Oluşmuş atığı temizlemek pahalıdır. Hiç oluşturmamak bedavadır.
Yeşil kimya, bir tepkimeyi kurmadan önce soruyor: buradan ne çıkacak, çıkanın ne kadarı ürün, ne kadarı atık? On iki ilkenin birincisi atık önlemedir — ve birinci olması bir sıralama tercihi değil, bir maliyet gerçeğidir. Bu ünitede önce ilkeyi, sonra onu ölçülebilir kılan atom ekonomisini göreceksin.
“Yeşil sentez yönteminde metal iyonların dışında kullanılacak olan tüm kimyasallar yerini doğadan elde edilecek malzemelere, evsel atıklara, endüstri ya da sanayi atıklarına bırakır. Özellikle evsel atıkların kullanılması atıkların geri kazanılması, doğanın korunması ve ekolojik sürdürülebilirliğin sağlanması için önemlidir.”
“Bu yöntemle nanoteknoloji alanında “yeşil kimya” kavramı ön plana çıkmaktadır. Yeşil kimya, zararlı maddelerin kullanımını ve oluşumunu azaltmak için kimyasal işlemler tasarlamayı ve yürütmeyi amaçlamaktadır.”
Tanımdaki iki kelimeye dikkat: “kullanımını” (girdi) ve “oluşumunu” (çıktı). Yeşil kimya tepkimenin iki ucuna birden bakar. Ve “tasarlamayı” kelimesi de tesadüf değil — müdahale, tepkime kurulurken yapılır, bittikten sonra değil.
Ünite 22’de gördün: nanoparçacık sentezinde fiziksel ve kimyasal yöntemlerin kullandığı kimyasalların çevresel ve biyolojik riskleri var ve bunlar ekonomik değil. Yeşil sentez bu yüzden tercih ediliyor: bakteri, maya, bitkilerin kök/gövde/yaprak/çiçeği ya da evsel atıklar.
Etkinlik-3.5’te kullanılabilecek evsel atıklar: portakal kabukları, limon kabukları, kivi kabukları, kuru yemiş kabukları, kurumuş ya da atık çimen, kurumuş yeşillikler (roka, dereotu, maydanoz). Yöntemin özeti: yıkanıp kurutulan 20 gram atık + 50 mL saf su, kaynat, süz, soğut — ve elde ettiğin özüt laboratuvar kimyasalının yerine geçer.
Buradaki fikir sadece “tasarruf” değil: çöpe gidecek olan ham madde oluyor. Yani atık hem oluşmuyor hem satın alınması gereken bir kimyasalın yerini alıyor.
“Atık Önleme: Kimyasal bir süreç sonucunda atık oluşumunun en aza indirilmesi ve/veya yok edilmesidir.”
Bir atıkla yapılabilecek her şey eşit değerde değildir. Hem Türkiye’nin Atık Yönetimi Yönetmeliği’nde hem Avrupa Birliği’nin Atık Çerçeve Direktifi’nde aynı sıralama var:
Yeşil kimyanın 1. ilkesinin neden 1. sırada olduğunun cevabı bu listede: aşağı indikçe hem maliyet hem çevresel yük artar. Oluşmuş bir atığı arıtmak için tesis, enerji, kimyasal ve iş gücü gerekir; üstelik arıtma da kendi atığını (arıtma çamuru) üretir. Hiç oluşturmamak bunların hiçbirini gerektirmez.
(Hiyerarşinin kendisi ders kitabında yok; ilkenin neden birinci olduğunu açıklamak için eklendi. Sıralama Türkiye ve AB mevzuatında aynıdır.)
Kaydırak, üretimin ne kadarının önleme ile tasarlandığını değiştiriyor (0 = hiç önlem yok, hepsi sonradan arıtılıyor; 100 = süreç baştan atıksız tasarlanmış). Solda tepkimeden çıkanlar, sağda üç ölçüt çubuğu: çevreye giden atık, arıtma yükü ve ham madde kaybı. Üçünün de aynı anda düştüğüne dikkat et — bu şema, hiyerarşinin neden yukarıdan aşağıya okunduğunu gösteriyor.
Şema nitelikseldir: sayılar gerçek bir tesisin ölçümü değil, ilkelerin birbirine göre nasıl davrandığını gösteren bir modeldir.
