Woudschoten Groene chemie 04-11-2011-AK-SH...Challenge the future 2 Twaalf principes voor Groene...

1Challenge the future

Groene ChemieNieuw subdomein in havo en vwo examenprogramma

Woudschoten, 4 november 2011

Aonne KerkstraSander Haemers


Twaalf principes voor Groene chemie1. Preventie

Vorming van afval moet zoveel mogelijk worden voorkomen.

2. Atoomeconomie

Er moeten productiemethoden ontwikkeld worden, waarbij zo veel

mogelijk van de beginstoffen in het eindproduct verwerkt zijn.


Principe 2: Atoomeconomie

= gewenste productAtoomeconomie x1 00%

alle producten

is de massa

mm

m

C O

H

H

H H+ C C

O

O

H

H

H H

C C

O

O C

H

H

H

H

H

H+ O

HHH+

32,04 74,08 18,0260,06

Voorbeeld

De atoomeconomie voor het product methylethanoaat is dus:

Ook wel wordt gezegd: de atoom efficiency is 80,43%.

74,08Atoomeconomie x100% 80,43%

74,08 18,02= =

+


Voorbeeld: 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.

• Geef de reactievergelijking van dit fermentatieproces.

• 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.

2 4 3 5C H O + HCN C H ON→

( )3 5 2 4 2 3 6 3 4 422 C H ON + H SO + 4 H O 2 C H O + NH SO→


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 opbrengst is 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.

praktische opbrengstRendement x1 00%

theoretische opbrengst=


Voorbeeld: Oxidatie van Alcohol

naar Keton

A.E. = 87%

Rendement voor keton is 90%

Pd-kat


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.

−= = alle producten gewenste product afvalE-factor

gewenste product gewenste productm m m

m m


ENERGIE

AFVAL

GRONDSTOFFEN

GEWENST PRODUCT

E-factor

Groene kwantificering van grootschalige chemische processen:

Industrie Productie (ton) E-factor (kg afval/ kg product)

Olie industrie 106-108 < 0,1

Bulkchemie 102-106 < 1-5

Fijnchemie 102-104 5 .. 50

Farmaceutische industrie 10-103 25 .. >100

Bron: R.A Sheldon, Chem & Ind., December 1997 p. 904


Principe 3:

Minder gevaarlijke productiemethoden

CO + Cl2 C(O)Cl2

RNH2 +C(O)Cl2 RN C O + 2 HCl

Productie van isocyanaat met fosgeen

2 CH3OH + CO + 0.5 O2 (CH3O)2CO + H2O

(CH3O)2CO + RNH2 RNHC(O)OCH3 + CH3OH

RNHC(O)OCH3 RN C O + CH3OH

Alternatief proces met dimethylcarbonaat voor de productie vanisocyanaten

Vb. vervanging van fosgeen door dimethylcarbonaat


Principe 4:

Ontwikkelen van veiliger producten

• Productontwerp, toxiciteit minimaal

• Cradle to Cradle-benaderingen


Principe 5:

Veiliger oplosmiddelen

• Geen oplosmiddelen!Bv. Puur uitgangsproduct, of mechanisch mengen

• Cascade reactiesDezelfde en geen extra oplosmiddelen

• Water als oplosmiddelNiet 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


Principe 6:

Energie-efficient ontwerpen

• Principe zegt letterlijk: Processen bij kamertemp. i.p.v. bij hoge Temp en Drukken.

• Voorbeelden hiervoor zijn gebruik van enzymen.Zie bv. Enzymatische productie acrylamide.

• Echter algemeen statement hierbij is gevaarlijk. • Exotherme processen, kunnen heel efficient bij hogere temp.

plaatsvinden. Voor een complete energie-evaluatie is een volledig procesontwerp nodig.

• Consulteer een chemical engineer


Voorbeeld:

Enzymatische productie acrylamide

CN + H2ONHase NH2

O

conv. > 99.99%

sel. > 99.99%

• Milde condities (5 oC); geen polymerisatie inhibitor nodig

• 100.000 tons per jaar

• Simpeler dan chemisch proces (Cu cat 140 oC)

• Hoge productiviteit (>400 g·L-1 ·h-1)

• Hoge productkwaliteit


Principe 7:

Hernieuwbare grondstoffen

• Biodiesel en bio-ethanol

• Glucose naar melkzuur

• Lignocellulose naarallerhande platform-moleculen

• Biobased polymeren

• Biobased economy


Voorbeelden Biomassagebruik

Chemische Feitelijkheden 48, nr 221, december 2005


Principes 8 en 9:

Reacties in weinig stappen

Katalyse

pen acylase H2O

1. Me 3SiCl2. PCl 5 / PhNMe 2/ CH 2Cl2

oo37 C-40 C

6-APA

penicillin G

H2N

NO

S

CO2H

Cl

N

NO

S

CO2SiMe3

H

O

N

NO

S

CO2H

Enzymatische synthese van 6-APA als grondstof voor antibiotica• 1 stap i.p.v. 3• Enzym als katalysator – milde en niet-toxische chemie


Principe 10:

Ontwerpen met het oog op afbraak• Polymelkzuur (PLA)• Afbreekbare luiers.

