เคมีสีเขียว

เคมีสีเขียว (อังกฤษ: green chemistry) หรือ เคมีอย่างยั่งยืน (sustainable chemistry) เป็นเคมีและวิศวกรรมเคมีแขนงหนึ่งที่มุ่งเน้นการออกแบบผลิตภัณฑ์และกระบวนการที่ลดการใช้หรือการสร้างสารที่เป็นอันตราย ขณะที่เคมีสิ่งแวดล้อมศึกษาผลกระทบของสารมลพิษในธรรมชาติ เคมีสีเขียวนั้นสนใจผลกระทบทางสิ่งแวดล้อมของเคมี เช่น การลดการบริโภคทรัพยากรสิ้นเปลือง และการใช้เทคโนโลยีในการป้องกันมลภาวะ

คำจำกัดความของ IUPAC

เคมีสีเขียว (เคมีอย่างยั่งยืน): การออกแบบเคมีภัณฑ์และกระบวนการที่ลดการใช้หรือการสร้างสารที่เป็นอันตรายต่อมนุษย์ สัตว์ พืช และสิ่งแวดล้อม

หมายเหตุ 1: ดัดแปลงจากอ้างอิง ให้มีความหมายกว้างขึ้น

หมายเหตุ 2: เคมีสีเขียวคำนึงถึงแนวคิดทางวิศวกรรมของการป้องกันมลภาวะและขยะเป็นศูนย์ (zero waste) ทั้งในห้องปฏิบัติการและระดับอุตสาหกรรม เคมีสีเขียวสนับสนุนการใช้วิธีที่คุ้มค่าและเป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อม ไม่เพียงเพื่อปรับปรุงผลผลิตแต่เพื่อลดค่าใช้จ่ายในการกำจัดของเสียเมื่อสิ้นสุดกระบวนการทางเคมี

ประวัติ

เคมีสีเขียวเกิดจากแนวคิดและการวิจัยที่หลากหลายช่วงคริสต์ทศวรรษ 1990 ซึ่งสนใจปัญหามลภาวะและการลดลงของทรัพยากรมากขึ้น การพัฒนาเคมีสีเขียวในยุโรปและสหรัฐเกี่ยวข้องกับการปรับเปลี่ยนวิธีแก้ปัญหาสิ่งแวดล้อมจากการสั่งการและควบคุมการปล่อยสารมลพิษสู่การป้องกันมลภาวะผ่านการออกแบบเทคโนโลยีเชิงนวัตกรรม แนวคิดเหล่านี้พร้อมทั้งการรับเอาคำ "เคมีสีเขียว" มาใช้เกิดขึ้นช่วงกลางถึงปลายคริสต์ทศวรรษ 1990

สำนักงานปกป้องสิ่งแวดล้อมสหรัฐมีส่วนสำคัญในการส่งเสริมเคมีสีเขียวช่วงต้นผ่านการคิดค้นโครงการป้องกันมลภาวะ การให้ทุน และการประสานงานระดับวิชาชีพ ในช่วงเวลาเดียวกันนักวิจัยของมหาวิทยาลัยยอร์กในสหราชอาณาจักรมีส่วนในการจัดตั้งเครือข่ายเคมีสีเขียวในราชสมาคมเคมี และเผยแพร่วารสารวิชาการ Green Chemistry

หลักการ

ค.ศ. 1998 พอล อนาสทัส ผู้อำนวยการโครงการเคมีสีเขียวของสำนักงานปกป้องสิ่งแวดล้อมสหรัฐ และจอห์น วอร์เนอร์ นักวิจัยของบริษัทโพลารอยด์ เผยแพร่ชุดหลักการเคมีสีเขียว 12 ข้อ หลักการชุดนี้เสนอแนวทางการลดผลกระทบทางสิ่งแวดล้อมและสุขภาพของการผลิตสารเคมี รวมถึงชี้ลำดับความสำคัญในการพัฒนาเทคโนโลยีเคมีสีเขียว

หลักการของอนาสทัสและวอร์เนอร์ครอบคลุมแนวคิด:

