1. Principper for grøn kemi
1. Principper for grøn kemi
Grøn er tidens populære ord for bæredygtig. Lyt med nedenfor, når studerende eller tidligere kemistuderende forklarer hvad grøn og bæredygtig kemi er.
Grøn kemi blev defineret i 1990’erne af Paul Anastas. Han forklarer, i nedenstående YouTube video (2 min), hvorfor grøn kemi er vigtig, og hvad grøn kemi handler om.
Grøn kemi bygger på 12 principper vist i figur 1.
De 12 principper fungerer som ’designprincipper’, der hjælper kemikere med at opnå specifikke mål for bæredygtighed. Som det fremgår af principperne, har man i grøn kemi bl.a. fokus på at:
Vi vender tilbage til de 12 principper i Grøn kemi, når I selv skal i gang med en virksomhedscase og i lab og lave kemiske synteser. Først skal vi se og høre om, hvad makromolekyler egentlig er for noget, så vi er klædt på til en forskningsfortælling om, hvordan grøn kemi spiller en vigtig rolle i nedbrydningen af vindmøllevinger. Troels Skrydstrup, der er professor i kemi på Aarhus Universitet forklarer at det her med Grøn kemi ikke blot er for sjov – det bliver brugt med stor alvor i den kemiske industri. Grøn kemi er vigtig.
Princip nr. 7 i Grøn kemi principperne er fornybare råmaterialer. Fornybare råmaterialer kan fx være biomasse. Biomasse er også et bredt begreb, men kan fx bestå af carbohydrater (kulhydrater i daglige tale), som eksempelvis cellulose eller stivelse. Men vi starter et andet sted. For både carbohydrater, samt helt andre stoffer som plastik, har det vil fælles at de er makromolekyler.
Det skal du lære om her. Se YouTube klippet nedenfor (9:32).
Præsentationen kan hentes her.
Når du har set klippet om makromolekyler, og hørt om polymerer og polymeriseringsreaktioner, er du klar til forskningsfortællingen Nedbrydning af en vindmøllevinge i et reagensglas.
Vindmøller er vigtige som vedvarende energikilde. Men hvad gør man med vindmøllens vinger, når de skal udskiftes? Hvor grøn er vindmøllen selv?
Se ovenstående YouTube video ( 3:45 min). Mange vindmøllevinger ender deres dage ved at vindmøllevingerne simpelthen bliver gravet ned, i stedet for at blive genbrugt i nye vindmøllevinger. Det kaldes affaldsdeponi, og er nederst i affaldstrekanten, se figur 2 i cirkulær kemi. Hvis ikke der findes en løsning på genbrug af vindmøllervinger, vil vi globalt have ophobet mindst 43 millioner tons vindmøllevinge-affald i 2050!
Vindmøllevingers kemiske opbygning
Vindmøllevinger udgøres af et sammensat materiale (et kompositmateriale), hvor glasfibre er indlejret i en særlig type plast, epoxyplast. Se figur 1.
Epoxyplast er et let, stærkt, og holdbart materiale. Vi ser vi på, hvordan det kan fremstilles kemisk
Epoxyplast, er ligesom andre plasttyper en polymer og et makromolekyle. Epoxyplast er en slags hærdeplast, og det betyder at det er hårdt og ikke lige kan smeltes eller opløses igen. Det er smart ift. holdbarhed af vindmøllevingen, men det besværliggør nedbrydningen.
Epoxyplast er lavet af to komponenter:
Epoxymonomer
Epoxymonomeren kan fx syntetiseres fra udgangsstofferne phenol og acetone, hvorved der dannes stoffet bisphenol A. Bisphenol A bringes til at reagere med en meget reaktiv gruppe, en såkaldt epoxyforbindelse, der har givet navn til plasttypen. På den måde dannes den ene monomer der indgår i epoxyplast, vi kan kalde den epoxymonomer. De molekyler (byggesten), der indgår er vist i figur 2a, mens syntesen af epoxymonomeren er vist i figur 2b
Hærdermonomer
Den anden monomer der indgår, er en diamin-forbindelse. Den er hærderen. En generel formel for hærderen er H2N-R-NH2 . Vi kunne kalde den hærdermonomeren.
