groene chemie
DESCRIPTION
Groene Chemie. Nieuw subdomein in havo en vwo examenprogramma DvD , 18 oktober 2012. Aonne Kerkstra Prof. Isabel Arends 12. Twaalf principes voor Groene chemie. Hoeveel principes kent u?. Twaalf principes voor Groene chemie. - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
1Challenge the future
Groene ChemieNieuw subdomein in havo en vwo examenprogramma
DvD, 18 oktober 2012
Aonne KerkstraProf. Isabel Arends12
2Challenge the future
Twaalf principes voor Groene chemie
• Hoeveel principes kent u?
3Challenge the future
Twaalf principes voor Groene chemie1. 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.
4Challenge the future
Principe 2: Atoomeconomie
gewenste product
Atoomeconomie x1 00% alle producten
is de massa
m
m
m
C O
H
H
H H+ C C
O
O
H
H
H H
C C
O
O C
H
H
H
H
H
H+ O
HHH +
32,04 74,08 18,0260,06
Voorbeeld
De atoomeconomie voor het product methylethanoaat is dus:
Ook wel wordt gezegd: de atoom efficiency is 80,43%.
74,08Atoomeconomie x100% 80,43%
74,08 18,02
5Challenge the future
Voorbeelden: Atoom Efficiënte Processen
Ar
O
+ H2 Ar
OHH
100% atom efficient
Ar
H OH+ CO
Ar CO2H
100% atom efficient
Ar
H OH+ 1/2 O2 Ar
O
87% atom efficient
Ar + CO + H2 ArO
100% atom efficient
R R R R
+
100% atom efficient
Hydrogenation
Carbonylation
Oxidation
Hydrofomylation
Methatesis
6Challenge the future
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
7Challenge the future
Principe 2: AtoomeconomieVoorbeeld: 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.
• Bereken de atoomeconomie voor methode 1.
Methode 2: chemische synthese van melkzuur
Reactie 1: Ethanal reageert met blauwzuur tot lactonitril.
Reactie 2: Lactonitril reageert met zwavelzuur tot melkzuur en
ammoniumsulfaat.
• 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.
2 4 3 5C H O + HCN C H ON
3 5 2 4 2 3 6 3 4 422 C H ON + H SO + 4 H O 2 C H O + NH SO
6 12 6 3 6 3C H O →2 C H O
8Challenge the future
Rendement
• 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.
praktische opbrengstRendement x1 00%
theoretische opbrengst
9Challenge the future
Voorbeeld: Oxidatie van Alcohol naar Keton
CH3
OH
+ 1/2 O2
O
CH3+ H2O
A.E. = 87%
Rendement voor keton is 90%
Pd-kat
10Challenge the future
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:
• 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.
alle producten gewenste product afvalE-factor
gewenste product gewenste product
m m m
m m
11Challenge the future
ENERGIE
AFVAL
GRONDSTOFFEN
GEWENST PRODUCT
E-factor
Groene kwantificering van grootschalige chemische processen:
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
12Challenge the future
Hoe het afval beperken?
N
O
Cl
H3CO
HN
OCH3
NOCH3
I
o50 C/ 4hr
Ir -xyliphos
(80 bar)
xyliphos
2Fe PPh2
P
(mixture of two atropisomers) (S)-metolachlor
> 80% opt.yield (S)
HOAc / I-
H2
Bv. Synthese van chiraal verrijkt bestrijdingsmiddel, door reductie metWaterstof en een katalysator: De kracht van homogene katalyse (principe 9)
Ciba-Geigy (Syngenta)> 10 kton/y
Verhouding substraat/kat = 750.000
Snelheid kat: 1 miljoen turnovers in 6 hrs
13Challenge the future
Principe 3:Minder gevaarlijke
productiemethoden
CO + Cl2 C(O)Cl2
RNH2 +C(O)Cl2 RN C O + 2 HCl
Productie van isocyanaat met fosgeen
2 CH3OH + CO + 0.5 O2 (CH3O)2CO + H2O
(CH3O)2CO + RNH2 RNHC(O)OCH3 + CH3OH
RNHC(O)OCH3 RN C O + CH3OH
Alternatief proces met dimethylcarbonaat voor de productie van isocyanaten
Vb. vervanging van fosgeen door dimethylcarbonaat
14Challenge the future
Principe 4:Ontwikkelen van veiliger producten
• Productontwerp, toxiciteit minimaal• Duurzame productontwikkeling (LCA)
• Cradle to Cradle-benaderingen(Remaking the way we make things)
15Challenge the future
Cradle to CradleBiologische 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 of verbranden we ze in een vuilverbranding. Alle materialen zijn weg, niet meer terug te halen.
