La química verde , similar a la química sustentable o química circular , [1] es un área de la química y la ingeniería química enfocada en el diseño de productos y procesos que minimicen o eliminen el uso y la generación de sustancias peligrosas. [2] Mientras que la química ambiental se centra en los efectos de los productos químicos contaminantes en la naturaleza, la química verde se centra en el impacto ambiental de la química, incluida la reducción del consumo de recursos no renovables y los enfoques tecnológicos para prevenir la contaminación . [3] [4] [5] [6] [7] [8]
Los objetivos generales de la química verde (es decir, un diseño de moléculas, materiales, productos y procesos más eficiente en el uso de los recursos y, por ende, más seguro) pueden alcanzarse en una amplia gama de contextos.
Química verde (química sustentable) : Diseño de productos y procesos químicos que minimizan o eliminan el uso o la generación de sustancias peligrosas para los seres humanos, los animales, las plantas y el medio ambiente. Nota 1: Modificado de la referencia [9] para que sea más general.
Nota 2: La química verde aborda el concepto de ingeniería de prevención de la contaminación y de cero residuos tanto a escala de laboratorio como industrial. Fomenta el uso de técnicas económicas y ecocompatibles que no solo mejoran el rendimiento sino que también reducen el coste de eliminación de los residuos al final de un proceso químico. [10]
La química verde surgió de una variedad de ideas y esfuerzos de investigación existentes (como la economía atómica y la catálisis ) en el período previo a la década de 1990, en el contexto de una creciente atención a los problemas de contaminación química y agotamiento de los recursos . El desarrollo de la química verde en Europa y los Estados Unidos estuvo vinculado a un cambio en las estrategias de resolución de problemas ambientales: un movimiento desde la regulación de comando y control y la reducción obligatoria de las emisiones industriales al "final de la tubería", hacia la prevención activa de la contaminación mediante el diseño innovador de las propias tecnologías de producción. El conjunto de conceptos ahora reconocidos como química verde se fusionó a mediados y fines de la década de 1990, junto con una adopción más amplia del término (que prevaleció sobre términos competitivos como química "limpia" y "sostenible"). [11] [12]
En los Estados Unidos, la Agencia de Protección Ambiental desempeñó un papel importante en la promoción de la química verde a través de sus programas de prevención de la contaminación, financiación y coordinación profesional. Al mismo tiempo, en el Reino Unido, investigadores de la Universidad de York contribuyeron a la creación de la Red de Química Verde dentro de la Royal Society of Chemistry y al lanzamiento de la revista Green Chemistry . [12]
En 1998, Paul Anastas (que entonces dirigía el Programa de Química Verde en la EPA de Estados Unidos ) y John C. Warner (entonces de Polaroid Corporation ) publicaron un conjunto de principios para guiar la práctica de la química verde. [13] Los doce principios abordan una variedad de formas de reducir los impactos ambientales y de salud de la producción química, y también indican prioridades de investigación para el desarrollo de tecnologías de química verde.
Los principios abarcan conceptos como:
Los doce principios de la química verde son: [14]
Se están realizando intentos no solo para cuantificar la ecología de un proceso químico, sino también para tener en cuenta otras variables como el rendimiento químico , el precio de los componentes de la reacción, la seguridad en el manejo de los productos químicos, las demandas de hardware, el perfil energético y la facilidad de procesamiento y purificación del producto. En un estudio cuantitativo, [15] la reducción de nitrobenceno a anilina recibe 64 puntos de 100, lo que la marca como una síntesis aceptable en general, mientras que una síntesis de una amida utilizando HMDS solo se describe como adecuada con un total de 32 puntos.
