QUÍMICA SUSTENTÁVEL. Criação, manufatura e uso de produtos e processos químicos eficientes e efetivos, que sejam mais ambientalmente benignos.

Transcrição

1 QUÍMICA SUSTENTÁVEL Criação, manufatura e uso de produtos e processos químicos eficientes e efetivos, que sejam mais ambientalmente benignos. Organização para Cooperação Econômica e Desenvolvimento OECD (1998) Química Limpa Prevenção da poluição Produção limpa Química ecoeficiente Química Verde

2 POLUENTES: NOVA ABORDAGEM Disperso Poluente Remediação Confinado Prevenção Ainda inexistente Ação Química verde MESTRES, R. Environ. Sci. Poll. Res. Int.(2005), 12(3),

3 QUÍMICA VERDE OU GREEN CHEMISTRY Pode ser definida como a utilização de técnicas químicas e metodologias que reduzem ou eliminam o uso solventes, reagentes ou a geração de produtos e sub-produtos que são nocivos à saúde humana ou ao ambiente. Termo proposto na década de 90 por Paul Anastas (US-EPA)

4 EVOLUÇÃO DA QUÍMICA VERDE 1991 a agência ambiental norte americana EPA (Environmental Protection Agency), lançou seu programa Rotas sintéticas alternativas para prevenção da poluição, caracterizando o nascimento da Química Verde na Itália, foi estabelecido o Consórcio Universitário Química para o Ambiente (INCA), com o intuito de reunir grupos de pesquisa em reações, produtos e processos mais limpos. Anualmente o INCA promove sua Escola Internacional de Verão em Química Verde que tem contado com a participação de jovens químicos de 20 países diferentes o governo dos EUA instituiu o programa de premiação The Presidential Green Chemistry Challenge (PGCC) com o objetivo de premiar inovações tecnológicas que possam vir a ser implementadas na indústria para a redução da produção de resíduos na fonte. Anualmente são premiados trabalhos em cinco categorias: acadêmico, pequenos negócios, rotas sintéticas alternativas, condições alternativas de reação e desenho de produtos mais seguros.

5 1997 foi criado o Green Chemistry Institute (GCI), que desde 2001 atua em parceria com a American Chemistry Society (ACS) em setembro a IUPAC (Internation Union for Pure and Applied Chemistry) organizou sua primeira conferência internacional em Green Chemistry, em Veneza em julho a IUPAC aprovou a criação de um sub-comitê interdivisional de Química Verde e em setembro do mesmo ano foi realizado Workshop sobre Educação em Green Chemistry ocorreu a Conferência CHEMRAWN XIV (The Chemical Research Applied to World Needs), na Universidade do Colorado, contando com mais de 140 trabalhos relacionados ao tema. A literatura relativa à Química Verde vem se expandindo através de livros, periódicos e publicações diretas na Internet.

6 Os produtos ou processos da Química Verde podem ser divididos em três categorias: O uso de fontes renováveis ou recicladas de matéria-prima; Aumento da eficiência de energia, ou a utilização de menos energia para produzir a mesma ou maior quantidade do produto; Evitar o uso de substâncias persistentes, biocumulativas e tóxicas. Os primeiros trabalhos em Química Verde foram definindo alguns princípios básicos que precisam ser perseguidos quando se pretende implementar esta ação em uma indústria ou instituição de ensino e/ou pesquisa na área de Química.

7 QUÍMICA VERDE NO BRASIL Universidade Perfil industrial Educação Pesquisa Lattes = ~137 doutores Pouco desenvolvida Incentivo ($) FNMA : R$ 20 milhões/ano? R$ 1,2 bilhões em multas não-pagas Legislação ambiental 1981: Política Nacional Meio Ambiente 1989: IBAMA e FNMA 1998: Crimes Ambientais

8 PERFIL DA INDÚSTRIA QUÍMICA BRASILEIRA

9 COMO DESENVOLVER A QUÍMICA VERDE? Educação Pesquisa (Academia) Química verde Incentivo (Governo) Tecnologia (Indústria)

10 EDUCAÇÃO MUDANÇA NO MODO DE PENSAR Química Verde = Filosofia Novo modo de pensar Desafios: Divulgação / Ensino Aceitação Aplicação!