Samenhang tussen de biologische kringloop en de technologische kringloop.
Bedenk een materiaal dat via de technische kringloop bruikbaar is.
16Challenge the future
Cradle to Cradle
Recycling• Papier, glas, • Puingranulaat afkomstig van sloopprojecten in de
bouw• Bedenk een afvalproduct dat een nuttige toepassing heeft
gekregen.
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• Betere kwaliteit bijv,: PE doppen van PET flessen• Creatief nieuwe producten maken• Geef een aantal voorbeelden.
Puingranulaat
upcycling
17Challenge the future
Principe 5:Veiliger oplosmiddelen
• Geen oplosmiddelen!Bv. Puur uitgangsproduct, of mechanisch mengen
• Cascade reactiesDezelfde en geen extra oplosmiddelen
• Water als oplosmiddelNiet toxisch, bv. om kat te solvateren
• Nieuwe reactiemedia Ionische vloeistoffen: niet vluchtig, geen verlies, goede
oploseigenschappenSuperkritisch CO2: schoon en veilig
• Gebruik van minder toxische oplosmiddelen
18Challenge the future
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
19Challenge the future
Voorbeeld:Enzymatische productie acrylamide
CN + H2ONHase NH2
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
20Challenge the future
Principe 7:Hernieuwbare grondstoffen
• Biodiesel en bio-ethanol
• Glucose naar melkzuur
• Lignocellulose naar allerhande platform-moleculen
• Biobased polymeren
• Biobased economy
21Challenge the future
Voorbeelden Biomassagebruik
Chemische Feitelijkheden 48, nr 221, december 2005
22Challenge the future
syngas bio-oliën
Fischer-Tropsch
koolwaterstoffen
BRANDSTOFFEN/ CHEMICALIEN CHEMICALIEN
hydrolysefermentatie
Platform moleculen
éénpotscascades
Ethanol
enzymen
enzymen
Proces Opties naar Bioproducten
23Challenge the future
Principes 8 en 9:Reacties in weinig stappenKatalyse
pen acylase H2O
1. Me3SiCl2. PCl5 / PhNMe2/ CH2Cl2
oo37 C-40 C
6-APA
penicillin G
H2N
NO
S
CO2H
Cl
N
NO
S
CO2SiMe3
H
O
N
NO
S
CO2H
Enzymatische synthese van 6-APA als grondstof voor antibiotica• 1 stap i.p.v. 3• Enzym als katalysator – milde en niet-toxische chemie
24Challenge the future
Principe 10:Ontwerpen met het oog op afbraak
• Polymelkzuur (PLA)• Afbreekbare luiers.
O
OH
OH
HOHO
HO
HOHO
OH
OOH
HOHO
n
O
O
O
O
OH
OH
HOHO
HO
HOHO
OH
O
HOHO
n
O
O
O
COOH
Oxidatie van zetmeel met enzymen
25Challenge the future
Principes 11 en 12:
• Proces ontwerp: Veiligheidsanalyse.
• Voorbeeld bij oxidaties: Gebruik 8% zuurstof in stikstof. Hiermee bevindt een reactie zich in explosievrije gebied.
Proces analyses met het oog op preventie milieuverontreinigingOntwikkel veilige chemie
26Challenge the future
Twaalf principes voor Groene chemie1. Preventie
2. Atoomeconomie3. Minder gevaarlijke chemische
productiemethoden4. Ontwikkelen van veiliger chemische producten5. Veiliger oplosmiddelen6. Energie-efficiënt ontwerpen 7. Gebruik van hernieuwbare grondstoffen 8. Reacties in weinig stappen9. Katalyse10.Ontwerpen met het oog op afbraak11.Tussentijdse analyse met het oog op preventie
van milieuverontreiniging12.Ontwikkel veilige chemie
Bron: P.C/ Anastas and J.C. Warner, Green Chemistry: Theory and Practice, Oxford University Press, New York, 1998.
