Зеленая химия

В последние десятилетия возникла «зеленая» химия - практический подход к науке, ориентированный на уменьшение объема отходов производства и поиск новых рациональных реакций. А началось все с прибытия бульдозеров в Куинси, Массачусетс.

Пол Энастэс вырос в Куинси, Массачусетс, где из дома его родителей некогда открывался вид на заболоченные просторы. Этот вид уничтожили хозяева одного большого бизнеса и их стеклянные высотки, что вдохновило Энастэса написать о своем крае очерк, за который он в девять лет получил Похвальную грамоту президента. Почти через двадцать лет, заработав докторскую степень по химии, он начал трудиться в Агентстве по защите окружающей среды и там написал манифест новой химии — более разумной и «зеленой». Позднее он стал известен среди химиков как «отец зеленой химии».

Еще 28-летним Энастэс под «зеленой» химией понимал науку, которая разрабатывает вещества и процессы, наносящие наименьший урон окружающей среде. Каким образом? В целом внедрением умных, экологически щадящих методов, уменьшением объема отходов и сокращением энергозатрат на химических производствах. Энастэс понимал, что промышленность от такого предложения в восторг не придет, и поэтому подал его под соусом «работай умнее = трать меньше».

12 принципов «зеленой» химии

В 1998 году вместе с химиком из компании «Полароид» Джоном Уорнером Энастэс изложил 12 принципов «зеленой» химии. Вот к чему они сводятся:

1. Производим как можно меньше отходов.
2. Планируем химические процессы так, чтобы в дело шел каждый атом реагента.
3. Не применяем биологически опасные реагенты, не создаем биологически опасных побочных продуктов.
4. Разрабатываем менее ядовитые новые продукты.
5. Применяем более безопасные растворители, в меньшем количестве.
6. Бережем энергию.
7. Применяем возобновимое сырье.
8. Проектируем реакции, которые производят только нужные нам вещества.
9. Применяем катализаторы и так увеличиваем эффективность.
10. Разрабатываем продукты, безопасно разлагающиеся в природе.
11. Следим за процессами во избежание утечек и возникновения биологически опасных побочных продуктов.
12. Выбираем методики, минимизирующие вероятность несчастных случаев, пожаров и взрывов.

Все 12 принципов говорят об эффективном подходе и к исходным веществам, и к продуктам, они акцентируют внимание на соединениях, наносящих минимальный вред людям и окружающей среде. Простой здравый смысл, да? Но химическая промышленность давно привыкла работать иначе, поэтому пришлось все разложить по полочкам.

В доме президента

Энастэс стремительно превратился из рядового химика в руководителя отдела, а затем стал директором новой Программы зеленой химии в Агентстве по защите окружающей среды. В первый год своего директорства он предложил учредить несколько наград — чтобы поощрить достижения в области «зеленой» химии — и награды эти вручать не только отдельным ученым, но и производственным компаниям. Президент Билл Клинтон лично поддержал премию «За дерзость в зеленой химии». Это по-прежнему престижная награда.

«Мы поймем, что зеленая химия добилась успеха, когда из оборота исчезнет само понятие зеленой химии: это будет означать, что мы занимаемся химией только так» Пол Энастэс (р. 1962), цитата из «Нью-Йорк таймс»

В 2012 году одним из победителей назвали компанию «Бакмен Интернешнл»: ее химики придумали способ, как без использования уймы реагентов и энергии делать бумагу из вторсырья прочнее. Вдохновившись девятым пунктом в списке Энастэса-Уорнера, они применили фермент — биологический катализатор — и разработали реакции, в которых получаются волокна именно той структуры, какой надо. Они прикинули, что ферменты сэкономят любому бумажному комбинату до миллиона долларов в год, и тем подтвердили гипотезу «работай умнее = трать меньше».

В другие годы эту награду получили «зеленые» производители косметики, топлива и мембран для опреснения воды. Энастэс же тем временем, по приглашению самого Клинтона, начал работать в Отделе науки и техники Белого дома — заниматься экологической политикой. Начав с президентской награды в девять лет, он учредил свою президентскую премию и поступил на службу в Белый дом, когда ему было всего 37.

Зеленое будущее

Согласно данным Агентства по защите окружающей среды, количество биологически опасных химических выбросов в США уменьшилось с 278 миллионов тонн в 1991 году, когда Энастэс еще только придумал «зеленую» химию, до 35 миллионов тонн в 2009-м. Компании начали обращать больше внимания на ущерб, наносимый окружающей среде. Впрочем, не стоит обольщаться: Энастэс-то молодец, много чего придумал и добрался до Белого дома, но проблемы промышленности в мгновение ока не решаются. Отнюдь. Многие важнейшие реактивы, от которых зависит производство продуктов ежедневного потребления, все еще делаются из нефти, а это невосстановимый ресурс, а также — потенциальный загрязнитель окружающей среды. Работы впереди невпроворот.

«Зеленая» химия по-прежнему молода. Ей предсказывают быстрый рост: по некоторым оценкам, к концу этого десятилетия ее обороты достигнут 100 миллиардов долларов. Но Энастэс не успокоится, пока не перекрасит всю химическую промышленность в зеленый. В интервью ведущему научному журналу «Нейчер» в 2011 году, после 20 лет трудов, Энастэс сказал, что его цель — добиться от мировой химии полного подчинения 12 принципам. Когда эта цель будет достигнута, понятие «зеленая» химия перестанет существовать — вся химия будет зеленой.

Зеленое опреснение

Население планеты растет, планета делается засушливее, а это значит, что воды на планете может начать не хватать. Многие города по всему миру уже располагают установками опреснения и часть питьевой воды могут получать из морской. Однако изъять соль из морского рассола - штука энергозатратная: воду проталкивают сквозь мелкопористую мембрану.

Методика называется «обратный осмос». Производство мембран для обратного осмоса требует больших расходов реактивов, в том числе растворителей. В 2011 году одним из лауреатов премии «За дерзость в зеленой химии» стала компания, разработавшая способ создания новых недорогих полимерных мембран, на которые уходит меньше вредоносных реагентов. Мембраны НЕКСАР компании «Кратон» еще и сберегают энергию при опреснении и потенциально могут сократить расход реагентов вдвое.

Экономия вплоть до атома

Принципы «зеленой» химии включают в себя понятие экономии атома, и его придумали не Энастэс с Уорнером, а Бэрри Трост из Стэнфордского университета. В любой реакции можно оценить количество всех атомов реагентов и сравнить его с общим (оценочным) количеством атомов продукта: это соотношение подскажет, насколько экономно вы расходуете атомы. В «зеленой» химии каждый атом на счету.