11 DIVULGAÇÃO E ENSINO escolas de verão, mini cursos, etc; cursos regulares na graduação e pós-graduação; permeação nas demais disciplinas (lab); ensino médio / fundamental

12 ACEITAÇÃO E APLICAÇÃO atividades de pesquisa; empresas (via aluno egresso); pesquisa específica na área.

13 O QUÍMICO E O MEIO AMBIENTE Visão tradicional (comando / controle) Química Analítica Físico-Química Noções C. Ambientais Visão verde (prevenção poluição) Química Orgânica Química Inorgânica Ciência dos Materiais Ciências Ambientais Tecnologia

14 NO DEPARTAMENTO DE QUÍMICA - UFJF Disciplinas regulares na graduação (química do meio ambiente e química ambiental) Pesquisa na área Gerenciamento de resíduos Coleta seletiva

15 INDÚSTRIA

16 USO RACIONAL DE ÁGUA

17 REDUÇÃO EFLUENTES

18 ENERGIA

19 ACADEMIA Diversos grupos em universidades e centros de pesquisa, atuando em: Catálise e Biocatálise Solventes Alternativos Materiais Renováveis Processos Análise de ciclo de vida

20 O que é a Química Verde? Como empregá-la? Onde posso aprendê-la?

21 QUÍMICA VERDE Materiais Dejetos Energia Redução Risco Toxicidade Fontes não renováveis

22 PROCESSOS QUÍMICOS Materiais de partida Reagentes Produto Energia Processo químico Solventes Produtos secundários Produtos concomitantes

23 12 PRINCÍPIOS DA QUÍMICA VERDE 1 PREVENÇÃO: Evitar a produção do resíduo é melhor do que tratá-lo ou limpá-lo após sua geração. É sem dúvida a maneira mais eficiente de minimizar o impacto ambiental de uma atividade industrial. Além disso, gasta-se muito dinheiro no tratamento de resíduos sólidos e líquidos, especialmente devido à legislação rigorosa que exige baixos níveis de emissão. 2 ECONOMIA DE ÁTOMOS: Deve-se procurar desenhar metodologias sintéticas que possam maximizar a incorporação de todos os materiais de partida no produto final. Também chamada de eficiência atômica é calculada dividindo-se o peso molecular do produto desejado pelo obtido da soma de todas as substâncias na(s) equação(ões) estequiométrica(s) envolvida(s) no processo. Constitui um dos pilares de sustentação dos fundamentos da Química Verde e foi introduzido por Trost em 1991, ele foi um dos premiados pelo governo americano (PGCC), em 1998, categoria acadêmico.

24 Reação de substituição nucleofílica para preparação do N-bromobutano a partir do n-butanol. EXEMPLO Um procedimento típico para esta preparação envolve a dissolução de 30 g de KBr (2) em 50 ml de água, seguida pela adição de 25 ml (46 g) de H 2 SO 4 concentrado. Após filtração para remoção do KHSO 4 (que é descartado), o filtrado é transferido para um recipiente onde se adicionam 14 ml de n-butanol (1) e 15 ml (27,6 g) de H 2 SO 4 concentrado (3). Se considerarmos que foram isolados 25,86 g de n-bromobutano podemos aferir que o rendimento em porcentagem foi 81%, um bom rendimento em síntese orgânica. Quim. Nova, Vol. 26, No. 1, , 2003

25 Quim. Nova, Vol. 26, No. 1, , 2003

26 Entretanto, se olharmos a reação acima, vemos que um total de 120,88 g de reagentes (17,28 g de n-butanol + 30 g de KBr + 73,6 g de H 2 SO 4 ) foram utilizados e que, na melhor das hipóteses (rendimento de 100%), a reação poderia fornecer apenas 31,93 g do produto desejado (n-bromobutano). Rend.Porcentagem = (rendimento da reação / rendimento teórico) X 100 = (25,86 g / 31,93 g) X 100 = 81% %EA = porcentagem de eficiência atômica %EA teo = (rendimento da teórico / massa de todos os reagentes) X 100 = (31,93 g / 120,88 g) = 26,4% %EA exp = (rendimento da reação / massa de todos os reagentes) X 100 = (25,86 g / 120,88 g) = 21,4% Quim. Nova, Vol. 26, No. 1, , 2003 Isto significa dizer que, do ponto de vista de aproveitamento de reagentes, esta reação é muito ruim, pois a maior parte dos átomos empregados na reação não é incorporada no produto final.

