3. Groene chemie

Samenvatting voor scheikunde: Groene chemie

Wat is groene chemie?

Met groene chemie wordt het aspect van chemie bedoeld dat zich focust op de duurzaamheid van grondstoffen en energie bij het uitvoeren van chemische processen. 

Voor het duurzaam maken van zulke processen wordt geprobeerd het gebruik van giftige of gevaarlijke chemicaliën te beperken. Zo worden er in totaal 12 hoofdprincipes gebruikt. Een van deze principes is bijvoorbeeld het afval dat wordt gevormd bij chemische reacties verminderen. Maar ook het gebruik van grondstoffen die daarna herbruikbaar zijn inzetten is een principe. Deze 12 principes vindt je in Binas tabel 97-F. 

Een aantal belangrijke aspecten van duurzaamheid in de chemie, en welke dus ook worden belicht binnen de 12 principes, zullen we nu verder samen doorlopen.

Energie-effect van chemische reacties

Als eerste gaan we in op energie van een reactie. Elke chemische reactie heeft een energie-effect. Een energie-effect wil zeggen dat er energie wordt opgenomen uit de omgeving of dat er energie vrijkomt. Bij een exotherme reactie, bijvoorbeeld een verbranding, komt er energie vrij. Bij een endotherme reactie wordt er energie opgenomen. 

Een voorbeeld: bij het oplossen van keukenzout in een bekerglas met water neemt de temperatuur in het bekerglas af. Het keukenzout heeft energie uit zijn omgeving opgenomen en de omgeving is in dit geval het bekerglas met water.

Vaak kosten chemische processen energie, dan is het een endotherm proces. Het energieverbruik van een reactie of proces kan echter wel worden aangepast. Dit kan gedaan worden door reactieomstandigheden, zoals de temperatuur en druk, binnen zo’n proces te beïnvloeden.

Zo kost een reactie waarvan de reactietemperatuur, oftewel de temperatuur die benodigd is om een reactie te laten plaatsvinden, hoog is, heel veel energie. Om de energie die er nodig is voor de reactie te verminderen kan een katalysator gebruikt worden. Een katalysator is bijvoorbeeld een stof die kan worden toegevoegd om de benodigde reactietemperatuur te verlagen, terwijl ondertussen de snelheid van de reactie wel wordt verhoogd. Dat maakt de reactie efficiënter. 

Energie nuttig gebruiken

Ook kan er in een chemisch proces juist energie vrijkomen, bijvoorbeeld bij een exotherm proces. Deze energie kan ook nuttig gebruikt worden! In een vorig filmpje hebben we hiervan een voorbeeld besproken, namelijk de warmte die vrijkomt uit een bepaalde reactie die met een warmtewisselaar wordt overgedragen naar een andere stof of reactie. De vrijkomende energie die nuttig gebruikt wordt bij een bepaalde reactie kan worden gemeten met de “kwalitatieve energiebeschouwing”.

Energie omzetten in een andere vorm van energie verandert de kwaliteit van de energie. Zo is de warmte die vrijkomt bij een exotherme reactie bijvoorbeeld vaak niet per se zonder hulpmiddelen nuttig en heeft het daardoor een vermindering in kwalitatieve energiebeschouwing. Een warmtewisselaar kan ervoor zorgen dat de warmte-energie alsnog gebruikt kan worden voor endotherme processen. Dit bespaard op de energiekosten en zorgt voor een betere kwalitatieve energiebeschouwing. 

Verschillende reacties en bijkomende producten

Zoals je vast weet zijn veel van de chemische reacties in de chemische industrie evenwichtsreacties, waarbij er zonder invloed van buitenaf geen veranderingen meer plaatsvinden. Stoffen reageren in een evenwichtsreactie met elkaar tot een evenwicht ontstaat, waarbij door middel van omkeerbare reacties de stoffen tot eindproduct en weer tot beginproduct kunnen worden omgezet. In het evenwicht is de snelheid van de heen- en terug-reactie aan elkaar gelijk. Hierdoor zijn de concentraties van de begin en eind stoffen ook gelijk.

Dat leidt tot onvolledige omzetting van beginstoffen. Daarnaast is er bij zulk soort reacties ook sprake van nevenreacties, oftewel extra onbedoelde reacties. Bij nevenreacties ontstaan vaak naast het gewenste eindproduct ook andere reactieproducten, welke we bijproducten noemen. De bijproducten zorgen voor vermindering van het gewenste eindproduct.

Om vervolgens het gewenste eindproduct daarbij te scheiden van de bijproducten, moet het mengsel worden gezuiverd. Dit kost extra energie. Je kunt dus wel zeggen dat als groene chemie wil bezuinigen op de energie die in processen wordt gestoken, nevenreacties en bijproducten van evenwichtsreacties niet bepaald efficiënt zijn. Een aflopende reactie, waarbij beginstoffen met elkaar reageren tot 1 van de beginstoffen helemaal op is, is dan uiteraard veel efficiënter in de chemische industrie. 

Overmaat en ondermaat

Maar, er is nog hoop. Soms kunnen de overblijvende stoffen of bijproducten van een proces namelijk wel nuttig worden ingezet. Ook kan in een evenwichtsreactie een overmaat aan grondstoffen, ook wel beginstoffen genoemd, worden toegevoegd om zo te zorgen dat het evenwicht van de reactie meer richting het eindproduct wordt geduwd. Dan wordt er dus meer reactieproduct gemaakt.

Een overmaat betekent ook wel te veel toevoegen van een beginstof. Hierdoor houd je dus altijd wel een deel grondstof over. Het overblijvende deel moet dan uiteindelijk uit het reactiemengsel worden verwijderd. Wat vooral erg nuttig is, is als de grondstoffen die overblijven in een evenwichtsreactie dan vervolgens nog een keer kunnen worden gebruikt. 

Daarentegen betekent een ondermaat, zoals je vast al kan inschatten, dat er te weinig van een beginstof wordt toegevoegd. Daardoor reageert er juist minder van de beginstoffen tot reactieproduct, met de oorzaak dat het evenwicht meer naar de andere richting verschuift. 

Recyclen van grondstoffen

Tot slot zullen we het kort hebben over recyclen. Recyclen betekent het opnieuw gebruiken van materialen en grondstoffen. Dat kan bijvoorbeeld worden gedaan met bijproducten uit een chemisch proces. Deze bijproducten kunnen als afval worden gescheiden van een reactiemengsel. Als dit afval op een milieuvriendelijke manier kan worden verwerkt, dan kan dit opnieuw nuttig gebruikt worden voor recycling. Het gebruiken van hernieuwbare grondstoffen is dus erg duurzaam!

Een voorbeeld hiervan is het koelwater dat wordt gebruikt om een reactie van een proces te koelen, en wat makkelijk kan worden hergebruikt voor een andere reactie. Maar ook op grotere schaal kunnen materialen worden gerecycled, zoals papier voor nieuwe kranten of blikjes voor fietsonderdelen. Ook plastic kan worden hergebruikt door het makkelijk te vervormen tot een nieuw voorwerp, zoals plastic flesjes. 

Milieueisen

Waar altijd wel altijd aan gedacht moet worden zijn de milieueisen van een productieproces. Vooral moet er rekening mee worden gehouden dat er zo min mogelijk schadelijke stoffen bij een reactie vrijkomen. Giftige stoffen moeten altijd binnen een begrensd gebied blijven, zoals het productieterrein. Ook moeten de mensen en omgeving wat betreft chemische processen ten alle tijden in veiligheid worden gebracht.