Prinzipien der Grünen Chemie

Prinzipien zur Bewertung der Prozessgestaltung

Die Prinzipien der grünen Chemie dienen als Leitlinien für die Gestaltung von Materialien, Reaktionen und Produkten. Mit ihnen lässt sich prüfen, ob ein Verfahren Abfall vermeidet, gefährliche Stoffe reduziert und Energie sowie Rohstoffe von Anfang an effizienter nutzt.

Grüne Chemie betrachtet den gesamten Lebenszyklus eines chemischen Produkts, vom Entwurf bis zu seinem Lebensende. Im Mittelpunkt steht, Verschmutzung bereits an ihrer Quelle zu vermeiden.

Die Bezeichnung „umweltfreundlich“ benennt noch keine Änderung der Gestaltung. Prüfe bei Biokunststoff aus Fruchtschalen, zu Pflanzgefäßen umgenutzten Plastikflaschen oder einer neuen Reinigungsflüssigkeit, welcher Gefahrstoff, Energiebedarf oder Abfall tatsächlich abnimmt.

Die zwölf Prinzipien der grünen Chemie

Die zwölf Prinzipien bilden einen Rahmen für die Gestaltung umweltverträglicherer Chemikalien, Prozesse und Produkte.

Zusammen prüfen diese Grundsätze Abfall, Energie, Lösungsmittel, Katalysatoren, Toxizität, Prozessüberwachung und Arbeitssicherheit. Jede Beurteilung muss sich auf nachprüfbare Angaben zum untersuchten Prozess stützen.

Atomökonomie und Abfall

Die Atomökonomie gibt an, welcher Prozentsatz der gesamten stöchiometrischen Masse der Reaktanten in das gewünschte Produkt gelangt.

$m_P$ bezeichnet die Summe der stöchiometrischen Formelmassen der gewünschten Produkte, $m_R$ die entsprechende Summe aller Reaktanten.

Die prozentuale Atomökonomie ist die Formelmasse des gewünschten Produkts oder der gewünschten Produkte geteilt durch die Summe der Formelmassen aller Reaktanten in der ausgeglichenen Gleichung. Diese theoretische Kennzahl unterscheidet sich von der experimentellen prozentualen Ausbeute und erfasst Lösungsmittel, Reaktantenüberschüsse oder Prozessabfälle nicht unmittelbar. Bei hoher Atomökonomie gelangen mehr Reaktantenatome in das gewünschte Produkt. Bei niedriger Atomökonomie gelangen mehr Atome in Nebenprodukte.

Betrachte die Methanolsynthese mit Methanol als gewünschtem Produkt. Verwende die gerundeten relativen Atommassen $A_r(\mathrm{C})=12$, $A_r(\mathrm{H})=1$ und $A_r(\mathrm{O})=16$.

Die übrige Formelmasse $50-32=18$ steckt im Nebenprodukt Wasser. Die $64\%$ folgen aus der Gleichung, nicht aus einer Messung der Reaktionsausbeute.

Die Atomökonomie zeigt, wie sich die Atome der Reaktanten auf die Produkte verteilen. Eine vollständige Bewertung berücksichtigt außerdem die Gefahren der Lösungsmittel, den Energiebedarf zum Erreichen von Betriebstemperatur und Druck sowie den Verbleib des Produkts nach der Nutzung.

Risiko durch Stoffgefahren und Exposition

Auch natürliche Materialien können gefährlich sein. Capsaicin kann Haut und Augen reizen. Ethanol ist leicht entzündlich. Die Eigenschaften eines Stoffes bestimmen seine intrinsischen Gefahren, etwa Entzündlichkeit oder Reizwirkung. Dosis, Konzentration und Expositionsweg beeinflussen die Höhe des Risikos. Intrinsische Gefahren, Dosis, Konzentration und Expositionsweg müssen bei natürlichen und synthetischen Materialien geprüft werden. Ein synthetischer Stoff kann für geringe Toxizität, geeignete Stabilität und einen sichereren Abbau nach dem Gebrauch gestaltet werden.

Biokunststoff aus Fruchtschalen nutzt organische Abfälle als Rohstoff. Das entspricht den Grundsätzen für erneuerbare Rohstoffe und Abfallvermeidung, reicht aber noch nicht für die Bewertung des gesamten Prozesses. Zusätzlich müssen Verarbeitungsenergie, Zusatzstoffe, Produkthaltbarkeit und der Materialabbau nach dem Gebrauch geprüft werden.

Eine Plastikflasche als Blumentopf weiterzuverwenden, verringert Abfall und hält das Material länger in Gebrauch. Grüne Chemie setzt an einem anderen Schritt an und gestaltet eine chemische Reaktion oder ein Produkt so, dass Gefahren von Anfang an sinken.

Reaktionen und Rohstoffe bewerten

Einige chemische Prozesse benötigen weniger Energie, wenn eine Reaktion bei Raumtemperatur oder Normaldruck ablaufen kann. Ein Katalysator kann einen Reaktionsweg mit geringerer Aktivierungsenergie bereitstellen, sodass ein bestimmter Prozess unter milderen Bedingungen ablaufen kann. Ein selektiver Katalysator kann außerdem die Bildung von Nebenprodukten verringern. Seine Wirkung hängt vom Reaktionsmechanismus, von der Selektivität, von der Lebensdauer des Katalysators und vom Trennaufwand ab.

Ein Katalysator erhöht die Reaktionsgeschwindigkeit, ohne die gesamte Änderung der Standard-Gibbs-Energie der Reaktion zu verändern. Er nimmt an der Reaktion teil und wird insgesamt regeneriert. In einem realen Prozess kann er dennoch deaktiviert werden oder verloren gehen. Die Änderung von Energiebedarf und Abfallmenge hängt von Betriebstemperatur und Druck, Selektivität, Toxizität, Seltenheit, Rückgewinnung und Nutzungsdauer ab.

Auch erneuerbare Rohstoffe müssen sorgfältig bewertet werden. Fruchtschalen, Stärke und Pflanzenöle können nachwachsen oder erneut anfallen. Anbau, Transport, Gewinnung und Verarbeitung benötigen weiterhin Land, Wasser und Energie. Beziehe alle diese Schritte in die Bewertung ein.

Grüne Behauptungen prüfen

Es gibt zwei Möglichkeiten, einen einfachen Klebstoff für Papieretiketten herzustellen.

Vergleiche nun die Optionen A und B anhand von Betriebstemperatur, Lösungsmittel und Materialresten.

Option B ersetzt ein brennbares Lösungsmittel durch Wasser und hinterlässt weniger Material. Miss den gesamten Energiebedarf, bevor du eine Einsparung behauptest, denn eine niedrigere Temperatur allein beweist sie nicht. Prüfe außerdem die Haltbarkeit des Klebers, die Herkunft der Rohstoffe und den Verbleib nach der Entsorgung des Etiketts.

Nutze die $12$ Prinzipien der grünen Chemie als Fragen an den Prozess: Welche Materialien gelangen hinein? Woher stammt die Energie? Welche Gefahren werden vermieden? Welcher Abfall lässt sich vermeiden?