Polymerisationsreaktion
Når epoxymonomeren tilsættes hærdermonomeren, begynder hærdningsprocessen, hvor materialet går fra en flydende til en fast form. Hærdningsprocessen er det vi i kemi kalder en polymerisationsreaktion, og den starter med at aminen i hærderen reagerer med epoxidgruppen i epoxymonomeren, det er vist i figur 3 a. I figur 3 er den trinvise polymerisationsreaktion vist.
Figur 4 viser en samlet polymerisationsreaktion.
Da aminogrupperne (R-NH-) reagerer med flere monomerer, fører polymerisationsreaktionen også til krydsbinding i materialet. Derfor er epoxyplasten bundet sammen på kryds og tværs, som illustreret i figur 5.
Epoxyplasts holdbarhed er stor, og det kan ikke umiddelbart nedbrydes kemisk eller biologisk. Det betyder, at epoxyplast ikke genanvendes, men må brændes – eller deponeres. For plasttyper som epoxyplast er genanvendelsen derfor næsten lig 0.
Vindmøllevingers kemiske nedbrydning
Men nu er der er godt nyt for miljøet. På Institut for Kemi ved Aarhus Universitet har professor Troels Skrydstrup sammen med sin forskningsgruppe, forsket i at udvikle en metode til at nedbryde epoxyplast til dets bestanddele. Forskningsgruppen er ”lykkes med at bryde noget, man troede var at ubrydeligt” fortæller Troels.
Konkret har forskningsgruppen vist, at de ved at opløse et lille stykke vindmøllevinge i et reagensglas med et organisk opløsningsmiddel (her toluen), og med tilstedeværelse af den rette katalysator, nemlig overgangsmetallet ruthenium, kan nedbryde epoxyplast. Efter nogle dage omdannes det sammensatte materiale epoxyplast til de originale byggesten: bisphenol A, fuldt intakte glasfibre og metalgitter. Det er illustreret i figur 6
Vi ser nærmere på, hvad der sker kemisk i nedbrydningen:
Katalysatoren udgøres af overgangsmetallet ruthenium, som bryder en specifik binding mellem carbon og oxygen i epoxyplast. Det er illustreret i figur 7. Udgangsstoffet bisphenol A gendannes. Bisphenol A er dyr, så der er også økonomiske besparelser ved at genanvende den.
Om forskningsgruppens succes med at nedbryde epoxyplast siger Troels Skrydstrup "Det er en måde at gøre produktionen af vindmøllevinger til en del af den cirkulære kemi, hvor tingene kan genanvendes".
Er vi så i mål med genanvendelse af vindmøllevinger?
”Nej, vi er først lige startet. Ligesom lægemiddeludvikling tager det nok mere end 10 år før man er i mål.” siger Troels. ”Vi har brug for flere innovative tanker indenfor plast og CO2, der er ikke enkelte løsninger, men det er samlinger af forskellige løsninger, der kan gøre det. ”
Der er stadig en række udfordringer. Ruthenium er et overgangsmetal, der tilhører platinmetallerne. Tilgængeligheden af metallet er påvirket af stigende trussel fra øget forbrug. Derudover er ruthenium for dyrt. (Det er omtalt i temaerne Grundstoffer og bæredygtighed samt Power-to-x og katalyse (indsæt links). Men Aarhus gruppen er på forkant, for det lader til at der i fremtiden kommer krav om at vindmøllevinger skal være 100 % genanvendelige. ”Produkterne bør være på samme niveau i affaldstrekanten, og ikke en ’downgrade’, der altså i sidste ende vil føre til affald.” udtaler Troels. ”Vi kan ikke blive ved med at leve som i dag med det forbrug vi har, med en verdensbefolkning på +8 mia ” afslutter Troels Skrydstrup.
Hvis du vil lære og høre mere om epoxider, kan de lytte til podcasten her
Kig på de 12 principper vist i figur 1. Hvilke af de 12 principper i Grøn kemi, er på spil i forskningsfortællingen ’Nedbrydning af en vindmøllevinge i et reagensglas’?
ved fremstilling af 10 mg aktivt stof i en tablet som fx ’hovedpinepillen’ paracetamol kan der let dannes 500 mg affald, altså 50 gange så meget som der er i tabletten? Det er værd at tænke over næste gang vi tager medicin.
