Groene Chemie

1. Groene Chemie Nieuwsubdomein in havo en vwoexamenprogramma DvD, 18 oktober 2012 Aonne Kerkstra Prof. Isabel Arends 12

2. Twaalf principes voor Groene chemie • Hoeveel principes kent u?

3. Twaalf principes voor Groene chemie • PreventieVorming van afval moet zoveel mogelijk worden voorkomen. • Atoomeconomie Er moeten productiemethoden ontwikkeld worden, waarbij zo veel mogelijk van de beginstoffen in het eindproduct verwerkt zijn.

4. Principe 2: Atoomeconomie Voorbeeld De atoomeconomie voor het product methylethanoaat is dus: Ook wel wordt gezegd: de atoom efficiency is 80,43%.

5. Voorbeelden: Atoom Efficiënte Processen

6. 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

7. 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.

8. 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 opbrengstis 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.

9. Voorbeeld: Oxidatie van Alcohol naar Keton Pd-kat Rendementvoorketon is 90% A.E. = 87%

10. 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.

11. E-factor Groene kwantificering van grootschalige chemische processen: Bron: R.A Sheldon, Chem & Ind., December 1997 p. 904

12. Hoe het afval beperken? Bv. Synthese van chiraal verrijkt bestrijdingsmiddel, door reductie met Waterstof en een katalysator: De kracht van homogene katalyse (principe 9) Ciba-Geigy (Syngenta) > 10 kton/y Verhoudingsubstraat/kat = 750.000 Snelheidkat: 1 miljoen turnovers in 6 hrs

13. Principe 3: Minder gevaarlijkeproductiemethoden Vb. vervanging van fosgeen door dimethylcarbonaat

14. Principe 4:Ontwikkelen van veiligerproducten • Productontwerp, toxiciteit minimaal • Duurzame productontwikkeling (LCA) • Cradle to Cradle-benaderingen (Remaking the way we make things)

15. 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 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.

16. 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

17. Principe 5:Veiligeroplosmiddelen • 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

18. 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 chemicalengineer

19. Voorbeeld:Enzymatischeproductieacrylamide conv. > 99.99% sel. > 99.99% • • Mildecondities (5 oC); geenpolymerisatie inhibitor nodig • 100.000 tons per jaar • • Simpelerdanchemischproces (Cu cat 140 oC) • • Hogeproductiviteit (>400 g·L-1 ·h-1) • Hogeproductkwaliteit

20. Principe 7:Hernieuwbaregrondstoffen • Biodiesel en bio-ethanol • Glucose naarmelkzuur • Lignocellulosenaarallerhande platform-moleculen • Biobasedpolymeren • Biobased economy

21. VoorbeeldenBiomassagebruik Chemische Feitelijkheden 48, nr 221, december 2005

22. Proces Opties naar Bioproducten enzymen bio-oliën syngas éénpots cascades hydrolyse fermentatie Fischer-Tropsch Ethanol Platform moleculen koolwaterstoffen enzymen BRANDSTOFFEN/ CHEMICALIEN CHEMICALIEN

23. Principes 8 en 9:Reacties in weinigstappenKatalyse • Enzymatische synthese van 6-APA als grondstof voor antibiotica • 1 stap i.p.v. 3 • Enzym als katalysator – milde en niet-toxische chemie

24. Principe 10:Ontwerpen met het oog op afbraak • Polymelkzuur (PLA) • Afbreekbareluiers. O H O H O OH H O O H O O O H H O O H O n O H O O H H O O H O H O COOH H O O H O O O H H O O H O n O H O O H Oxidatie van zetmeel met enzymen H O

25. Principes 11 en 12: Proces analyses met het oogop preventiemilieuverontreiniging Ontwikkelveiligechemie • Procesontwerp: Veiligheidsanalyse. • Voorbeeldbijoxidaties: Gebruik 8% zuurstof in stikstof. Hiermeebevindteenreactiezich in explosievrijegebied.

26. Twaalf principes voor Groene chemie • Preventie • Atoomeconomie • Minder gevaarlijke chemische productiemethoden • Ontwikkelen van veiliger chemische producten • Veiliger oplosmiddelen • Energie-efficiënt ontwerpen • Gebruik van hernieuwbare grondstoffen • Reacties in weinig stappen • Katalyse 10. Ontwerpen met het oog op afbraak • Tussentijdse analyse met het oog op preventie van milieuverontreiniging • Ontwikkel veilige chemie Bron: P.C/ Anastas and J.C. Warner, Green Chemistry: Theory and Practice, Oxford University Press, New York, 1998.

27. 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.

28. Groene Chemie is een platform omaanfarmaceutische- en polymeerindustrie, maareigenlijkaaniedereen die productenmaaktduidelijktemakendat de vraag die gestelddientteworden is: • “Is this the best you can do” ? • Maak de massabalans van cradle to cradle en blijfvragenwaarallesvandaankomt en verdwijnt, alleendankunnen we allekoolstof en zuursof-balansenkloppendmaken en onzeaardenietonnodigvervuilenen bestendigmakenvoortoekomstigegeneraties.

29. 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

30. 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: A.Kerkstra@tudelft.nl

31. De Delftse voorbeeldleerlijnVisie 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.

32. Module Groene chemie en evenwichten • H1 inleiding en contextvragen • H2 Hoe groen is een productieproces? • H3 Energiebalansen • H4 Evenwichtsreacties • H5 Proceschemie • H6 Eindopdracht • Industriële context • Chemie van de 21e eeuw • Leerling in de rol van mogelijk beroep (adviesbureau) • Needtoknowprincipe toegepast • Eindopdracht is groepswerk

33. Hoofdstuk 3 Energiebalansen • warmtecapaciteit • energie balans fase overgangen • vormingswarmte • reactie energie • activeringsenergie • hergebruik energie Figuur 3: blokschema verwarmen van lood

34. Hoofdstuk 3 Energiebalansen • Vormingswarmte: Binas tabellen 57A en 57B • Reactie-energie • Activeringsenergie Figuur 14: energiediagram van een exotherme reactie met en zonder katalysator

35. Hoofdstuk 4 Evenwichtsreacties Aanhaken bij hoofdstuk energiebalansen Omkeerbare reacties en evenwichtsreacties vanuit een energie concept. • omkeerbare reacties • evenwichtsreacties • evenwichtsvoorwaarde, constante en concentratiebreuk* • beïnvloeden evenwicht* ΔreactieG ɵ= -RTlnK * simulatie

36. Hoofdstuk 4 Evenwichtsreacties • omkeerbare reactie • evenwichtsreactie

37. Hoofdstuk 4 Evenwichtsreacties Energie diagrammen voor een N2O4/ NO2-mengsel (T) Mengsel zonder met energie-effecten van menging

38. 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)

39. Hoofdstuk 4 Evenwichtsreacties Simulaties in Excel

40. Hoofdstuk 5 Proceschemie Concepten • scheidingsmethoden • blokschema • reactoren batch/continu • massabalans Figuur 11: blokschema ammoniakproductie

41. 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.

42. Eindopdracht Titaandioxide productie • Maak van het proces een blokschema en geef de totale reactievergelijking van het proces.

43. Casus Titaandioxide, Sulfaatproces, volledig leeg

44. Casus Titaandioxide, Sulfaatproces, gedeeltelijk leeg

45. 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: A.Kerkstra@tudelft.nl