• การออกแบบกระบวนการผลิตที่ใช้ประโยชน์จากวัตถุดิบให้มากที่สุด
• การใช้ทรัพยากรทดแทนและพลังงานทดแทน
• การใช้สาร (รวมถึงตัวทำละลาย) ที่ปลอดภัยและเป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อม
• การออกแบบกระบวนการการใช้พลังงานอย่างมีประสิทธิภาพ
• การหลีกเลี่ยงการสร้างของเสีย ซึ่งถือเป็นรูปแบบอุดมคติของการจัดการของเสีย

หลักการ 12 ข้อประกอบด้วย:

1. ป้องกัน: ป้องกันการเกิดของเสียดีกว่าการบำบัดหรือกำจัดหลังมีของเสียเกิดขึ้น
2. เศรษฐศาสตร์อะตอม: ทุกสารในกระบวนการสังเคราะห์ควรมีส่วนร่วมมากที่สุดก่อนนำไปสู่ผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้าย เพื่อลดของเสียที่จะเกิดขึ้น
3. การสังเคราะห์เคมีแบบเป็นอันตรายน้อย: การสังเคราะห์ควรหลีกเลี่ยงการใช้หรือการสร้างสารพิษต่อมนุษย์ และ/หรือสิ่งแวดล้อม
4. การออกแบบผลิตภัณฑ์ที่ปลอดภัย: เคมีภัณฑ์ควรถูกออกแบบให้มีประสิทธิภาพการทำงานตามต้องการ ขณะที่ความเป็นพิษลดลง
5. ตัวทำละลายและสารช่วยที่ปลอดภัยกว่า: หลีกเลี่ยงการใช้สารช่วย หากหลีกเลี่ยงไม่ได้ควรใช้สารที่ไม่เป็นพิษ
6. การใช้พลังงานอย่างมีประสิทธิภาพ: ควรลดการใช้พลังงาน และกระบวนการควรดำเนินที่สภาวะอุณหภูมิและความดันปกติ
7. การใช้วัตถุดิบทดแทน: ควรใช้วัตถุดิบทดแทนแทนวัตถุดิบสิ้นเปลือง
8. ลดการใช้สารอนุพันธ์: หลีกเลี่ยงการสร้างสารอนุพันธ์ที่ไม่จำเป็น เนื่องจากสารอนุพันธ์จะก่อให้เกิดของเสียเพิ่มเติม
9. การเร่งปฏิกิริยา: ควรใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาชนิดที่มีความเลือกจำเพาะต่อการเกิดผลิตภัณฑ์ที่ต้องการสูง แทนการใช้สารที่เกิดปฏิกิริยาตามหลักมวลสารสัมพันธ์
10. การออกแบบผลิตภัณฑ์ที่ย่อยสลายได้: ควรออกแบบเคมีภัณฑ์ไม่ให้ตกค้างในสิ่งแวดล้อมหลังสิ้นอายุการใช้งาน และสลายตัวเป็นสารที่ไม่เป็นพิษ
11. การวิเคราะห์เพื่อเฝ้าระวังมลภาวะตามเวลาจริง: ควรพัฒนาวิธีวิเคราะห์ระหว่างการผลิตเพื่อติดตาม เฝ้าระวัง และควบคุมก่อนเกิดการสร้างสารพิษ
12. เลือกใช้สารที่ปลอดภัยเพื่อป้องกันอุบัติเหตุ: ควรเลือกสารและสถานะของสารที่ใช้ในกระบวนการให้เหมาะสม เพื่อป้องกันอุบัติเหตุ เช่น การระเบิด อัคคีภัย และการรั่วไหล