“Ne kadar atık?” sorusunun sanayide kullanılan bir ölçüsü var: E-faktörü (çevre faktörü) = oluşan atık kütlesi ÷ elde edilen ürün kütlesi. 1992’de Roger Sheldon tanımladı. Sektörlere göre tipik değerleri:
| Sektör | E-faktörü (kg atık / kg ürün) | Ne demek |
|---|---|---|
| Petrol rafinerisi | ~0,1 | 10 kg ürüne 1 kg atık |
| Toplu kimyasallar | <1 – 5 | 1 kg ürüne en çok birkaç kg atık |
| İnce kimyasallar | 5 – 50 | 1 kg ürüne 5–50 kg atık |
| İlaç sanayisi | 25 – 100 | 1 kg ilaca 25–100 kg atık |
Son satır atık önleme ilkesinin niçin var olduğunu tek başına anlatıyor: bir kutu ilacın arkasında, kütlece onlarca katı atık duruyor olabilir. (E-faktörü ders kitabında geçmiyor, eklendi.)
“Atom Ekonomisi: Ham maddenin daha verimli kullanılması, daha az yan ürün oluşturulması ve atık tasarrufu sağlanmasıdır.”
İlke sözle verilir; ölçülebilir hâli şudur (1991, Barry Trost):
% atom ekonomisi = istenen ürünün mol kütlesi ÷ bütün ürünlerin toplam mol kütlesi × 100
Yani şunu soruyor: tepkimeye soktuğum atomların yüzde kaçı istediğim ürünün içinde kaldı? Geri kalanı, tanım gereği, yan ürün, yani atık.
(Bağıntı ve Trost’un adı ders kitabında yok; 2. ilkeyi ölçülebilir kılmak için eklendi.)
“Hedeflediğim miktarın ne kadarını elde ettim?”
Tepkimenin ne kadar tamamlandığını ölçer. Kaybın sebebi tepkimenin yarım
kalması, ürünün kaybolması olabilir.
“Harcadığım atomların yüzde kaçı ürüne girdi?”
Tepkimenin denkleminden hesaplanır. Tepkime %100 verimle yürüse bile
atom ekonomisi düşük olabilir.
Neden önemli? Verimi yüksek bir tepkime “iyi” görünür ama atom ekonomisi düşükse her seferinde büyük bir kütle yan ürüne, yani atığa gidiyor demektir. Yeşil kimya ikinci soruyu sorar.
Bir tepkime türü seç. Solda girenlerin atomları, sağda o atomların nereye gittiği çizilir: ürüne giren atomlar renkli, yan ürüne (atığa) giden atomlar soluk. Altta o türün atom ekonomisi ölçüt çubuğunda görünür.
Ağrı kesici ibuprofenin klasik üretimi (Boots sentezi) altı basamaklıydı ve atom ekonomisi yaklaşık %40’tı — yani harcanan atomların %60’ı yan ürüne, atığa gidiyordu. BHC Company’nin geliştirdiği yeni sentez basamak sayısını üçe indirdi ve atom ekonomisini yaklaşık %77’ye çıkardı; oluşan yan ürün de geri kazanılıp yeniden kullanıldığı için toplam atom kullanımı %99’a yaklaştı.
Bu çalışma 1997’de Presidential Green Chemistry Challenge ödülünü aldı. Tek bir örnekte yeşil kimyanın dört ilkesi birden çalışıyor:
(Bu örnek ders kitabında geçmiyor; ilkelerin gerçek bir üretimde nasıl birlikte işlediğini göstermek için eklendi.)
“Yeşil kimya uygulamalarına rehberlik edecek ilkeler şu şekilde belirlenmiştir.”
Bu on iki ilke 1998’de Paul Anastas ve John Warner tarafından yayımlanmıştır ve o günden beri değişmemiştir. (İlkeleri kimin belirlediği ders kitabında yazmıyor, eklendi.)
Ders kitabının sırası ve tanımları. Üçüncü sütun, ilkenin nereye müdahale ettiğini söylüyor: girdi (ham madde, çözücü), süreç (tepkimenin kendisi) ya da çıktı (ürün ve atık). “atık”, “enerji”, “çözücü” aratabilirsin.
On iki ilke bir merkezin çevresine dizildi. Bir ilke seç: tanımı ve ilkenin süreçte hangi noktaya dokunduğu görünür.
3. Daha Az Tehlikeli Kimyasal Sentez: üretilen veya
kullanılan malzemenin toksik olmaması.
4. Daha Güvenli Kimyasallar Tasarlamak: istenen özellikleri koruyup
toksikliği tasarımla en aza indirmek.
1. Atık Önleme: sürecin sonundaki atık.
8. Yan Ürünlerin Azaltılması: tanımıyla “gereksiz işlemlerin
azaltılması veya yapılmaması” — yani ara basamakları kesmek. Basamak azalınca
yan ürün de azalır.
