Ma.  del  Carmen  Doria  Serrano  

SEPTIEMBRE,  2012  

Opciones para el manejo de residuos

Descarga en aguas, tierra o

aire

Desarrollo de métodos de

tratamiento y de la

normatividad de la

disposición.

 

Cambios en los procesos que generan residuos

 La dilución es la solución a la

contaminación  

     Tratamiento de desechos y

reciclaje  Reducción en la

fuente  

   

     

•  Hasta los 40's: 50 a 1,000 g en sólidos 500 a 2,000 mL en líquidos

•  50's y 60's: alrededor de 10 g

•  70's: de 2 a 5 g  

   

Can:dades  comunes  en  técnicas    convencionales  en  los  laboratorios  de  docencia    

•  Técnicas en microescala menos de 1 g o 2 mL

25 a 150 mg para sólidos 100 a 2000 µL para líquidos

Uno de las fuentes de residuos peligrosos en una universidad proviene de los laboratorios de las

áreas de química.

El trabajo de la Química a nivel microescala contribuye a enfrentar los problemas de contaminación que pueden generar los

residuos de los laboratorios de docencia de las instituciones de educación.

El trabajo en microescala permite la reducción radical de costos de operación de los laboratorios:

§  substancias químicas §  material de vidrio más pequeño §  materiales no convencionales económicos §  el material pequeño es menos frágil §  eliminación de desechos químicos §  espacios de almacenaje §  energía eléctrica §  agua

En microescala 50 alumnos usan la misma cantidad de reactivos y disolventes que 1 alumno con técnicas convencionales

Megaescala

Escala temporal

Esca

la e

spac

ial

Macroecala

Mesoescala

Microescala

Complejos industriales

Comunidades

Procesos unitarios

Planeta Tierra

Moléculas y reacciones

Global

QUÍMICA VERDE

INGENIERÍA VERDE

ECOLOGÍA INDUSTRIAL

DESARROLLO SUSTENTABLE

 La química verde y el desarrollo sustentable

SUSTENTABILIDAD

INGENIERÍA VERDE

QUÍMICA VERDE

 A + B C + D REACTIVOS PRODUCTOS Solventes

Catalizadores Fuente de energía

Cada uno de estos aspectos ofrece la oportunidad de mejora

Utilización de un conjunto de principios que reducen o eliminan el uso o generación de sustancias peligrosas en el diseño, manufactura y

aplicaciones de productos químicos.

     

Química Verde

Aislamiento y purificación

PRODUCTO PRINCIPAL

Principios de la Química Verde

1. Prevención Es mejor prevenir la formación de desechos que tratarlos después de

su formación. 2. Economía Atómica Se deben diseñar métodos sintéticos para maximizar la incorporación

de todos los átomos de las materias primas en el producto final. 3. Síntesis químicas menos peligrosas Los métodos sintéticos deben tratar de usar o generar materiales de

baja toxicidad y bajo impacto ambiental.

4. Diseño de productos químicos más seguros El diseño de un producto químico debe mantener su eficacia y, al

mismo tiempo, reducir su toxicidad.

5. Uso de solventes y sustancias auxiliares más seguros Los materiales auxiliares (solventes, etc.) deben evitarse si es

posible, o sustituirse por sustancias que no sean tóxicas y causen un mínimo impacto ambiental.

6. Uso más eficiente de la energía Los requerimientos de energía deben tomarse en cuenta por sus

impactos ambientales y efectos económicos. Las rutas sintéticas deben llevarse a cabo a temperatura y presión ambiente.

7. Uso de materias primas renovables 8. Evitar el uso de derivados La síntesis de derivados (protección de grupos funcionales y su

eliminación posterior) debe evitarse, cuando sea posible. .

9. Uso de catalizadores Los procesos que utilizan catalizadores específicos son mejores que

los procesos estequiométricos. 10. Diseño de productos degradables Los productos químicos deben degradarse a productos inocuos al ser

dispuestos y no deben ser persistentes en el medio ambiente. 11. Análisis en tiempo real de los procesos Desarrollo de métodos analíticos que permitan el monitoreo y

control del proceso para evitar formación de sustancias peligrosas en reacciones secundarias.

12. Uso de sustancias químicas que disminuyan el riesgo de

accidentes Las sustancias y su estado físico utilizados en un proceso químico

deben elegirse para minimizar riesgo de accidentes.

 

1.  Prevenir la formación de desechos Factor ambiental (factor E)

Relación del peso de los desechos generados en una síntesis respecto al peso del producto final.