La química verde se considera cada vez más como una herramienta poderosa que los investigadores deben utilizar para evaluar el impacto ambiental de la nanotecnología . [16] A medida que se desarrollan nanomateriales , se deben considerar los impactos ambientales y en la salud humana tanto de los productos en sí como de los procesos para fabricarlos para garantizar su viabilidad económica a largo plazo. Existe una tendencia de la tecnología de nanomateriales en la práctica, sin embargo, la gente ignora la nanotoxicidad potencial . Por lo tanto, las personas deben abordar una mayor consideración de las cuestiones legales, éticas, de seguridad y reglamentarias asociadas con los nanomateriales , [17]
La principal aplicación de los disolventes en las actividades humanas es en pinturas y revestimientos (46% del uso). Las aplicaciones de menor volumen incluyen limpieza, desengrasado, adhesivos y en síntesis química. [18] Los disolventes tradicionales a menudo son tóxicos o están clorados. Los disolventes verdes, por otro lado, son generalmente menos dañinos para la salud y el medio ambiente y preferiblemente más sostenibles. Idealmente, los disolventes se derivarían de recursos renovables y se biodegradarían hasta convertirse en inocuos, a menudo un producto de origen natural. [19] [20] Sin embargo, la fabricación de disolventes a partir de biomasa puede ser más dañina para el medio ambiente que la fabricación de los mismos disolventes a partir de combustibles fósiles. [21] Por lo tanto, el impacto ambiental de la fabricación de disolventes debe considerarse cuando se selecciona un disolvente para un producto o proceso. [22] Otro factor a considerar es el destino del disolvente después de su uso. Si el disolvente se utiliza en una situación cerrada donde la recolección y el reciclaje del disolvente son factibles, entonces se debe considerar el costo de energía y el daño ambiental asociado con el reciclaje; En una situación como ésta, el agua, cuya purificación requiere un gran consumo de energía, puede no ser la opción más ecológica. Por otra parte, es probable que un disolvente contenido en un producto de consumo se libere al medio ambiente al utilizarse y, por tanto, el impacto ambiental del propio disolvente es más importante que el coste energético y el impacto del reciclado del disolvente; en un caso como éste, es muy probable que el agua sea una opción ecológica. En resumen, debe tenerse en cuenta el impacto de toda la vida útil del disolvente, desde su origen hasta su destino (o desde su origen hasta su destino si se recicla). Por tanto, la definición más completa de disolvente ecológico es la siguiente: " un disolvente ecológico es el disolvente que hace que un producto o proceso tenga el menor impacto ambiental a lo largo de todo su ciclo de vida " . [23]
Por definición, un disolvente puede ser ecológico para una aplicación (porque produce menos daño ambiental que cualquier otro disolvente que se pueda utilizar para esa aplicación) y, sin embargo, no serlo para una aplicación diferente. Un ejemplo clásico es el agua , que es un disolvente muy ecológico para productos de consumo como los limpiadores de inodoros, pero no es un disolvente ecológico para la fabricación de politetrafluoroetileno . Para la producción de ese polímero, el uso de agua como disolvente requiere la adición de tensioactivos perfluorados que son muy persistentes. En cambio, el dióxido de carbono supercrítico parece ser el disolvente más ecológico para esa aplicación porque funciona bien sin ningún tensioactivo. [23] En resumen, ningún disolvente puede declararse "disolvente ecológico" a menos que la declaración se limite a una aplicación específica.
