کوشش ها و دستاوردهاي شيمي سبز

شيميدان هاي سبز در پي آن هستند که روندهاي شيميايي سالم تري را جايگزين روندهاي کنوني کنند يا با جايگزين کردن مواد اوليه سالم تر يا انجام دادن واکنش ها در شرايط ايمن تر، فرآورده هاي سالم تري را به جامعه هديه دهند. برخي از آنها مي کوشند شيمي را به زيست شيمي نزديک کنند، چرا که واکنش هاي زيست شيميايي طي ميليون ها سال رخ داده اند و چه براي آدمي و چه براي محيط زيست، چالش هاي نگران کننده به وجود نياورده اند. بسياري از اين واکنش ها در شرايط طبيعي رخ مي دهند و به دما و فشار بالانياز ندارند. فرآورده هاي آنها نيز به آساني به چرخه مواد بازمي گردند و فرآورده هاي جانبي آنها براي جانداران سودمند هستند. الگوبرداري از اين واکنش ها مي تواند چالش هاي بهداشتي و زيست محيطي کنوني را کاهش دهد. گروه ديگري از شيميدان هاي سبز مي کوشند بهره وري اتمي را افزايش دهند. طي يک واکنش شيميايي شماري اتم آغازگر واکنش هستند و در پايان بيشتر واکنش ها با فرآورده هايي روبه رو هستيم که شمار اتم هاي آنها از شمار همه اتم هاي آغازين بسيار کمتر است. بي گمان آن اتم ها نابود نشده اند، بلکه در ساختمان فرآورده هاي بيهوده و اغلب آسيب رسان به طبيعت رها مي شوند و سلامت آدمي و ديگر جانداران را به چالش مي کشند. هر چه بتوانيم اتم هاي بيشتري در فرآورده ها بگنجانيم، هم به سلامت خود و محيط زيست کمک کرده ايم و هم از هدر رفتن اتم هايي که به عنوان مواد اوليه براي آنها پول پرداخت کرده ايم، پيشگيري مي کنيم. بازطراحي واکنش هاي شيميايي نيز راهکار سودمند ديگري براي پيشگيري از پيامدهاي ناگوار مواد شيميايي است. در اين بازطراحي ها از مواد آغازگر سالم تر بهره مي گيرند يا روندهايي را طراحي مي کنند که با واکنش هاي مرحله يي کمتر به فرآورده برسند. همچنين، روندهايي را طراحي مي کنند که به مواد کمکي کمتر، به ويژه حلال هاي شيميايي، نياز دارند. گاهي نيز واکنش هاي زيست شيمي و شيمي را به هم گره مي زنند و روند سالم تر و کارآمدتري را مي آفرينند. بازطراحي روند داروها مي تواند همراه با افزايش کارآمدي آنها به هر چه سالم تر شدن آنها بينجامد و اثرهاي جانبي آنها بر روندهاي زيست شناختي بدن را تا جايي که امکان دارد، کاهش دهد. در ادامه به نمونه هايي از کوشش ها و دستاوردهاي شيميدان هاي سبز اشاره مي شود.