27Challenge the future
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 chemieProcessen 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.
28Challenge the future
• 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 zuursof-balansen kloppend maken en onze aarde niet onnodig vervuilen en bestendig maken voor toekomstige generaties.
29Challenge the future
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
30Challenge the future
Module Groene chemieen evenwichten
De Delftse leerlijn• Aonne Kerkstra• Juleke van Rhijn• Jan van Rossum
Module en Excelfile op: http://ocw.tudelft.nl/ Meer informatie: [email protected]
31Challenge the future
De Delftse voorbeeldleerlijnVisie en uitgangspunten
Context-concept benaderingIedere 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.
32Challenge the future
• H1 inleiding en contextvragen• H2 Hoe groen is een productieproces?• H3 Energiebalansen• H4 Evenwichtsreacties• H5 Proceschemie• H6 Eindopdracht
Module Groene chemieen evenwichten
Industriële context Chemie van de 21e eeuw Leerling in de rol van mogelijk beroep (adviesbureau) Need to know principe toegepast Eindopdracht is groepswerk
33Challenge the future
Hoofdstuk 3 Energiebalansen
• warmtecapaciteit• energie balans fase overgangen• vormingswarmte• reactie energie• activeringsenergie• hergebruik energie
Figuur 3: blokschema verwarmen van lood
34Challenge the future
Hoofdstuk 3 Energiebalansen
• Vormingswarmte: Binas tabellen 57A en 57B• Reactie-energie
• Activeringsenergie
reactie vorming vormingreactieproducten beginstoffenE E E
Figuur 14: energiediagram van een exotherme reactie met en zonder katalysator
35Challenge the future
Hoofdstuk 4 Evenwichtsreacties
Aanhaken bij hoofdstuk energiebalansenOmkeerbare reacties en evenwichtsreactiesvanuit een energie concept.
•omkeerbare reacties•evenwichtsreacties•evenwichtsvoorwaarde, constante en concentratiebreuk*•beïnvloeden evenwicht*
Δreactie G ɵ = -RT lnK
* simulatie
36Challenge the future
Hoofdstuk 4 Evenwichtsreacties
omkeerbare reactie evenwichtsreactie
37Challenge the future
zonder met energie-effecten van menging
Energie diagrammen voor een N2O4/ NO2-mengsel
Hoofdstuk 4 Evenwichtsreacties
Mengsel
(T)
38Challenge the future
Hoofdstuk 4 Evenwichtsreacties
• evenwichtsvoorwaarde, constante en concentratiebreuk• beïnvloeden evenwicht
Simuleren aan industrieel belangrijke evenwichtsreactie
Levert dat bij evenwicht de concentratiebreuk altijd dezelfde waarde heeft.
Vervolgens simulaties aan temperatuur afhankelijkheid K en beïnvloeden evenwicht (afleiden vuistregels)
3 2 5PCl (g) + Cl (g) PCl (g)
39Challenge the future
Hoofdstuk 4 EvenwichtsreactiesSimulaties in Excel
40Challenge the future
Concepten• scheidingsmethoden• blokschema• reactoren batch/continu• massabalans
Hoofdstuk 5 Proceschemie
Figuur 11: blokschema ammoniakproductie
41Challenge the future
• 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.
Hoofdstuk 6 Eindopdracht
42Challenge the future
Eindopdracht Titaandioxide productieMaak 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
43Challenge the future
Casus Titaandioxide, Sulfaatproces, volledig leeg
44Challenge the future
Casus Titaandioxide, Sulfaatproces, gedeeltelijk leeg
reac tor1 a 1 0 0 °C
filtreren1b
filtre re n15°C 1c
reac tor110 °C 2a
filtrerenw as s en 2berts
indam pen
TiO 2
gem alen
kris tallis eren2c
TiO 2.nH2O drogen2 0 0 -9 5 0 °C 3
m alen4
TiO2.nH2O
45Challenge the future
Opdracht in workshop
Titaandioxide productieGroepjes van 4:2 docenten PRODUCTIEPROCES I: Het sulfaatproces blz. 802 docenten PRODUCTIEPROCES II: Het chlorideproces blz. 81Samen de contextvragen beantwoorden
Presentatie – Discussie – Evaluatie
Module en Excelfile op: http://ocw.tudelft.nl/ Meer informatie: [email protected]