10. Bozunmanın Tasarımı: ürün işi bitince zararsız
bozunma ürünlerine dönüşsün, çevrede kalıcı olmasın.
11. Gerçek Zamanlı Kirlilik Analizi: süreç çalışırken izlensin,
sorun sonradan değil anında görülsün.
6. Enerji Verimliliği: doğrudan enerji tasarrufu
hedefler.
9. Kataliz: katalizör kullanarak enerji ihtiyacını düşürür, seçiciliği
artırır. Katalizör tepkimeden değişmeden çıktığı için az miktarda kullanılır
ve kendisi atık üretmez.
“Yeşil kimyanın ilkeleri sürdürülebilir kalkınma üzerinde de etkilidir. Sanayinin hızlı gelişmesi üretim ve tüketim artışına yol açmıştır. Bu hızlı üretim ve tüketim süreçleri zararlı olabilecek birçok endüstriyel atığı ortaya çıkarmıştır. Yeşil kimya, bu atıkların önlenmesi yönünde edindiği temel ilkelerle sürdürülebilir kalkınmanın 12. hedefi olan sorumlu tüketim ve üretim hedefine katkıda bulunur.”
“Bu ilkeyle şunlar hedeflenir:”
| Ölçüt | Klasik yaklaşım | Yeşil kimya yaklaşımı |
|---|---|---|
| Atığa bakış | Oluştuktan sonra arıtılır | Hiç oluşmayacak şekilde tasarlanır |
| Müdahale anı | Süreç bittikten sonra | Süreç tasarlanırken |
| Başarı ölçüsü | Verim | Verim + atom ekonomisi |
| Ham madde | Saf laboratuvar kimyasalı | Yenilenebilir kaynak, bitki özütü, evsel/sanayi atığı |
| Çözücü | Organik çözücü, bol miktarda | Gerekmedikçe hiç; gerekiyorsa su ya da süperkritik CO₂ |
| Yardımcı madde | Stokiyometrik (tepkimede tükenir) | Katalizör (değişmeden çıkar) |
| Ürünün ömür sonu | Düşünülmez | Zararsız bozunma ürünlerine dönüşmesi tasarlanır |
| Kirlilik takibi | Sonradan ölçüm | Gerçek zamanlı izleme |
Tablodaki süperkritik CO₂ ve su, 5. ilkenin sanayideki karşılıklarıdır: süperkritik CO₂ kuru temizlemede ve kahvenin kafeininin alınmasında kullanılan, klorlu çözücülerin yerini alan bilinen bir yöntemdir. (Çözücü örnekleri ders kitabında geçmiyor, eklendi.)
“Gümüş nanoparçacıklar (AgNP) mikroorganizmaları öldürme veya bunların büyümelerini durdurma (inhibe etme) özelliğinden dolayı sağlık alanında kullanılmaktadır. Örneğin AgNP emdirilmiş yara bantları, yarada bakteri üremesini engelleyerek yara enfeksiyonunu azaltır. Ancak bu yara bandının etkili bir şekilde çalışabilmesi için yarayla doğrudan temas hâlinde olması gerekir. Nanoparçacıkların yüksek yüzey alanı/hacim oranı, yüzeyin daha fazlasının kimyasal tepkimeye girmesine olanak tanır. Bu durumda nanoparçacıkların özelliklerinin daha etkili olmasını sağlar.”
| Grup | Kullanılan maddeler ve miktarları | Elde edilen AgNP boyutu | İndirgen türü |
|---|---|---|---|
| 1 | 20 mL gümüş nitrat + 2 mL sodyum sitrat | 18 nm | Laboratuvar kimyasalı |
| 2 | 50 mL gümüş nitrat + 125 mL üzüm bitkisi yaprak özütü | 16 nm | Bitki özütü |
| 3 | 50 mL gümüş nitrat + 150 mL üzüm bitkisi yaprak özütü | 14 nm (en küçük) | Bitki özütü |
| 4 | 10 mL gümüş nitrat + 25 mL sodyum borhidrür | 20 nm | Laboratuvar kimyasalı |
| 5 | 10 mL gümüş nitrat + 20 mL sodyum borhidrür | 21 nm (en büyük) | Laboratuvar kimyasalı |
| 6 | 25 mL gümüş nitrat + 5 mL nar kabuğu özütü | 19 nm | Bitki özütü |
Son sütun ders kitabında yok; soruların cevabını görünür kılmak için eklendi.