Factor E = masa  de  los  desechos  generados  

masa  del  producto

Industria Producción en toneladas

Factor E (kg desechos/kg

producto) Refinación de petróleo 106-108 <0.1

Productos químicos a granel 104-106 <1-5

Productos químicos de especialidad

102-104 5-50

Productos farmacéuticos 10-103 25-100

Síntesis de Aprepitant (Merck)            Reducción  del:  Ø   85%  en  materias  primas  Ø  80%  en  el  uso  de  agua  Ø  85%  en  la  generación  de  desechos  Ø  75%  en  costos  Ø  factor  E  de  477  a  66          

   Este parámetro se refiere a la relación del peso molecular del producto a la suma de los pesos moleculares de todas las sustancias producidas en la ecuación estequiométrica de la reacción involucrada.

       Economía  atómica  = peso  molecular  del  producto  peso  molecular  de  los  reac:vos    

X  100  

Depende de la naturaleza intrínseca de cada reacción.

B.M. Frost, Science, 1991, 253, 1471.

2. Economía atómica

Una reacción Diels-Alder tiene 100% de economía atómica

En cambio, la reacción de Wittig tiene una economía más baja:

   

Síntesis de metacrilato de metilo como materia prima para un polímero.

Reacción verde:

C5H11O2N (117g/gmol) → C5H8O2 (100 g/gmol)

C5H8O2N (100g/gmol) → C5H8O2 (100 g/gmol)

     

Otras medidas para determinar qué tan verde es una reacción o proceso.

masa total de reactivos y solventes (g) masa total de producto (g)

masa total de producto (Kg) masa total de reactivos (Kg)

masa del carbono en el producto (kg) x 100 masa del carbono en los reactivos (kg)

EFICIENCIA DE MASA =

INTENSIDAD DE MASA =

EFICIENCIA DE CARBONO =

Green Chem, 2001, 3,1-6

Síntesis de policarbonato

3. Uso de reactivos menos peligrosos

difenil carbonato

fosgeno

bisfenol  A  

Antiadherente marino (algas, diatomeas, etc,)          

4. Productos más seguros

•  Oxido de tributil estaño (TBTO) •  Vida media en el agua de mar > 6 meses •  Bioconcentración alta (104) •  Toxicidad crónica •  Afecta a la fauna marina

Óxido de tributil estaño

Antiadherente verde: •  Muy tóxico para una gran variedad de organismos marinos •  Biodegradación rápida a productos no tóxicos (vida media < 1 hora) •  Baja bioconcentración (13) •  Concentración ambiental < nivel de toxicidad aguda •  No provoca toxicidad crónica •  Baja biodisponibilidad        

                         4,5-dicloro-2-N-octil-4-isotiazolin-3-ona

Las grandes hojas del loto son repelentes al agua y se auto-limpian, ya que las gotas que se desplazan eliminan las contaminantes presentes en su superficie.

Pinturas que utilizan el “efecto loto”

Este efecto se basa en la rugosidad y las propiedades hidrofóbicas de la superficie de la hoja, lo que reduce la adhesión del agua.

La pintura para exteriores Lotusan combina las propiedades repelentes al agua con la microestructura de las hojas de loto. La suciedad se elimina con las gotas de agua de la lluvia y las fachadas permanecen limpias.

•  Solventes  biodegradables  

•  Bio-­‐solventes  

 

•   Líquidos  iónicos  •  Dióxido  de  carbono  supercrí:co  •  Reacciones  sin  solvente      

5.  Disolventes  no  tóxicos  y  biodegradables  

   §  agua §  acetona §  etanol, metanol, isopropanol §  hexano §  ácido acético §  acetato de etilo

limoneno

lactato de metilo

•   Microondas •  Infrarrojo •  Ultravioleta •  Ultrasonido •  Láser

6. Uso más eficiente de la energía

Tipos de reactores de radiación microondas

Los reactores domésticos se utilizaron originalmente para llevar a cabo reacciones químicas. Estos hornos son multimodo, es decir, en la zona de irradiación hay diversos modos, zonas de alta y de baja energía, y hay zonas donde la energía es cero, llamadas nodos.

En un horno unimodo la zona de irradiación incluye un solo nodo.

Conversión  de  biomasa  a  ácido  levulínico

7. Materias primas renovables

ácido  levulínico  γ-­‐buErolactona  

tetrahidrofurano  meEltetrahidrofurano  

ácido  succínico  

ácido  acrílico  

ácido  difenólico  ácido  δ  levulínico  

Biodiesel Sintetizado a partir de aceites vegetales por una trans-

esterificación.

aceite  vegetal   glicerol  biodisel  

glicerol   acetol  

     

Síntesis de ácido adípico

ácido  adípico  

benceno  benceno  

ácido  adípico  

   

HOOCCOOH

COClClOC

+

O

Nn

NH2H2N

ácido  adípico  

nylon  6,6  

Biosíntesis de ácido adípico

D-­‐glucosa  

ácido  adípico  

ácido  mucónico  D-­‐glucosa   ácido  mucónico  

ácido adípico

Polímeros biodegradables 10.  Diseño  de  productos  biodegradables  

poli(ε-­‐caprolactama)  

poli(glicida)  

poli(lactato)  

Síntesis de polímeros de ácido láctico (PLA).