Kemi har en historie som vi ikke kan løbe fra. Den historie har været med give os nogle udfordringer med kemikalier, der ikke kan nedbrydes i naturen, og forurening af grundvand – for bare at nævne nogle eksempler. En anden side af historien er, at kemi også har være essentiel for at skabe industrisamfundet og vores moderne samfund og reducere hungersnød i verden. Med principper fra Grøn kemi, kan man lave en grøn transformation i industrien – og i samfundet.
Casen er udviklet af Henrik Paulsrud Tangen, Lillehammer videregående skole og Svein Tveit, Kjemisk Institutt, Universitetet i Oslo. Oversat af Jonas Niemann, Institut for Naturfagenes Didaktik, Københavns Universitet. Redigeret af Christine Brænder Almstrup, Kemisk Institut, Københavns Universitet i 2025, med tilladelse fra ovenstående.
Du arbejder for en kemivirksomhed, som producerer kemikalier til industrien. Et af jeres bedst sælgende produkter er benzoesyre. En anden afdeling i virksomheden bruger benzoesyre til syntese af blandt andet parabener, men størstedelen af benzoesyren sælges videre. Noget til medicinalindustrien, men det meste til fødevareproduktion. Benzoesyre og dets salt, natriumbenzoat, er nemlig et almindeligt konserveringsmiddel til fødevarer med E-nummeret E210.
Tidligere har I produceret benzoesyre ved at bruge det miljøskadelige og kræftfremkaldende stof natriumdichromat (Na2Cr2O7), men efter pres fra kunder ønsker virksomheden at producere benzoesyre på en mere miljøvenlig måde.
Kort indledende opgave til virksomhedscase:
I skal finde på et navn til strategien, der afspejler den grønnere og mere miljøvenlige kemikalieproduktion.
Samtidig med at kunderne ønsker en mere miljøvenlig produktion, presser investorerne virksomheden til at udføre synteser så billigt og effektivt som muligt, så de kan tjene penge og udbetale bonusser. Derudover er der snart nye lønforhandlinger. Arbejdsmiljøansvarlige og Arbejdstilsynet holder også nøje øje og presser virksomheden til at udføre synteser på den sikrest mulige måde for medarbejderne.
I har fået til opgave at teste tre metoder til en ny syntese, som virksomheden kan bruge i den fremtidige produktion af benzoesyre.
De tre metoder tager alle afsæt i at oxidere benzaldehyd til benzoesyre. De tre metoder adskiller sig ved at bruge forskellige oxidationsmidler: henholdsvis kaliumpermanganat (KMnO4), calciumhypochlorit (Ca(ClO)2) og Oxone® (2 KHSO5·KHSO4·K2SO4).
Produktionsvejledning (øvelsesvejledning) for de tre forskellige syntesemetoder, kan I finde her (de 3 syntesemetoder er indsat i et samlet dokument).
OBS: Hver gruppe (2-3 personer) laver en af de tre synteser, og hele holdet deler data efterfølgende. Hver gruppe laver bagefter de vurderinger, som skal bruges for at lave en anbefaling til virksomheden. De er omtalt nedenfor.
Efter at metoderne er blevet testet eksperimentelt, skal de vurderes ud fra tre faktorer:
Derefter skal I beslutte, hvilken metode I anbefaler at virksomheden skal gå videre med, og formulere gode argumenter til investorer, kunder og Arbejdstilsynet om, hvorfor I ønsker denne metode.
Nedenfor følger en beskrivelse af de tre faktorer og hvilke beregninger, der evt. bør udføres.
Udbytteprocenten af en reaktion fortæller, hvor meget produkt man har fået dannet sammenlignet med det maximalt teoretisk mulige. Det procentvise udbytte kan beregnes således:
I en kemisk produktion laver man altid en undersøgelse af produktets renhed. I produktionsvejledningen er beskrevet en simpel undersøgelse for renhed, hvor I tester for, om der fortsat er benzaldehyd (eller andre carbonylforbindelser) tilbage i jeres produkt.
Var testen for renhed af det endelige produkt positiv eller negativ?
Husk at positiv refererer til, at der er fx benzaldehyd tilstede i det færdige produkt, og negativ henviser til, at der ikke er påvist carbonylfornindelse i det endelige produkt.
I en kemisk produktion laver man en del forskellige undersøgelser og dokumenterer derved, at der kun er det ønskede produkt tilstede, og at det er fri for urenheder herunder biprodukter fra reaktionen. Ofte vil renheden angives i procent.