27 Fator E - é um outro conceito introduzido para descrever a eficiência de uma reação de maneira semelhante à economia de átomos. Ele é mais utilizado mais em indústrias e considera a quantidade de resíduo gerado para cada quilograma de produto obtido. Por resíduo, aqui, considera-se tudo o que é produzido além do produto desejado ao longo do processo de fabricação.

28 3 SÍNTESES COM COMPOSTOS DE MENOR TOXICIDADE: Sempre que praticável, a síntese de um produto químico deve utilizar e gerar substâncias que possuam pouca ou nenhuma toxicidade à saúde humana e ao ambiente. 4 DESEMVOLVIMENTO DE COMPOSTOS SEGUROS: Os produtos químicos devem ser desenhados de tal modo que realizem a função desejada e ao mesmo tempo não sejam tóxicos. Dois exemplos ilustrativos, agraciados com o prêmio PGCC, envolvem o desenvolvimento de produtos menos tóxicos mas, possuem a mesma eficácia dos seus análogos no mercado. Inseticida CONFIRM TM e o anti-limo SEA-NINE, ambos produzidos pela multinacional Rohm and Haas. COMPLEMENTARES!!!

29 CONFIRM família das diacil-hidrazinas, controle das lagartas lepdópteras que afetam diversas lavouras no mundo. SEA-NINE um antilimo para emprego na proteção de cascos de navio, que substitui o óxido de tributilestanho, considerado mutagênico e persistente (meia vida superior a 6 meses na água do mar)

30 5 DIMINUIÇÃO DE SOLVENTES E AUXILIARES: O uso de substâncias auxiliares (solventes, agentes de separação, secantes, etc.) precisa sempre que possível, tornar-se desnecessário e, quando utilizadas, estas substâncias devem ser inócuas. Embora a reação de preparação do n-bromobutano utiliza água como solvente, a extração do produto após destilação do bruto contido no balão reacional irá requerer 15 ml de HCl concentrado, 20 ml de solução de Na 2 CO 3 a 10%, 50 ml de água e um agente secante anidro (CaCl 2, por exemplo). Grande esforço tem sido feito no sentido de substituir solventes orgânicos convencionais por solventes verdes, como fluido supercrítico, líquidos iônicos à temperatura ambiente, água próxima do estado super crítico possui características semelhantes à da acetona, em termos da capacidade de dissolução e solvatação.

31 6 BUSCA PELA EFICIÊNCIA DE ENERGIA: A utilização de energia pelos processos químicos precisa ser reconhecida pelos seus impactos ambientais e econômicos e deve ser minimizada. Se possível, os processos químicos devem ser conduzidos à temperatura e pressão ambientes. 7 USO DE SUBSTÂNCIAS RECICLADAS: Sempre que técnica é economicamente viável, a utilização de matérias-primas renováveis deve ser escolhida em detrimento de fontes não renováveis. Materiais derivados de plantas e outras fontes biológicas renováveis devem ser utilizados sempre que possível. O recente avanço pelo interesse no biodiesel pode ser considerado como um ganho ao ambiente, pois muitos geradores de energia hoje movidos a óleo derivado de petróleo poderão ser substituídos por este combustível verde.

