Ma. del Carmen Doria Serrano
SEPTIEMBRE, 2012
Opciones para el manejo de residuos
Descarga en aguas, tierra o
aire
Desarrollo de métodos de
tratamiento y de la
normatividad de la
disposición.
Cambios en los procesos que generan residuos
La dilución es la solución a la
contaminación
Tratamiento de desechos y
reciclaje Reducción en la
fuente
• Hasta los 40's: 50 a 1,000 g en sólidos 500 a 2,000 mL en líquidos
• 50's y 60's: alrededor de 10 g
• 70's: de 2 a 5 g
Can:dades comunes en técnicas convencionales en los laboratorios de docencia
• Técnicas en microescala menos de 1 g o 2 mL
25 a 150 mg para sólidos 100 a 2000 µL para líquidos
Uno de las fuentes de residuos peligrosos en una universidad proviene de los laboratorios de las
áreas de química.
El trabajo de la Química a nivel microescala contribuye a enfrentar los problemas de contaminación que pueden generar los
residuos de los laboratorios de docencia de las instituciones de educación.
El trabajo en microescala permite la reducción radical de costos de operación de los laboratorios:
§ substancias químicas § material de vidrio más pequeño § materiales no convencionales económicos § el material pequeño es menos frágil § eliminación de desechos químicos § espacios de almacenaje § energía eléctrica § agua
En microescala 50 alumnos usan la misma cantidad de reactivos y disolventes que 1 alumno con técnicas convencionales
Megaescala
Escala temporal
Esca
la e
spac
ial
Macroecala
Mesoescala
Microescala
Complejos industriales
Comunidades
Procesos unitarios
Planeta Tierra
Moléculas y reacciones
Global
QUÍMICA VERDE
INGENIERÍA VERDE
ECOLOGÍA INDUSTRIAL
DESARROLLO SUSTENTABLE
La química verde y el desarrollo sustentable
SUSTENTABILIDAD
INGENIERÍA VERDE
QUÍMICA VERDE
A + B C + D REACTIVOS PRODUCTOS Solventes
Catalizadores Fuente de energía
Cada uno de estos aspectos ofrece la oportunidad de mejora
Utilización de un conjunto de principios que reducen o eliminan el uso o generación de sustancias peligrosas en el diseño, manufactura y
aplicaciones de productos químicos.
Química Verde
Aislamiento y purificación
PRODUCTO PRINCIPAL
Principios de la Química Verde
1. Prevención Es mejor prevenir la formación de desechos que tratarlos después de
su formación. 2. Economía Atómica Se deben diseñar métodos sintéticos para maximizar la incorporación
de todos los átomos de las materias primas en el producto final. 3. Síntesis químicas menos peligrosas Los métodos sintéticos deben tratar de usar o generar materiales de
baja toxicidad y bajo impacto ambiental.
4. Diseño de productos químicos más seguros El diseño de un producto químico debe mantener su eficacia y, al
mismo tiempo, reducir su toxicidad.
5. Uso de solventes y sustancias auxiliares más seguros Los materiales auxiliares (solventes, etc.) deben evitarse si es
posible, o sustituirse por sustancias que no sean tóxicas y causen un mínimo impacto ambiental.
6. Uso más eficiente de la energía Los requerimientos de energía deben tomarse en cuenta por sus
impactos ambientales y efectos económicos. Las rutas sintéticas deben llevarse a cabo a temperatura y presión ambiente.
7. Uso de materias primas renovables 8. Evitar el uso de derivados La síntesis de derivados (protección de grupos funcionales y su
eliminación posterior) debe evitarse, cuando sea posible. .
9. Uso de catalizadores Los procesos que utilizan catalizadores específicos son mejores que
los procesos estequiométricos. 10. Diseño de productos degradables Los productos químicos deben degradarse a productos inocuos al ser
dispuestos y no deben ser persistentes en el medio ambiente. 11. Análisis en tiempo real de los procesos Desarrollo de métodos analíticos que permitan el monitoreo y
control del proceso para evitar formación de sustancias peligrosas en reacciones secundarias.
12. Uso de sustancias químicas que disminuyan el riesgo de
accidentes Las sustancias y su estado físico utilizados en un proceso químico
deben elegirse para minimizar riesgo de accidentes.
1. Prevenir la formación de desechos Factor ambiental (factor E)
Relación del peso de los desechos generados en una síntesis respecto al peso del producto final.