ตัวอย่าง

ตัวทำละลายเขียว

ตัวทำละลายถูกใช้ในงานสีและการเคลือบเป็นหลัก นอกจากนี้ยังใช้ในการทำความสะอาด การล้างคราบไขมัน กาว และการสังเคราะห์เคมี ขณะที่ตัวทำละลายดั้งเดิมมักเป็นพิษหรือมีการเติมคลอรีน ตัวทำละลายเขียวนั้นเป็นอันตรายต่อสุขภาพและสิ่งแวดล้อมน้อยกว่า นอกจากนี้ยังผลิตจากทรัพยากรทดแทน และย่อยสลายเป็นผลิตภัณฑ์ที่พบในธรรมชาติ อย่างไรก็ตามการผลิตตัวทำละลายจากชีวมวลส่งผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมมากกว่าการผลิตตัวทำละลายเดียวกันจากเชื้อเพลิงซากดึกดำบรรพ์ ดังนั้นจึงต้องมีการพิจารณาถึงผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมของการผลิตตัวทำละลายเมื่อเลือกใช้ตัวทำละลายในกระบวนการ อีกหนึ่งปัจจัยที่ต้องพิจารณาคือหลังการใช้ตัวทำละลาย หากใช้ในพื้นที่ปิดที่การเก็บรักษาและแปรใช้ใหม่เป็นไปได้ อาจต้องคำนึงถึงด้านการใช้พลังงานและผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมในการแปรใช้ใหม่ แต่ในทางกลับกันหากตัวทำละลายบรรจุในสินค้าบริโภค จะมีโอกาสออกสู่สิ่งแวดล้อมหลังใช้งานได้ง่ายกว่า จึงต้องพิจารณาถึงผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมของตัวทำละลายมากกว่าการใช้พลังงานและการแปรใช้ใหม่

เทคนิคสังเคราะห์

เทคนิคสังเคราะห์แบบใหม่มีส่วนช่วยสิ่งแวดล้อม ในค.ศ. 2005 รางวัลโนเบลสาขาเคมีมอบรางวัลให้แก่อีฟว์ โฌแว็ง, รอเบิร์ต เอช. กรับส์ และริชาร์ด อาร์. ชร็อค สำหรับการพัฒนาวิธีเมตาทีซิสในการสังเคราะห์อินทรีย์ ทำให้เกิดผลิตผลพลอยได้ไม่พึงประสงค์และของเสียที่เป็นพิษน้อยลง สอดคล้องกับหลักการเคมีสีเขียว บทวิจารณ์ในค.ศ. 2005 ระบุการพัฒนาสำคัญ 3 อย่างในเคมีสีเขียวต่อการสังเคราะห์อินทรีย์ ได้แก่ การใช้คาร์บอนไดออกไซด์วิกฤตยิ่งยวดเป็นตัวทำละลายเขียว, การใช้ไฮโดรเจนเพอร์ออกไซด์ในรูปสารละลายในน้ำเพื่อการออกซิเดชันที่สะอาด และการใช้ไฮโดรเจนในการสังเคราะห์แบบอสมมาตร

คาร์บอนไดออกไซด์เป็นสารฟูพอง

ในค.ศ. 1996 บริษัทดาวเคมีคอลชนะรางวัลกรีนเนอร์รีแอคชันคอนดิชันส์จากผลงานการผลิตโฟมพอลิสไตรีนโดยใช้คาร์บอนไดออกไซด์เป็นสารฟูพอง (blowing agent) โฟมพอลิสไตรีนเป็นวัสดุทั่วไปที่ใช้เป็นบรรจุภัณฑ์ เดิมผลิตจากคลอโรฟลูออโรคาร์บอนและสารที่ทำลายชั้นโอโซนอื่น ๆ ต่อมามีการใช้สารไฮโดรคาร์บอน แต่ยังมีปัญหาด้านสารพิษและอัคคีภัย ภายหลังดาวเคมีคอลค้นพบว่าคาร์บอนไดออกไซด์วิกฤตยิ่งยวดทำงานเป็นสารฟูพองได้ดีโดยไม่จำเป็นต้องใช้สารอันตรายร่วม ทำให้การแปรพอลิสไตรีนมาใช้ใหม่ง่ายขึ้น นอกจากนี้คาร์บอนไดออกไซด์ที่ใช้ในกระบวนการสามารถนำไปใช้ในอุตสาหกรรมอื่นได้ จึงไม่มีการปล่อยคาร์บอนออกสู่สิ่งแวดล้อม