O

OH

OH

HOHO

HO

HOHO

OH

OOH

HOHO

n

O

O

O

O

OH

OH

HOHO

HO

HOHO

OH

O

HOHO n

O

O

O

COOH

Oxidatie van zetmeel met enzymen


Principes 11 en 12:

• Proces ontwerp: Veiligheidsanalyse.

• Voorbeeld bij oxidaties: Gebruik 8% zuurstof in stikstof. Hiermee bevindt een reactie zich in explosievrije gebied.

Proces analyses met het oog op

preventie milieuverontreiniging

Ontwikkel veilige chemie


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.

Bron: P.C/ Anastas and J.C. Warner, Green Chemistry: Theory and Practice, Oxford University Press, New York, 1998.


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


• H1 inleiding en contextvragen• H2 Hoe groen is een productieproces?• H3 Energiebalansen*

• H4 Evenwichtsreacties*

• H5 Proceschemie• H6 Eindopdracht*

Module Groene chemie

� Industriële context� Chemie van de 21e eeuw� Leerling in de rol van mogelijk beroep (adviesbureau)� Need to know principe toegepast� Eindopdracht is groepswerk


Hoofdstuk 3 Energiebalansen

• warmtecapaciteit• energie balans fase overgangen• vormingswarmte• reactie energie• activeringsenergie• hergebruik energie

Figuur 3: blokschema verwarmen van lood


Hoofdstuk 3 Energiebalansen

• Vormingswarmte: Binas tabellen 57A en 57B• Reactie-energie

• Activeringsenergie

( ) ( )reactie vorming vormingreactieproducten beginstoffenE E E∆ = ∆ − ∆∑ ∑

Figuur 14: energiediagram van een exotherme reactie met en zonder katalysator


Hoofdstuk 4 Evenwichtsreacties

Aanhaken bij hoofdstuk energiebalansenOmkeerbare reacties en evenwichtsreactiesvanuit een energie concept.

•omkeerbare reacties•evenwichtsreacties•evenwichtsvoorwaarde, constante en concentratiebreuk*

•beïnvloeden evenwicht*

∆reactie G ɵ = -RT lnK

* simulatie



omkeerbare reactie evenwichtsreactie


zonder met energie-effecten van menging

Energie diagrammen voor een N2O4/ NO2-mengsel


Mengsel



• K wordt bepaald door ∆E , dus karakteristiek voor reactie• effect temperatuur: ∆E wordt beïnvloed dus ook K

• K onafhankelijk aanwezigheid katalysator



• 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)

3 2 5PCl (g) + Cl (g) PCl (g)→←


Hoofdstuk 4 EvenwichtsreactiesSimulaties in Excel


Hoofdstuk 4 EvenwichtsreactiesKlassiek afronden

Verdelingsevenwichten worden niet behandeld (need to know)


Concepten• scheidingsmethoden• blokschema• reactoren batch/continu• massabalans

Hoofdstuk 5 Proceschemie

Figuur 11: blokschema ammoniakproductie


• 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.

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.

Hoofdstuk 6 Eindopdracht


…Groepjes van 2: -Hoofdstuk 4 Evenwichtsreacties bestuderen.

met name opdracht 1 blz. 43 en opdrachten 2 en 3 blz. 48-Hoofdstuk 6:… Groepjes van 4: Titaandioxide productie

PRODUCTIEPROCES I: Het sulfaatproces blz. 76PRODUCTIEPROCES II: Het chlorideproces blz. 77

Samen de contextvragen beantwoorden

Presentatie – Discussie – Evaluatie

Module en Excelfile op: http://ocw.tudelft.nl/

Meer informatie: [email protected]

Opdracht in workshop

Woudschoten Groene chemie 04-11-2011-AK-SH...Challenge the future 2 Twaalf principes voor Groene...

Documents

Transcript of Woudschoten Groene chemie 04-11-2011-AK-SH...Challenge the future 2 Twaalf principes voor Groene...