Altı grubun elde ettiği AgNP boyutları ve bunların yüzey alanı/hacim oranı. Bir grup seç: çubuk grafikte o grubun boyutu ve göreli yüzey/hacim oranı vurgulanır. En küçük parçacığı elde eden grup, en yüksek orana ve dolayısıyla en güçlü antibakteriyel etkiye sahiptir.
1) “Daha güvenli kimyasallar tasarlama” ilkesine uygun deneyi hangi gruplar yapmıştır?
Cevap: 2, 3 ve 6. gruplar. Bu üç grup indirgen olarak bitki özütü (üzüm yaprağı, nar kabuğu) kullanmış; 1. grup sodyum sitrat, 4 ve 5. gruplar sodyum borhidrür kullanmıştır. Sodyum borhidrür tehlikeli bir laboratuvar kimyasalıdır — suyla temas ettiğinde yanıcı hidrojen gazı çıkarır. Bitki özütü ise doğal, toksik olmayan bir indirgendir.
2) En fazla %75 bakteri inhibe edilmişse hangi grubun AgNP’si eklenmiştir? Oranı artırmak için ne yapmalı?
Cevap: En düşük etkiyi en büyük parçacık verir; tablodaki en büyük AgNP 5. grubunkidir (21 nm). Oranı artırmak için grubun daha küçük parçacık elde etmesi gerekir — çünkü parçacık küçüldükçe yüzey alanı/hacim oranı artar ve “yüzeyin daha fazlası kimyasal tepkimeye girer”.
3) 1, 2, 4 ve 6. grupların yara bantlarında ölçülen inhibisyon bölgeleri 22 mm, 16 mm, 10 mm ve 6 mm ise hangisi kime aittir?
Cevap: Bölge ne kadar genişse etki o kadar güçlüdür; en güçlü etkiyi en küçük parçacık verir. Dört grubun boyutları: 2. grup 16 nm (en küçük), 1. grup 18 nm, 6. grup 19 nm, 4. grup 20 nm (en büyük). Buna göre 22 mm → 2. grup, 16 mm → 1. grup, 10 mm → 6. grup, 6 mm → 4. grup.
(Ders kitabı üç soruyu da soruyor, cevap anahtarı vermiyor. Cevapların tamamı kendi metnindeki “yüksek yüzey alanı/hacim oranı → daha etkili” cümlesinden ve tablonun kendi sayılarından çıkarıldı.)
Karışık sırayla gelen somut durumlar. Her birinde hangi yeşil kimya ilkesinin çalıştığını bulacaksın; cevaptan sonra ders kitabının kendi tanımı çıkıyor.
Kahvaltıda soyduğun portakalın kabuğu, Etkinlik 3.5’te gümüş nanoparçacık sentezinin ham maddesi. Limon kabuğu, kivi kabuğu, kuru yemiş kabuğu da öyle. Çöpe giden şey birinin laboratuvarında satın alınması gereken kimyasalın yerini alıyor. Atık önlemenin en somut hâli bu.
Kâğıt, plastik, cam ayrı kutulara giriyor. Ama hiyerarşide geri dönüşüm dördüncü sırada — üçünün üstünde önleme, azaltma, yeniden kullanım var. Yani su şişesini geri dönüşüme atmak iyi; her gün yeni şişe almak yerine matara taşımak daha iyi. Yeşil kimyanın 1. ilkesi tam olarak bunu söylüyor.
Antrenmandan sonra içtiğin ibuprofen, atom ekonomisi %40’tan %77’ye çıkarılan bir süreçle üretiliyor. Kutudaki 200 mg etken maddenin arkasında eskiden çok daha büyük bir atık kütlesi vardı. Bir tepkimeyi yeniden tasarlamak sadece “çevreci” değil, daha ucuz da.
Kafeini alınmış kahvenin bir kısmı süperkritik CO₂ ile üretiliyor: yüksek basınç altında sıvı gibi davranan karbondioksit kafeini çekiyor, sonra basınç düşürülünce gaz olup gidiyor — geriye çözücü kalmıyor. Bu, 5. ilkenin (“daha güvenli çözücüler”) günlük hayattaki karşılığı.
“Düşük sıcaklıkta yıkar” yazan deterjanlar enzim içeriyor; enzim, canlıların katalizörü. 6. ve 9. ilkeler burada birlikte çalışıyor: katalizör sayesinde aynı iş 60 °C yerine 30 °C’ta oluyor ve enerji tüketimi düşüyor.