ácido  lác:co  

lactona  

 poli(lactato)  H2O

H2O

octanoato de estaño

CH2Cl2   etanol  

etanol  CH3CN  

Química verde y la docencia experimental de la Química

Síntesis tradicional

OH

H2SO4 KMnO4 + H2O COOH

COOH

Síntesis verde

Síntesis de ciclohexeno y ácido adípico

COOH

COOH

H3PO4

OH

4 H2O2 +Na2WO4

[CH3(C8H17)3N] HSO4

K.M.Doxsee y J.E. Hutchison. ”Green Organic Chemistry. Strategies, Tools and Laboratory Experiments”. Thomson Brroks/Cole, 2004.  

Síntesis de acetato de isoamilo

CH3CHCH 2CH2OH CH 3COH CH3

+CH3

CH3CHCH 2CH2OCCH 3 OO

+ H2OH2SO4

1.5 h. reflux

Ácido  p-­‐toluensulfónico  impregnado  en  carbón  acEvado  y  

con  radiación  microondas  

Síntesis tradicional

Síntesis verde

Síntesis de ε-caprolactama

O

NH2OH

NOH

H2SO4

Δ

HON

H

HSO4 NH3

H ON

+ (NH4)2SO4

NH3air

MnIIIMgIIAlPO4NH2OH O

NOH

AlPO4IIMgIIIMn

N OH

Thomas J.M., Raja R. Proc. Natl. Acad. Sci U.S.A. 2005, 102, 13732-13736.

fosfato  de  aluminio    nanoporoso  

Síntesis tradicional

Síntesis verde

Síntesis de benzoina

OH

OHCC

2 HO

C

N

N N

S

CH3

H3C

NH3+Cl-

OH

Cl-

NaOH

NaCNOH

OHCC

2 HO

C

K.M.Doxsee  y  J.E.  Hutchison.  ”Green  Organic  Chemistry.  Strategies,  Tools  and  Laboratory  Experiments”.    Thomson  Brroks/Cole,  2004.  

Clorhidrato de tiamina

Síntesis tradicional

Síntesis verde

NH 4+  NO 3

-­‐

-­‐  NO 2+NH 4

N 2   + 2  H 2O

Cu 2+

Cu C 6H 5

C C C 6H 5

O O

O

C6H 5

C CC 6H 5

OH

H

+

Williamson,  K.  L.  “Macroscale  and  Microscale  Organic  Experioments”  .D.H.  Health  y  Co.  1994  

OCC

OOC

OHCH PCC

Síntesis de bencilo

Síntesis tradicional

Síntesis verde

•  Lo “verde” de un proceso o reacción es relativo.

•  Los principios son guías que ayudan a mejorar todos los aspectos de una reacción o proceso.

•  Los cambios pueden ser pequeños, aunque hay muchos ejemplos en donde los cambios han sido sustanciales.

•  No siempre se pueden aplicar los doce principios en un sólo proceso o reacción, aunque en otros casos, un cambio responde a más de un principio.

Conclusiones

“La Química Verde es el pilar que soporta nuestro futuro sustentable. Es imperativo enseñar el valor

de la Química Verde a los profesionistas del futuro”.  

Daryle  Busch,  President  ACS,  June  26,  2000,    “Color  Me  Green”    

 Chem.  Eng.  News  2000,  78  (28)  49-­‐55.        

Bibliografía

•  Green Chemistry Expert System http://www.epa.ohio.gov/portals/41/p2/Green%20Chemistry%20Expert

%20System_factsheet.pdf •  Green Chemistry Education Network

http://cmetim.ning.com/ •  Greener Education Materials for Chemists

http://greenchem.uoregon.edu/gems.html

•  Green Chemistry Assistant http://www.files.chem.vt.edu/confchem/2006/b/hanson/

•  Green Chemistry Network http://www.greenchemistrynetwork.org/about.htm

•  Presidential Green Chemistry Challenge Awards http://www.epa.gov/gcc/pubs/pgcc/presgcc.html

•  Revista : Green Chemistry http://pubs.rsc.org/en/Journals/JournalIssues/GC

Objetivo del Centro

Promover los beneficios de la Química verde y la Química

en microescala en las instituciones educativas.

GRACIAS POR SU ATENCIÓN carmen.doria@uia.mx

Materias primas

Formulación, manufactura y procesamiento

Empaque y distribución

Uso del producto

Reuso, reciclado, disposición

Catálisis

Productos reciclables

Productos biodegradables

Productos más seguros

Empaques degradables

Sustitución de solventes

Rutas de síntesis alternativas Minimización de desechos

Origen biológico