Factor E = masa de los desechos generados
masa del producto
Industria Producción en toneladas
Factor E (kg desechos/kg
producto) Refinación de petróleo 106-108 <0.1
Productos químicos a granel 104-106 <1-5
Productos químicos de especialidad
102-104 5-50
Productos farmacéuticos 10-103 25-100
Síntesis de Aprepitant (Merck) Reducción del: Ø 85% en materias primas Ø 80% en el uso de agua Ø 85% en la generación de desechos Ø 75% en costos Ø factor E de 477 a 66
Este parámetro se refiere a la relación del peso molecular del producto a la suma de los pesos moleculares de todas las sustancias producidas en la ecuación estequiométrica de la reacción involucrada.
Economía atómica = peso molecular del producto peso molecular de los reac:vos
X 100
Depende de la naturaleza intrínseca de cada reacción.
B.M. Frost, Science, 1991, 253, 1471.
2. Economía atómica
Una reacción Diels-Alder tiene 100% de economía atómica
En cambio, la reacción de Wittig tiene una economía más baja:
Síntesis de metacrilato de metilo como materia prima para un polímero.
Reacción verde:
C5H11O2N (117g/gmol) → C5H8O2 (100 g/gmol)
C5H8O2N (100g/gmol) → C5H8O2 (100 g/gmol)
Otras medidas para determinar qué tan verde es una reacción o proceso.
masa total de reactivos y solventes (g) masa total de producto (g)
masa total de producto (Kg) masa total de reactivos (Kg)
masa del carbono en el producto (kg) x 100 masa del carbono en los reactivos (kg)
EFICIENCIA DE MASA =
INTENSIDAD DE MASA =
EFICIENCIA DE CARBONO =
Green Chem, 2001, 3,1-6
Síntesis de policarbonato
3. Uso de reactivos menos peligrosos
difenil carbonato
fosgeno
bisfenol A
Antiadherente marino (algas, diatomeas, etc,)
4. Productos más seguros
• Oxido de tributil estaño (TBTO) • Vida media en el agua de mar > 6 meses • Bioconcentración alta (104) • Toxicidad crónica • Afecta a la fauna marina
Óxido de tributil estaño
Antiadherente verde: • Muy tóxico para una gran variedad de organismos marinos • Biodegradación rápida a productos no tóxicos (vida media < 1 hora) • Baja bioconcentración (13) • Concentración ambiental < nivel de toxicidad aguda • No provoca toxicidad crónica • Baja biodisponibilidad
4,5-dicloro-2-N-octil-4-isotiazolin-3-ona
Las grandes hojas del loto son repelentes al agua y se auto-limpian, ya que las gotas que se desplazan eliminan las contaminantes presentes en su superficie.
Pinturas que utilizan el “efecto loto”
Este efecto se basa en la rugosidad y las propiedades hidrofóbicas de la superficie de la hoja, lo que reduce la adhesión del agua.
La pintura para exteriores Lotusan combina las propiedades repelentes al agua con la microestructura de las hojas de loto. La suciedad se elimina con las gotas de agua de la lluvia y las fachadas permanecen limpias.
• Solventes biodegradables
• Bio-‐solventes
• Líquidos iónicos • Dióxido de carbono supercrí:co • Reacciones sin solvente
5. Disolventes no tóxicos y biodegradables
§ agua § acetona § etanol, metanol, isopropanol § hexano § ácido acético § acetato de etilo
limoneno
lactato de metilo
• Microondas • Infrarrojo • Ultravioleta • Ultrasonido • Láser
6. Uso más eficiente de la energía
Tipos de reactores de radiación microondas
Los reactores domésticos se utilizaron originalmente para llevar a cabo reacciones químicas. Estos hornos son multimodo, es decir, en la zona de irradiación hay diversos modos, zonas de alta y de baja energía, y hay zonas donde la energía es cero, llamadas nodos.
En un horno unimodo la zona de irradiación incluye un solo nodo.
Conversión de biomasa a ácido levulínico
7. Materias primas renovables
ácido levulínico γ-‐buErolactona
tetrahidrofurano meEltetrahidrofurano
ácido succínico
ácido acrílico
ácido difenólico ácido δ levulínico
Biodiesel Sintetizado a partir de aceites vegetales por una trans-
esterificación.
aceite vegetal glicerol biodisel
glicerol acetol
Síntesis de ácido adípico
ácido adípico
benceno benceno
ácido adípico
HOOCCOOH
COClClOC
+
O
Nn
NH2H2N
ácido adípico
nylon 6,6
Biosíntesis de ácido adípico
D-‐glucosa
ácido adípico
ácido mucónico D-‐glucosa ácido mucónico
ácido adípico
Polímeros biodegradables 10. Diseño de productos biodegradables
poli(ε-‐caprolactama)
poli(glicida)
poli(lactato)
Síntesis de polímeros de ácido láctico (PLA).