Las técnicas sintéticas nuevas o mejoradas a menudo pueden proporcionar un mejor desempeño ambiental o permitir una mejor adherencia a los principios de la química verde. Por ejemplo, el Premio Nobel de Química de 2005 fue otorgado a Yves Chauvin, Robert H. Grubbs y Richard R. Schrock, por el desarrollo del método de metátesis en síntesis orgánica, con referencia explícita a su contribución a la química verde y a la "producción más inteligente". [24] Una revisión de 2005 identificó tres desarrollos clave en química verde en el campo de la síntesis orgánica : el uso de dióxido de carbono supercrítico como solvente verde, peróxido de hidrógeno acuoso para oxidaciones limpias y el uso de hidrógeno en síntesis asimétrica . [25] Algunos ejemplos adicionales de química verde aplicada son la oxidación en agua supercrítica , las reacciones en agua y las reacciones en medios secos . [ cita requerida ]
La bioingeniería también se considera una técnica prometedora para alcanzar los objetivos de la química verde. Se pueden sintetizar varios productos químicos de proceso importantes en organismos modificados, como el shikimato , un precursor del Tamiflu que Roche fermenta en bacterias. La química de clic se cita a menudo [ cita requerida ] como un estilo de síntesis química que es coherente con los objetivos de la química verde. El concepto de "farmacia verde" se ha articulado recientemente basándose en principios similares. [26]
En 1996, Dow Chemical ganó el premio Greener Reaction Conditions 1996 por su agente de soplado 100% dióxido de carbono para la producción de espuma de poliestireno . La espuma de poliestireno es un material común utilizado en el embalaje y el transporte de alimentos. Se producen setecientos millones de libras cada año solo en los Estados Unidos. Tradicionalmente, se utilizaban CFC y otros productos químicos que agotan la capa de ozono en el proceso de producción de las láminas de espuma, lo que presenta un grave peligro ambiental . También se han utilizado hidrocarburos inflamables, explosivos y, en algunos casos, tóxicos como sustitutos de los CFC, pero presentan sus propios problemas. Dow Chemical descubrió que el dióxido de carbono supercrítico funciona igual de bien como agente de soplado, sin necesidad de sustancias peligrosas, lo que permite que el poliestireno se recicle más fácilmente. El CO2 utilizado en el proceso se reutiliza de otras industrias, por lo que el carbono neto liberado del proceso es cero.
El segundo principio que se aborda es el proceso de peróxido para producir hidracina sin cogenerar sal. La hidracina se produce tradicionalmente mediante el proceso Olin Raschig a partir de hipoclorito de sodio (el ingrediente activo de muchos blanqueadores ) y amoníaco . La reacción neta produce un equivalente de cloruro de sodio por cada equivalente del producto objetivo, la hidracina: [27]
En el proceso de peróxido más ecológico se utiliza peróxido de hidrógeno como oxidante y el producto secundario es agua. La conversión neta es la siguiente:
Este proceso, que aborda el principio n.° 4, no requiere disolventes auxiliares de extracción. Se utiliza metil etil cetona como portador de la hidrazina; la fase intermedia de cetazina se separa de la mezcla de reacción, lo que facilita el procesamiento sin necesidad de un disolvente de extracción.
El principio n.° 7 es una ruta ecológica para obtener 1,3-propanodiol , que tradicionalmente se genera a partir de precursores petroquímicos. Se puede producir a partir de precursores renovables mediante la bioseparación de 1,3-propanodiol utilizando una cepa de E. coli modificada genéticamente . [28] Este diol se utiliza para fabricar nuevos poliésteres para la fabricación de alfombras.
En 2002, Cargill Dow (ahora NatureWorks ) ganó el premio Greener Reaction Conditions Award por su método mejorado para la polimerización del ácido poliláctico . Desafortunadamente, los polímeros a base de lactida no funcionan bien y Dow interrumpió el proyecto poco después del premio. El ácido láctico se produce fermentando maíz y se convierte en lactida , el éster dímero cíclico del ácido láctico mediante una ciclización eficiente catalizada por estaño. El enantiómero L,L-lactida se aísla por destilación y se polimeriza en la masa fundida para hacer un polímero cristalizable , que tiene algunas aplicaciones que incluyen textiles y prendas de vestir, cubiertos y envases de alimentos . Wal-Mart ha anunciado que está utilizando/utilizará PLA para sus envases de productos agrícolas. El proceso PLA de NatureWorks sustituye materiales renovables por materias primas de petróleo, no requiere el uso de disolventes orgánicos peligrosos típicos de otros procesos de PLA y da como resultado un polímero de alta calidad que es reciclable y compostable.