อ้างอิง

1. "Green Chemistry". United States Environmental Protection Agency. 2006-06-28. สืบค้นเมื่อ 2011-03-23.
2. Sheldon, R. A.; Arends, I. W. C. E.; Hanefeld, U. (2007). Green Chemistry and Catalysis. doi:10.1002/9783527611003. ISBN 9783527611003. S2CID 92947071.
3. Clark, J. H.; Luque, R.; Matharu, A. S. (2012). "Green Chemistry, Biofuels, and Biorefinery". Annual Review of Chemical and Biomolecular Engineering. 3: 183–207. doi:10.1146/annurev-chembioeng-062011-081014. PMID 22468603.
4. Cernansky, R. (2015). "Chemistry: Green refill". Nature. 519 (7543): 379–380. doi:10.1038/nj7543-379a. PMID 25793239.
5. Sanderson, K. (2011). "Chemistry: It's not easy being green". Nature. 469 (7328): 18–20. Bibcode:2011Natur.469...18S. doi:10.1038/469018a. PMID 21209638.
6. Poliakoff, M.; Licence, P. (2007). "Sustainable technology: Green chemistry". Nature. 450 (7171): 810–812. Bibcode:2007Natur.450..810P. doi:10.1038/450810a. PMID 18064000. S2CID 12340643.
7. Clark, J. H. (1999). "Green chemistry: Challenges and opportunities". Green Chemistry. 1: 1–8. doi:10.1039/A807961G.
8. Marteel, Anne E.; Davies, Julian A.; Olson, Walter W.; Abraham, Martin A. (2003). "GREEN CHEMISTRY AND ENGINEERING: Drivers, Metrics, and Reduction to Practice". Annual Review of Environment and Resources. 28: 401–428. doi:10.1146/annurev.energy.28.011503.163459.
9. Vert, Michel; Doi, Yoshiharu; Hellwich, Karl-Heinz; Hess, Michael; Hodge, Philip; Kubisa, Przemyslaw; Rinaudo, Marguerite; Schué, François (2012). "Terminology for biorelated polymers and applications (IUPAC Recommendations 2012)" (PDF). Pure and Applied Chemistry. 84 (2): 377–410. doi:10.1351/PAC-REC-10-12-04. S2CID 98107080.
10. Woodhouse, E. J.; Breyman, S. (2005). "Green chemistry as social movement?". Science, Technology, & Human Values. 30 (2): 199–222. doi:10.1177/0162243904271726. S2CID 146774456.
11. Linthorst, J. A. (2009). "An overview: Origins and development of green chemistry". Foundations of Chemistry. 12: 55–68. doi:10.1007/s10698-009-9079-4.
12. Anastas, Paul T.; Warner, John C. (1998). Green chemistry: theory and practice. Oxford [England]; New York: Oxford University Press. ISBN 9780198502340.
13. "12 Principles of Green Chemistry - American Chemical Society". American Chemical Society (ภาษาอังกฤษ). สืบค้นเมื่อ 2018-02-16.
14. Torok, Bela (2017). Green Chemistry: An Inclusive Approach. Amsterdam: Elsevier. p. Ch 3.15.
15. Prat, D.; Pardigon, O.; Flemming, H.-W.; Letestu, S.; Ducandas, V.; Isnard, P.; Guntrum, E.; Senac, T.; Ruisseau, S.; Cruciani, P.; Hosek, P. (2013). "Sanofi's Solvent Selection Guide: A Step Toward More Sustainable Processes". Org. Process Res. Dev. 17 (12): 1517–1525. doi:10.1021/op4002565.
16. Sherman, J.; Chin, B.; Huibers, P. D. T.; Garcia-Valls, R.; Hatton, T. A. (1998). "Solvent Replacement for Green Processing". Environ. Health Perspect. 106 (Suppl 1): 253–271. doi:10.2307/3433925. JSTOR 3433925. PMC 1533296. PMID 9539018.
17. Isoni, V. (2016). "Q-SAOESS: A methodology to help solvent selection for pharmaceutical manufacture at the early process development stage". Green Chem. 18: 6564. doi:10.1039/C6GC02440H.
18. Clarke, Coby J.; Tu, Wei-Chien; Levers, Oliver; Brohl, Andreas; Hallett, Jason P. (2018). "Green and Sustainable Solvents in Chemical Processes". Chemical Reviews. 118 (2): 747–800. doi:10.1021/acs.chemrev.7b00571. hdl:10044/1/59694. PMID 29300087.
19. "The Nobel Prize in Chemistry 2005". The Nobel Foundation. สืบค้นเมื่อ 2006-08-04.
20. Noyori, R. (2005). "Pursuing practical elegance in chemical synthesis". Chemical Communications (14): 1807–11. doi:10.1039/B502713F. PMID 15795753.