32 8 REDUÇÃO DE DERIVATIVOS: A derivatização desnecessária (uso de grupos bloqueadores, proteção/desproteção, modificação temporária por métodos físicos e químicos) deve ser minimizada ou, se possível, evitada, porque estas etapas requerem reagentes adicionais e podem gerar resíduos. Idealmente uma síntese deve levar à molécula desejada a partir de materiais de partida de baixo custo, facilmente obtidos, de fonte renovável, em uma única etapa, simples e ambientalmente aceitável, que se processe rapidamente e em rendimento quantitativo. Além disso o produto precisa ser separado da mistura da reação com 100% de pureza. 9 CATÁLISE: Reagentes catalíticos (tão seletivos quanto possível) são melhores que reagentes estequiométricos. Na literatura, há muitos exemplos descrevendo as vantagens de substituir as metodologias clássicas de obtenção de fármacos, ou outras matérias-primas para indústria química, por técnicas catalíticas. Em geral reações que utilizam catalisadores heterogêneos são mais limpas, mais seletivas e, como há possibilidade de reciclar ou reutilizar o catalisador por várias vezes, há, invariavelmente, vantagens econômicas.

33 EXEMPLO O ácido adípico é um produto importante, utilizado na fabricação do nylon-6,6, presente em fibras de carpetes, tapeçaria, reforço de pneus, partes de automóveis, etc. a produção mundial gira em torno de 2,2 milhões de toneladas e utiliza em geral, HNO 3 como agente oxidante em uma das suas etapas. Estes processos industriais são responsáveis pelo lançamento na atmosfera de 5 a 8% de todo N 2 O antropogênico. Thomas e Noyori prêmio Nobel 2001 eliminaram a utilização do HNO 3, utilizaram a catálise heterogênea e ar como agente oxidante, além de empregarem também condições de catálise de transferência de fase e água oxigenada aquosa como agente oxidante. Em ambos os casos, a necessidade de solventes e produção de resíduos tóxicos foi eliminada. O único senão para estas sínteses propostas é o fato dos compostos de partida não serem obtidos à partir de fontes renováveis.

34 HNO 3 corrosivo Altas temperaturas Várias etapas Crômio Emissão de poluentes Temperatura moderada Única etapa Pequena quantidade de catalisador Oxidante menos agressivo

35 10 DESENVOLVIMENTO DE COMPOSTOS PARA DEGRADAÇÃO: Os produtos químicos precisam ser desenhados de tal modo que, ao final de sua função, se fragmentem em produtos de degradação inócuos e não persistam no ambiente. 11 ANÁLISE EM TEMPO REAL PARA A PREVENÇÃO DA POLUIÇÃO: Será necessário o desenvolvimento futuro de metodologias analíticas que viabilizem o monitoramento e controle dentro do processo, em tempo real, antes da formação de substâncias nocivas. 12 QUÍMICA SEGURA PARA PREVENÇÃO DE ACIDENTES: As substâncias, bem como a maneira como pela qual uma substância é utilizada em um processo químico, devem ser escolhidas a fim de minimizar o potencial para acidentes químicos, incluindo vazamentos, explosões e incêndios.

36 ONDE APRENDER E/OU TRABALHAR COM QUÍMICA VERDE Área de pesquisa que te agradar Ensino Empresas

37 CONCLUSÕES -No Brasil o investimento no desenvolvimento e implantação de tecnologias utilizando Química Verde ainda é insipiente. -Alguma Instituições de ensino e pesquisa já têm programas bem estruturados para gerenciamento de seus resíduos. -É preciso que se discuta criação de linhas de investimento para desenvolvimento de tecnologias limpas e implementação de redução de fontes tanto no segmento industrial como acadêmico. -Um profissional da química formado dentro dos princípios da Química Verde estará muito mais preparado para o desafio que a indústria e o meio acadêmico passaram a impor nos últimos anos: a busca pela Química Auto-sustentável. PREVENIR É MELHOR DO QUE REMEDIAR

38 ARTIGOS RECOMENDADOS GREEN CHEMISTRY OS 12 PRINCÍPIOS DA QUÍMICA VERDE E SUA INSERÇÃO NAS ATIVIDADES DE ENSINO E PESQUISA - Quim. Nova, Vol. 26, No. 1, , 2003 QUÍMICA VERDE, OS DESAFIOS DA QUÍMICA DO NOVO MILÊNIO - Quim. Nova, Vol. 26, No. 5, , 2003 DESENVOLVIMENTO SUSTENTÁVEL E QUÍMICA VERDE - Quim. Nova, Vol. 28, No. 1, , 2005