Definition der grünen Chemie

Chemische Prozesse von Anfang an sicherer gestalten

$Grüne Chemie$ gestaltet chemische Produkte und Prozesse so, dass gefährliche Stoffe von Anfang an seltener eingesetzt werden oder gar nicht erst entstehen. Das Wort „grün“ beschreibt dieses Ziel. Es bezieht sich weder auf die Farbe eines Stoffes noch auf die Pflicht, pflanzliche Rohstoffe zu verwenden.

Grüne Chemie betrachtet den gesamten Lebenszyklus eines chemischen Produkts, vom Entwurf und der Herstellung über die Nutzung bis zu seinem Lebensende.

Die Arbeit beginnt bei der $Gestaltung$ . Die nachträgliche Behandlung von Abfällen bleibt wichtig. Grüne Chemie setzt früher an und prüft, ob Ausgangsstoffe, Lösungsmittel, Energiebedarf, Katalysator und Endprodukt schon vor Prozessbeginn sicherer gestaltet werden können.

Abfall bereits bei der Prozessgestaltung vermeiden

Der Unterschied zwischen Vorbeugung und Aufräumen lässt sich an zwei Küchen zeigen. In der ersten werden verschüttetes Öl, Rauch und Zutatenreste nach dem Kochen beseitigt. In der zweiten verhindern geeignete Werkzeuge, Zutaten und Arbeitsschritte einen großen Teil dieser Abfälle von Anfang an. Grüne Chemie folgt der zweiten Vorgehensweise.

Die EPA verbindet grüne Chemie mit $Verringerung an der Quelle$ . Schadstoffe sollen gar nicht erst oder nur in kleinerer Menge entstehen, bevor sie recycelt, behandelt oder entsorgt werden müssen. Grüne Chemie verbessert die Prozessgestaltung, damit von Anfang an weniger Schadstoffe entstehen.

Bei einer chemischen Reaktion zählen das Produkt und der Weg dorthin.

Prozessteil	Frage zur grünen Chemie
Ausgangsmaterialien	Sind diese Materialien gefährlich, knapp oder durch sicherere Alternativen ersetzbar?
Lösungsmittel und Hilfsmittel	Wird das Lösungsmittel wirklich benötigt und gibt es eine sicherere Option?
Energie	Benötigt die Reaktion eine sehr hohe Temperatur oder einen sehr hohen Druck oder kann sie mit weniger Energie ablaufen?
Produkt	Kann das Produkt seine Funktion behalten und gleichzeitig eine geringere Toxizität aufweisen?
Lebensende	Kann sich das Produkt nach Gebrauch sicher abbauen oder zurückgewonnen werden?

Als $gefährlich$ gelten auch brennbare, explosive, ätzende, giftige, langlebige oder umweltschädliche Stoffe, selbst wenn sie nicht unmittelbar tödlich sind.

Reaktionen zur Verringerung von Gefahren gestalten

Chemische Reaktionen lassen sich so gestalten, dass sie ihre Funktion erfüllen und $zugleich Gefahren, Abfälle und Energiebedarf verringern$ .

Die Wasserelektrolyse zeigt, warum bei der Bewertung nach den Prinzipien der grünen Chemie auch die Stromquelle berücksichtigt werden muss. Dabei wird Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff gespalten.

\begin{aligned} &2\mathrm{H_2O(l)} \\ &\xrightarrow{\text{elektrische Energie}} 2\mathrm{H_2(g)} + \mathrm{O_2(g)} \end{aligned}

Bei dieser Reaktion entsteht nicht direkt Kohlendioxid. Ihre Lebenszyklusemissionen hängen von der Stromerzeugung ab. Elektrolyse kann mit Strom aus erneuerbaren Quellen oder Kernenergie sehr geringe Emissionen erreichen. Strom aus fossilen Kraftwerken führt zu höheren Lebenszyklusemissionen.

Vergleiche zwei Stromquellen für dieselbe Reaktion. Die direkten Produkte bleiben Wasserstoff und Sauerstoff, doch die Emissionsquellen außerhalb des Elektrolyseurs unterscheiden sich.

Bewertungsbereich	Strom aus Kohleverbrennung	Strom aus Solarmodulen
Am Elektrolyseur	Wasserstoff und Sauerstoff	Wasserstoff und Sauerstoff
Bei der Stromerzeugung	Verbrennung setzt Kohlendioxid frei	Keine Brennstoffverbrennung im Modulbetrieb
Im Lebenszyklus	Abbau, Materialien, Bau, Betrieb, Abfall	Materialien, Modulherstellung, Bau, Nutzungsende

Methanol aus Kohlendioxid

Methanol wird in der Industrie als Rohstoff und als Kraftstoff verwendet. Konventionelles Methanol stammt häufig aus fossilen Rohstoffen. Ein Verfahren in der Entwicklung stellt Methanol mithilfe eines Katalysators aus Kohlendioxid und Wasserstoff her.

\begin{aligned} &\mathrm{CO_2(g)} + 3\mathrm{H_2(g)} \\ &\xrightarrow{\text{Katalysator}} \mathrm{CH_3OH(l)} + \mathrm{H_2O(l)} \end{aligned}

$\mathrm{CO_2}$ ist vergleichsweise stabil. Deshalb benötigt die Methanolsynthese aus $\mathrm{CO_2}$ $Energiezufuhr$ und einen effizienten Katalysator.

Der Einsatz von $\mathrm{CO_2}$ allein belegt noch nicht, dass der Methanolprozess grüne Chemie ist. Auch die übrigen Stoff- und Energieeinsätze sowie Produkte und Abfälle müssen geprüft werden:

Woher stammt der $\mathrm{H_2}$ ?
Woher kommt die Reaktionsenergie?
Ist der Katalysator sicher und langlebig?
Wie werden Produktreste und Nebenprodukte behandelt?

Eine Prüfung nach den Grundsätzen der grünen Chemie erfasst Stoffe, Energie, Gefahren, Produkte und Abfälle vom Prozessbeginn bis zum Nutzungsende.

Grüne Behauptungen prüfen

Wenn ein Produkt oder Verfahren als „umweltfreundlicher“ beworben wird, prüfe Stoffe, $Energiequelle, Gefahren, Abfälle$ , Funktion und Nutzungsende, bevor du die Behauptung bewertest.

Häufige Behauptung	So lässt sie sich prüfen
Das Material ist natürlich	Natürlich bedeutet nicht automatisch sicher. Toxizität, Dosis und Abfall bleiben zu prüfen.
Der Abfall kann behandelt werden	Die Behandlung verringert Schäden nach der Entstehung des Abfalls. Vermeidung verringert die Abfallmenge, die behandelt werden muss.
Es nutzt erneuerbare Energie	Zu prüfen ist, ob der gesamte Prozess diese Energie nutzt oder nur ein kleiner Teil davon.
Das Endprodukt ist nützlich	Ein nützliches Produkt muss während der Herstellung, Verwendung und Entsorgung immer noch überprüft werden.

Zu den zwölf Prinzipien der grünen Chemie gehören Abfallvermeidung, Atomökonomie, sicherere Lösungsmittel, Katalyse, Energieeffizienz und Design für den Abbau.

Mit diesen Grundsätzen werden sowohl der Reaktionsweg als auch das Endprodukt geprüft.