Grøn kemi handler om at designe kemiske produkter og processer, hvor man så vidt muligt undgår brugen eller dannelsen af farlige stoffer. Inden for grøn kemi arbejder man for øget bæredygtighed ved at forbedre eksisterende kemiske processer og udvikle nye, mere miljøvenlige processer.
På det seneste har mange fået øjnene op for grøn kemi, da det har vist sig, at man både kan opnå miljømæssige og økonomiske mål ved at anvende de 12 principper for grøn kemi i design eller forbedring af kemiske processer. Det her med Grøn kemi er ikke bare for sjov, det bliver i dag brugt med stor alvor i den kemiske industri.
Men hvordan bestemmer vi, hvor ‘grønt’ noget er i sammenligning med noget andet? Grøn kemi præsenterer forskellige principper for at producere bæredygtigt. De 12 principper for Grøn kemi er vist i figur 1. De 12 principper er:
Nedenfor gives en kort beskrivelse af fem af principperne, nemlig nr.: 1, 2,3,5 og 6.
Det er disse udvalgte principper for Grøn kemi, I skal inddrage i jeres vurdering.
Du kan evt. læse mere om alle 12 principper her.
Det er bedre at undgå at danne affald end at rydde op i det, efter det er dannet. Derfor er det øverste trin i affaldstrekanten netop affaldsforebyggelse, se figur 8.
I industrien produceres der store mængder affald fra kemiske reaktioner. Ved at reducere affaldsmængden skånes miljøet og der forbruges færre ressourcer. En metode til at vurdere affald fra en kemisk proces er at beregne E-faktoren. E-faktor kommer fra engelsk: Enviromental factor. E-faktoren beregnes som:
Affald vil typisk være massen af alle brugte kemikalier, opløsningsmidler, og de biprodukter (spildprodukter), der evt. dannes, fratrukket massen af produktet. Nogle gange er det muligt at genbruge eksempelvis opløsningsmidler (fx vand) til samme syntese. Jo højere E-faktor, desto mere affald genereres, hvilket indebærer en større negativ miljøpåvirkning. Beregning af E-faktoren for forskellige kemiske processer hjælper med at identificere processer med høj affaldsproduktion, så de kan forbedres. Derfor gælder det at jo lavere E-faktor jo bedre.
Bemærk at E-faktoren kun siger noget om, hvor meget affald der dannes, ikke hvor problematisk det er. 1kg kviksølv som affald giver samme E-faktor som 1kg natriumchlorid.
For at fremme bæredygtighed ønsker man at mindske brugen af råvarer i kemiske reaktioner, så flest mulige atomer fra udgangsstofferne ender i produkterne. Dette kaldes atomøkonomi. Atomøkonimien er lav, hvis kun lidt af reaktanterne ender i det endelige produkt, mens en høj atomøkonomi indebærer, at flest mulige atomer på reaktantsiden ender op i produktet, og ikke som spildprodukter og affald. Hvis alle atomer ender som en del af produktet, er atomøkonomien 100%.
Atomøkonomi beregnes som:
Hvor M er molarmassen og n er koefficienten for et stof.
Atomøkonomi omtales også som atomeffektiviteten, og giver en teoretisk vurdering af, hvor effektiv en reaktion er, uden at tage hensyn til udbytte, mængden eller typen af opløsningsmidler, giftigheden af stoffer osv.
Grøn kemi tilstræber at bruge kemikalier, der er så lidt farlige som muligt, for at forhindre ulykker og skåne miljøet mest muligt. Sikkerhedsdatablade med faresymboler (det samme som Farepiktogrammer), advarselsord (P-sætninger) og faresætninger (H-sætninger) giver information om stoffernes risici og hjælper med at vælge sikrere alternativer. Indsæt kemikalienavn, H-sætninger og Faresymboler, som I fandt som forarbejde til forsøget (se øvelsesvejledning):
Mange opløsningsmidler er giftige, brandfarlige eller ætsende og har forårsaget alvorlige ulykker og forurening af luft, jord og vand. Derfor fokuserer grøn kemi på at udvikle metoder uden opløsningsmidler eller metoder, der kun bruger vand som opløsningsmiddel.