Eczaneden aldığın “antibakteriyel” yara bandındaki gümüş nanoparçacıklar Kontrol Noktası 3.1’in konusu. Bandın işe yaraması için yarayla doğrudan temas etmesi gerekiyor — çünkü etki, parçacığın yüzeyinde oluyor.
“Doğada çözünür” yazan bardaklar 10. ilkenin (bozunmanın tasarımı) örneği: ürün, işi bitince zararsız bozunma ürünlerine dönüşecek şekilde tasarlanmış. Ama dikkat — hiyerarşide bu bile önlemenin altında: en iyisi kendi bardağını kullanmak.
Öğretmenin deneyi büyük behergals yerine damlalık ve mikro plaka ile yaptırıyorsa bu bir tercih değil, yeşil kimya uygulaması: daha az kimyasal, daha az atık, daha az risk. Nanolab bölümündeki mantığın sınıftaki hâli.
Üç soru: (1) Soru atığı azaltmaktan mı bahsediyor? → 1. ilke. (2) Atomların ürüne girme oranı mı? → 2. ilke (atom ekonomisi). (3) Katalizör, çözücü, enerji geçiyor mu? → sırasıyla 9, 5 ve 6. ilke. Ve tuzak: verim ile atom ekonomisi aynı şey değildir.
47 soruluk test · yeşil kimyanın tanımı, on iki ilkenin adları ve tanımları, atom ekonomisi hesabı ve verimden farkı, atık yönetimi hiyerarşisi ve Kontrol Noktası 3.1’in altı gruplu tablosu
Yeşil kimya: zararlı maddelerin kullanımını ve oluşumunu azaltmak için
kimyasal işlemler tasarlamayı ve yürütmeyi amaçlayan yaklaşım.
Yeşil sentez: metal iyonların dışındaki tüm kimyasalların yerini doğadan
elde edilen malzemeler, evsel atıklar, endüstri/sanayi atıklarının almasıdır.
İlkeler 1998’de Anastas ve Warner tarafından yayımlanmıştır.
“Kimyasal bir süreç sonucunda atık oluşumunun en aza indirilmesi ve/veya yok
edilmesidir.”
Neden birinci? Atık yönetimi hiyerarşisi: önleme → azaltma → yeniden kullanım →
geri dönüşüm → geri kazanım → bertaraf. Aşağı indikçe maliyet ve çevresel yük
artar; arıtma bile kendi atığını (arıtma çamuru) üretir.
“Ham maddenin daha verimli kullanılması, daha az yan ürün oluşturulması ve atık
tasarrufu sağlanmasıdır.”
% atom ekonomisi = (istenen ürünün mol kütlesi ÷ bütün ürünlerin toplam mol
kütlesi) × 100
Katılma tepkimesinde %100; yer değiştirme ve ayrışmada daha düşük.
Verim ≠ atom ekonomisi: verim tepkimenin ne kadar tamamlandığını, atom
ekonomisi atomların yüzde kaçının ürüne girdiğini ölçer.
1 Atık önleme · 2 Atom ekonomisi · 3 Daha az tehlikeli kimyasal sentez · 4 Daha güvenli kimyasallar tasarlamak · 5 Daha güvenli çözücüler ve yardımcı maddeler · 6 Enerji verimliliği için tasarım · 7 Yenilenebilir ham maddelerle daha yeşil sentezler · 8 Yan ürünlerin azaltılması · 9 Kataliz · 10 Bozunmanın tasarımı · 11 Gerçek zamanlı kirlilik analizi · 12 Kazanın önlenmesi ve daha güvenli bir kimya.
Yeşil kimya, sürdürülebilir kalkınmanın 12. hedefi olan sorumlu tüketim ve
üretim hedefine katkıda bulunur.
Hedefler: doğal kaynakların etkin kullanımı · atık üretiminin önlenmesi, yeniden
kullanım ve geri kazanımla azaltılması · ülke kaynaklarının sürdürülebilir kullanımı ·
kimyasal ve atıkların çevre dostu yönetimi · sürdürülebilir kalkınma bilincinin
artırılması.
AgNP mikroorganizmaları öldürür veya büyümelerini durdurur (inhibe eder).
Yara bandının etkili olması için yarayla doğrudan temas gerekir.
Yüksek yüzey alanı/hacim oranı → yüzeyin daha fazlası tepkimeye girer → etki
daha güçlü.
Altı grubun AgNP boyutları: 1) 18 · 2) 16 · 3) 14 · 4) 20 ·
5) 21 · 6) 19 nm. Bitki özütü kullananlar: 2, 3 ve 6.