En 2003, Shaw Industries seleccionó una combinación de resinas de poliolefina como el polímero base de elección para EcoWorx debido a la baja toxicidad de sus materias primas, propiedades de adhesión superiores, estabilidad dimensional y su capacidad para reciclarse. El compuesto EcoWorx también tuvo que diseñarse para que fuera compatible con la fibra de nailon para alfombras. Aunque EcoWorx se puede recuperar de cualquier tipo de fibra, el nailon-6 ofrece una ventaja significativa. Las poliolefinas son compatibles con los métodos conocidos de despolimerización del nailon-6. El PVC interfiere con esos procesos. La química del nailon-6 es bien conocida y no se aborda en la producción de primera generación. Desde su inicio, EcoWorx cumplió con todos los criterios de diseño necesarios para satisfacer las necesidades del mercado desde el punto de vista del rendimiento, la salud y el medio ambiente. La investigación indicó que la separación de la fibra y el soporte mediante elutriación , molienda y separación por aire demostró ser la mejor manera de recuperar los componentes de la cara y el soporte, pero era necesaria una infraestructura para devolver el EcoWorx posconsumo al proceso de elutriación. La investigación también indicó que las losetas de alfombra postconsumo tenían un valor económico positivo al final de su vida útil. EcoWorx está reconocido por MBDC como un diseño certificado de cuna a cuna .
En 2005, Archer Daniels Midland (ADM) y Novozymes ganaron el premio Greener Synthetic Pathways Award por su proceso de interesterificación enzimática . En respuesta a la exigencia de la Administración de Alimentos y Medicamentos de los Estados Unidos (FDA) de incluir en la información nutricional las grasas trans en el etiquetado antes del 1 de enero de 2006, Novozymes y ADM trabajaron juntos para desarrollar un proceso enzimático limpio para la interesterificación de aceites y grasas mediante el intercambio de ácidos grasos saturados e insaturados. El resultado son productos comercialmente viables sin grasas trans . Además de los beneficios para la salud humana que supone eliminar las grasas trans , el proceso ha reducido el uso de productos químicos tóxicos y agua, evita la producción de grandes cantidades de subproductos y reduce la cantidad de grasas y aceites desperdiciados.
En 2011, el premio Outstanding Green Chemistry Accomplishments by a Small Business Award fue otorgado a BioAmber Inc. por la producción integrada y las aplicaciones posteriores de ácido succínico de origen biológico . El ácido succínico es una sustancia química de base que es un material de partida importante en las formulaciones de productos de uso diario. Tradicionalmente, el ácido succínico se produce a partir de materias primas derivadas del petróleo. BioAmber ha desarrollado un proceso y una tecnología que produce ácido succínico a partir de la fermentación de materias primas renovables a un menor costo y menor gasto de energía que el equivalente del petróleo, mientras se secuestra CO2 en lugar de emitirlo. [29] Sin embargo, los precios más bajos del petróleo precipitaron a la empresa a la quiebra [30] y ahora apenas se produce ácido succínico de origen biológico. [31]
Varios productos químicos de laboratorio son controvertidos desde la perspectiva de la química verde. El Instituto Tecnológico de Massachusetts creó un Asistente de Alternativas "Verdes" [1] para ayudar a identificar alternativas. El bromuro de etidio , el xileno , el mercurio y el formaldehído han sido identificados como los "peores infractores" que tienen alternativas. [32] Los disolventes en particular hacen una gran contribución al impacto ambiental de la fabricación de productos químicos y existe un enfoque creciente en la introducción de disolventes más ecológicos en la etapa más temprana del desarrollo de estos procesos: métodos de reacción y purificación a escala de laboratorio. [33] En la industria farmacéutica, tanto GSK [34] como Pfizer [35] han publicado Guías de selección de disolventes para sus químicos de descubrimiento de fármacos.