ácido lác:co
lactona
poli(lactato) H2O
H2O
octanoato de estaño
CH2Cl2 etanol
etanol CH3CN
Química verde y la docencia experimental de la Química
Síntesis tradicional
OH
H2SO4 KMnO4 + H2O COOH
COOH
Síntesis verde
Síntesis de ciclohexeno y ácido adípico
COOH
COOH
H3PO4
OH
4 H2O2 +Na2WO4
[CH3(C8H17)3N] HSO4
K.M.Doxsee y J.E. Hutchison. ”Green Organic Chemistry. Strategies, Tools and Laboratory Experiments”. Thomson Brroks/Cole, 2004.
Síntesis de acetato de isoamilo
CH3CHCH 2CH2OH CH 3COH CH3
+CH3
CH3CHCH 2CH2OCCH 3 OO
+ H2OH2SO4
1.5 h. reflux
Ácido p-‐toluensulfónico impregnado en carbón acEvado y
con radiación microondas
Síntesis tradicional
Síntesis verde
Síntesis de ε-caprolactama
O
NH2OH
NOH
H2SO4
Δ
HON
H
HSO4 NH3
H ON
+ (NH4)2SO4
NH3air
MnIIIMgIIAlPO4NH2OH O
NOH
AlPO4IIMgIIIMn
N OH
Thomas J.M., Raja R. Proc. Natl. Acad. Sci U.S.A. 2005, 102, 13732-13736.
fosfato de aluminio nanoporoso
Síntesis tradicional
Síntesis verde
Síntesis de benzoina
OH
OHCC
2 HO
C
N
N N
S
CH3
H3C
NH3+Cl-
OH
Cl-
NaOH
NaCNOH
OHCC
2 HO
C
K.M.Doxsee y J.E. Hutchison. ”Green Organic Chemistry. Strategies, Tools and Laboratory Experiments”. Thomson Brroks/Cole, 2004.
Clorhidrato de tiamina
Síntesis tradicional
Síntesis verde
NH 4+ NO 3
-‐
-‐ NO 2+NH 4
N 2 + 2 H 2O
Cu 2+
Cu C 6H 5
C C C 6H 5
O O
O
C6H 5
C CC 6H 5
OH
H
+
Williamson, K. L. “Macroscale and Microscale Organic Experioments” .D.H. Health y Co. 1994
OCC
OOC
OHCH PCC
Síntesis de bencilo
Síntesis tradicional
Síntesis verde
• Lo “verde” de un proceso o reacción es relativo.
• Los principios son guías que ayudan a mejorar todos los aspectos de una reacción o proceso.
• Los cambios pueden ser pequeños, aunque hay muchos ejemplos en donde los cambios han sido sustanciales.
• No siempre se pueden aplicar los doce principios en un sólo proceso o reacción, aunque en otros casos, un cambio responde a más de un principio.
Conclusiones
“La Química Verde es el pilar que soporta nuestro futuro sustentable. Es imperativo enseñar el valor
de la Química Verde a los profesionistas del futuro”.
Daryle Busch, President ACS, June 26, 2000, “Color Me Green”
Chem. Eng. News 2000, 78 (28) 49-‐55.
Bibliografía
• Green Chemistry Expert System http://www.epa.ohio.gov/portals/41/p2/Green%20Chemistry%20Expert
%20System_factsheet.pdf • Green Chemistry Education Network
http://cmetim.ning.com/ • Greener Education Materials for Chemists
http://greenchem.uoregon.edu/gems.html
• Green Chemistry Assistant http://www.files.chem.vt.edu/confchem/2006/b/hanson/
• Green Chemistry Network http://www.greenchemistrynetwork.org/about.htm
• Presidential Green Chemistry Challenge Awards http://www.epa.gov/gcc/pubs/pgcc/presgcc.html
• Revista : Green Chemistry http://pubs.rsc.org/en/Journals/JournalIssues/GC
Objetivo del Centro
Promover los beneficios de la Química verde y la Química
en microescala en las instituciones educativas.
GRACIAS POR SU ATENCIÓN [email protected]
Materias primas
Formulación, manufactura y procesamiento
Empaque y distribución
Uso del producto
Reuso, reciclado, disposición
Catálisis
Productos reciclables
Productos biodegradables
Productos más seguros
Empaques degradables
Sustitución de solventes
Rutas de síntesis alternativas Minimización de desechos
Origen biológico
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