At reducere energiforbruget i kemiske processer er både miljømæssigt og økonomisk fordelagtigt. Ifølge princippet om energieffektivitet er det en fordel, hvis reaktioner kan udføres ved stuetemperatur og normalt tryk. I opgaven her laves en umiddelbar vurdering af ennergieffektiviteten ved fx at sammenligne de temperaturer, der anvendes i syntesen.
Nu er I præsenteret for 5 af de 12 principper i Grøn kemi.
Grøn kemi indbefatter også fx livscyklusanalyser. Hvis en kemisk produktion skal analyseres til bunds mht. miljømæssige konsekvenser, kræver det en fuld livscyklusanalyse (LCA). Dette kaldes også en vugge til grav analyse (fra det engelske cradle to grave), da alle aspekter af processen behandles. Det inkluderer råmaterialefasen, produktionsfasen, brugsfasen og bortskaffelsesfasen, samt den transport, der er nødvendig mellem de respektive faser (f.eks. fra fabrik til supermarked). Til sammenligning beskæftiger Atomøkonomi og E-faktor sig kun med selve produktionsfasen. LCA præsenteres ikke yderligere her.
Nedenfor er vist eksempler på forskellige beregninger.
Reaktionen nedenfor er virksomhedens “gamle” syntesemetode for benzoesyre, hvor dichromat blev anvendt som oxidationsmiddel. Beregningen nedenfor viser det teoretiske udbytte af produktet, hvis vi starter med 0,7 g benzaldehyd, og antager at dichromat og svovlsyre er i overskud.
Ovestående beregning viser det teoretiske udbytte af produktet, hvis al benzaldehyden bliver omdannet til benzoesyre.
Hvis det faktiske udbytte blev 0,65 g så kan vi nu beregne udbytteprocenten ud fra formlen omtalt i afsnit 2.1 Udbytte:
I en syntese af benzoesyre fra benzaldehyd anvendes:
Produktet er 0,44 g benzoesyre og vandet kan genbruges til ny syntese.
En E-faktor på 17 betyder, at der dannes 17 kg affald pr. kg produkt.
Til sammenligning er indsat en oversigt over typiske værdier for E-faktor i den kemiske industri, se figur 9
Hvis vi ser på reaktionen: A + B → C + D
Hvor A og B er vores reaktanter, og antager vi, at C er vores ønskede produkt. Hvis kun C er det ønskede produkt, så er D affald. Jo mere af C og jo mindre af D, jo bedre er atomøkonomien, og jo mere bæredygtig er reaktionen.
Formlen for Atomøkonomi er:
Da koefficienten = 1 i ovenstående reaktion, bliver regnestykket:
Jo større atomøkonomien AØ er, jo mere bæredygtig er reaktionen.
Ved oxidation af benzaldehyd til benzoesyre med natriumdichromat i svovlsyre er reaktionen:
Det antages, at der kommer en hydron for hvert svolsyremolekyle.
Igen indsætter vi i formlen for atomøkonomi:
Atomeffektiviteten er altså 26,8%. Det betyder, at rent teoretisk, ender omkring 27 % af reaktanterne op i det endelige produkt.
Nu kan I foretage en samlet vurdering af den bedste produktionsmetode ud fra de tre parametre: udbytte, renhed, og grøn kemi, som beskrevet nærmere i opgave 4. Disse 3 parametre er de endelige vurderingskriterier.
Når I har udført syntesen, skal I lave databehandling. I skal stadig arbejde sammen i jeres lab.gruppe (2-3 personer). Find jeres produktionsvejledning med resultatskema frem.
I skal sammen beregne:
Derefter skal I kort diskutere (husk at skrive lidt ned)
I skal skrive alle jeres data op i et dokument, som I deler med hinanden og resten af holdet
Alle dem, der har lavet samme slags syntese arbejder nu sammen i en (stor) gruppe.
Om lidt skal I præsentere jeres vurdering i matrixgrupper, jfr. opgave 6
I skal nu arbejde i matrixgrupper. En elev fra hver ’syntesestorgruppe’ (fra opgave 5), går sammen med en fra hver af de andre ’syntesestorgrupper’.
Da både virksomhedens ledelse og arbejdsmiljøansvarlige har travlt, og ønsker at fokusere på deres øvrige opgaver, skal den endelige anbefaling indeholde en kort sammenfatning, og være overskuelig og hurtigt kan læses. Derfor skal I til slut udfylde formularen nedenfor.
Kan hentes her: Anbefaling til kemivirksomhed – Afslutning