En 2007, la UE puso en marcha el programa REACH (Registro, evaluación, autorización y restricción de sustancias y preparados químicos ), que obliga a las empresas a facilitar datos que demuestren que sus productos son seguros. Este reglamento (1907/2006) no sólo garantiza la evaluación de los peligros y riesgos de las sustancias y preparados químicos durante su uso, sino que también incluye medidas para prohibir o restringir/autorizar el uso de sustancias específicas. La ECHA, la Agencia Europea de Sustancias y Preparados Químicos con sede en Helsinki, está aplicando el reglamento, mientras que la ejecución del mismo recae en los estados miembros de la UE.
En 1970, Estados Unidos creó la Agencia de Protección Ambiental (EPA) para proteger la salud humana y ambiental mediante la creación y aplicación de normas ambientales. La química verde se basa en los objetivos de la EPA al alentar a los químicos e ingenieros a diseñar sustancias químicas, procesos y productos que eviten la creación de toxinas y desechos. [36]
La ley estadounidense que rige la mayoría de los productos químicos industriales (excluyendo pesticidas, alimentos y productos farmacéuticos) es la Ley de Control de Sustancias Tóxicas (TSCA, por sus siglas en inglés) de 1976. Al examinar el papel de los programas regulatorios en la configuración del desarrollo de la química verde en los Estados Unidos, los analistas han revelado fallas estructurales y debilidades de larga data en la TSCA; por ejemplo, un informe de 2006 a la Legislatura de California concluye que la TSCA ha producido un mercado interno de productos químicos que descuenta las propiedades peligrosas de los productos químicos en relación con su función, precio y desempeño. [37] Los académicos han argumentado que tales condiciones de mercado representan una barrera clave para el éxito científico, técnico y comercial de la química verde en los EE. UU., y se necesitan cambios fundamentales en las políticas para corregir estas debilidades. [38]
Aprobada en 1990, la Ley de Prevención de la Contaminación ayudó a promover nuevos enfoques para abordar la contaminación al prevenir los problemas ambientales antes de que ocurrieran.
La química verde se hizo popular en los Estados Unidos después de que se aprobara la Ley de Prevención de la Contaminación de 1990. Esta ley declaró que la contaminación se debía reducir mediante la mejora de los diseños y productos en lugar del tratamiento y la eliminación. Estas regulaciones alentaron a los químicos a reimaginar la contaminación e investigar formas de limitar las toxinas en la atmósfera. En 1991, la Oficina de Prevención de la Contaminación y Tóxicos de la EPA creó un programa de subvenciones de investigación que fomentaba la investigación y la recreación de productos y procesos químicos para limitar el impacto en el medio ambiente y la salud humana. [39] La EPA organiza el Desafío de la Química Verde cada año para incentivar los beneficios económicos y ambientales del desarrollo y la utilización de la química verde. [40]
En 2008, el estado de California aprobó dos leyes destinadas a fomentar la química ecológica, lanzando la Iniciativa de Química Ecológica de California . Uno de estos estatutos requería que el Departamento de Control de Sustancias Tóxicas (DTSC) de California desarrollara nuevas regulaciones para priorizar las "sustancias químicas preocupantes" y promover la sustitución de sustancias químicas peligrosas por alternativas más seguras. Las regulaciones resultantes entraron en vigor en 2013, iniciando el Programa de Productos de Consumo Más Seguros del DTSC . [41]
Existen ambigüedades en la definición de química verde y en cómo se entiende en las comunidades científicas, políticas y empresariales más amplias. Incluso dentro de la química, los investigadores han utilizado el término "química verde" para describir una variedad de trabajos independientemente del marco propuesto por Anastas y Warner (es decir, los 12 principios). [12] Si bien no todos los usos del término son legítimos (véase greenwashing ), muchos lo son, y el estatus de autoridad de cualquier definición individual es incierto. En términos más generales, la idea de química verde puede vincularse (o confundirse) fácilmente con conceptos relacionados como ingeniería verde , diseño ambiental o sostenibilidad en general. La complejidad y la naturaleza multifacética de la química verde dificultan el diseño de métricas claras y simples . Como resultado, "qué es verde" a menudo está abierto al debate. [42]
Varias sociedades científicas han creado premios para fomentar la investigación en química verde.
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