42
Casus Titaandioxide, Sulfaatproces, volledig leeg
Challenge the future
43
Casus Titaandioxide, Sulfaatproces, gedeeltelijk leeg
indampen
gemalen
erts
reactor
1a
100°C
TiO2.nH2O kristalliseren
2c
filtreren
reactor
110 °
filtreren
1b
15°C
drogen
200-950°C
1c
C
filtreren
wassen 2b
TiO2
malen
3
2a
4
Challenge the future
44
TiO2.nH2O
Opdracht in workshop
Titaandioxide productie
Groepjes van 4:
2 docenten PRODUCTIEPROCES I: Het sulfaatproces blz. 80
2 docenten PRODUCTIEPROCES II: Het chlorideproces blz. 81
Samen de contextvragen beantwoorden
Presentatie – Discussie – Evaluatie
Module en Excelfile op: http://ocw.tudelft.nl/
Meer informatie: [email protected]
Challenge the future
45

similar documents