10.7 Grønn kjemi og bærekraft

Kan kjemi redde miljøet?

Kjemisk industri har lenge hatt rykte på seg for forurensning og farlig avfall. Men tenk om kjemien i stedet kunne bli en del av løsningen? Det er nettopp ideen bak grønn kjemi: å designe kjemiske produkter og prosesser slik at bruk og dannelse av farlige stoffer reduseres eller helt forsvinner.

Grønn kjemi springer ut av tanken om bærekraftig utvikling, som FN definerer som «utvikling som imøtekommer dagens behov uten å ødelegge mulighetene for kommende generasjoner». For kjemisk industri betyr det tre ting: redusere ressursforbruket, minimere avfall og utslipp, og utvikle tryggere produkter. I dette kapittelet skal vi se hvordan disse målene gjøres konkrete -- gjennom tolv prinsipper, gjennom et tall som kalles atomøkonomi, og gjennom en helt ny måte å tenke på materialer som kalles sirkulær økonomi.

Tolv prinsipper å designe etter

Grønn kjemi er samlet i tolv prinsipper som fungerer som en sjekkliste for tryggere prosesser. Det aller første og kanskje viktigste er å forebygge avfall i stedet for å rense det opp etterpå -- det er alltid bedre å unngå et problem enn å fjerne det. De andre prinsippene bygger på samme tanke: maksimer atomøkonomien, design mindre farlige synteser, lag tryggere kjemikalier, bruk tryggere løsemidler, gjør prosessene energieffektive, og bruk fornybare råstoffer i stedet for fossile.

Videre bør man redusere unødvendige mellomtrinn (derivatisering), bruke katalysatorer, designe produkter for nedbrytning, overvåke prosesser i sanntid for å oppdage forurensning tidlig, og minimere ulykkespotensialet. Katalysatorer fortjener et eget ord her: de øker effektiviteten i en reaksjon og kan gjenbrukes, slik at både energiforbruk og avfall går ned. Og prinsippet om å designe for nedbrytning betyr at produkter bør kunne brytes ned til ufarlige stoffer etter bruk, i stedet for å hope seg opp i miljøet i hundrevis av år.

Atomøkonomi: hvor mye blir til noe?

Et av de kraftigste verktøyene i grønn kjemi er atomøkonomi -- et mål på hvor stor andel av reaktantenes atomer som faktisk ender opp i det ønskede produktet. Jo høyere atomøkonomi, jo mindre avfall:

$$\text{Atomøkonomi} = \frac{M(\text{ønsket produkt})}{M(\text{alle reaktanter})} \times 100\%$$

Reaksjonstypen avgjør mye. En addisjonsreaksjon har ofte 100 % atomøkonomi fordi alle atomene blir en del av produktet. Et eksempel er hydrogenering av eten:

$$\text{CH}_2{=}\text{CH}_2 + \text{H}_2 \rightarrow \text{CH}_3\text{CH}_3$$

Her går alt inn i produktet. En substitusjonsreaksjon har derimot lavere atomøkonomi fordi noe alltid faller av som biprodukt. Se på denne:

$$\text{CH}_3\text{Br} + \text{NaOH} \rightarrow \text{CH}_3\text{OH} + \text{NaBr}$$

Her er det ønskede produktet metanol, $\text{CH}_3\text{OH}$, med molar masse 32 g/mol, mens reaktantenes samlede masse er omtrent 136 g/mol. Atomøkonomien blir $32/136 \times 100\% \approx 24\%$ -- altså ender bare en fjerdedel av atomene i produktet, resten blir saltavfall. Dette tallet hjelper kjemikere å velge de minst sløsende reaksjonsveiene.

Grønn kjemi i praksis og sirkulær økonomi

Grønn kjemi er ikke bare teori. Biobaserte materialer erstatter fossile: bioplast som PLA tar over for petroleumsplast, biobasert polyester for syntetiske fibre, og biodiesel for fossilt drivstoff. I industrien finnes det slående eksempler. Syntesen av smertestillende ibuprofen ble forbedret fra en gammel prosess med 6 trinn og 40 % atomøkonomi til en ny med bare 3 trinn og 77 % atomøkonomi -- færre trinn ga mindre avfall. Og superkritisk CO₂ brukes nå som løsemiddel i stedet for organiske løsemidler, fordi det verken er giftig eller brennbart og lett kan fjernes etterpå.

Den største endringen er kanskje selve tankesettet. Den gamle, lineære modellen er «utvinne → produsere → bruke → kaste». Den nye, sirkulære modellen holder ressursene i bruk lengst mulig gjennom å redesigne produkter som varer, reparere dem, gjenbruke dem, resirkulere dem til ny funksjon, og kompostere det som kan brytes ned biologisk. For å vurdere et produkts samlede miljøpåvirkning brukes en livssyklusanalyse (LCA), som ser på hele kjeden: råvareutvinning, produksjon, transport, bruk og avhending. Slik beveger kjemisk industri seg mot fornybare råstoffer, energieffektive prosesser, nedbrytbare produkter og lukkede materialkretsløp.

Oppsummering

Vi har sett at grønn kjemi handler om å forebygge forurensning ved kilden, utnytte ressursene best mulig og minimere farlige stoffer. De tolv prinsippene -- med avfallsforebygging øverst -- gir en konkret sjekkliste, der bruk av katalysatorer og design for nedbrytning er sentrale.

Atomøkonomien, $M(\text{produkt})/M(\text{reaktanter}) \times 100\%$, måler hvor lite avfall en reaksjon gir; addisjonsreaksjoner kan nå 100 %, mens substitusjoner ofte ligger lavt. I praksis erstatter biobaserte materialer fossile, ibuprofen-syntesen ble grønnere med færre trinn og høyere atomøkonomi, og superkritisk CO₂ erstatter farlige løsemidler. Til slutt avløser den sirkulære økonomien den lineære bruk-og-kast-modellen, vurdert helhetlig gjennom livssyklusanalyse -- og dermed blir kjemien en del av løsningen i stedet for problemet.