شيميدان هاي سبز در پي آن هستند که روندهاي شيميايي سالم تري را جايگزين روندهاي کنوني کنند يا با جايگزين کردن مواد اوليه سالم تر يا انجام دادن واکنش ها در شرايط ايمن تر، فرآورده هاي سالم تري را به جامعه هديه دهند. برخي از آنها مي کوشند شيمي را به زيست شيمي نزديک کنند، چرا که واکنش هاي زيست شيميايي طي ميليون ها سال رخ داده اند و چه براي آدمي و چه براي محيط زيست، چالش هاي نگران کننده به وجود نياورده اند. بسياري از اين واکنش ها در شرايط طبيعي رخ مي دهند و به دما و فشار بالانياز ندارند. فرآورده هاي آنها نيز به آساني به چرخه مواد بازمي گردند و فرآورده هاي جانبي آنها براي جانداران سودمند هستند. الگوبرداري از اين واکنش ها مي تواند چالش هاي بهداشتي و زيست محيطي کنوني را کاهش دهد. گروه ديگري از شيميدان هاي سبز مي کوشند بهره وري اتمي را افزايش دهند. طي يک واکنش شيميايي شماري اتم آغازگر واکنش هستند و در پايان بيشتر واکنش ها با فرآورده هايي روبه رو هستيم که شمار اتم هاي آنها از شمار همه اتم هاي آغازين بسيار کمتر است. بي گمان آن اتم ها نابود نشده اند، بلکه در ساختمان فرآورده هاي بيهوده و اغلب آسيب رسان به طبيعت رها مي شوند و سلامت آدمي و ديگر جانداران را به چالش مي کشند. هر چه بتوانيم اتم هاي بيشتري در فرآورده ها بگنجانيم، هم به سلامت خود و محيط زيست کمک کرده ايم و هم از هدر رفتن اتم هايي که به عنوان مواد اوليه براي آنها پول پرداخت کرده ايم، پيشگيري مي کنيم. بازطراحي واکنش هاي شيميايي نيز راهکار سودمند ديگري براي پيشگيري از پيامدهاي ناگوار مواد شيميايي است. در اين بازطراحي ها از مواد آغازگر سالم تر بهره مي گيرند يا روندهايي را طراحي مي کنند که با واکنش هاي مرحله يي کمتر به فرآورده برسند. همچنين، روندهايي را طراحي مي کنند که به مواد کمکي کمتر، به ويژه حلال هاي شيميايي، نياز دارند. گاهي نيز واکنش هاي زيست شيمي و شيمي را به هم گره مي زنند و روند سالم تر و کارآمدتري را مي آفرينند. بازطراحي روند داروها مي تواند همراه با افزايش کارآمدي آنها به هر چه سالم تر شدن آنها بينجامد و اثرهاي جانبي آنها بر روندهاي زيست شناختي بدن را تا جايي که امکان دارد، کاهش دهد. در ادامه به نمونه هايي از کوشش ها و دستاوردهاي شيميدان هاي سبز اشاره مي شود.

ب- پلاستيک هاي سبز و تجزيه پذير: زندگي در جهاني بدون پلاستيک بسيار دشوار است. پلاستيک ها در توليد هر گونه فرآورده صنعتي، از صنعت خودروسازي گرفته تا دنياي پزشکي، به کارگرفته شده اند. تنها در ايالات متحده امريکا سالانه نزديک 50 ميليون تن پلاستيک توليد مي شود. اما اين مواد به عنوان زباله هاي پايدار به تجزيه ميکروبي، چالش هاي زيست محيطي پيچيده يي به بار آورده اند. پلاستيک ها علاوه بر اينکه جاهاي به خاک سپاري زباله را پر کرده اند، سالانه در حجمي برابر با چند هزار تن به محيط هاي دريايي وارد مي شوند. برآورد شده است که هر سال يک ميليون جانور دريايي به دليل خفگي حاصل از خوردن پلاستيک ها به عنوان غذا يا به دام افتادن در زباله هاي پلاستيکي از بين مي روند. در سال هاي اخير، کوشش هاي قانوني براي جلوگيري از دورريزي پلاستيک هاي تجزيه ناشدني، افزايش يافته است. اين کوشش ها صنعتگران پلاستيک را واداشته است تا در پي پلاستيک هايي باشند که پيامدهاي زيست محيطي کمتري دارند. پلاستيک هاي نشاسته يي تجزيه پذير و پلاستيک هاي ميکروبي از دستاورد کوشش هاي چند ساله پژوهشگران اين زمينه در حال پيشرفت و گسترش است.

    در پلاستيک هاي نشاسته يي، قطعه هاي کوتاهي از پلي اتيلن با مولکول هاي نشاسته به هم مي پيوندند. هنگامي که اين پلاستيک ها در جاهاي به خاک سپاري زباله ها، دور ريخته مي شود، باکتري هاي خاک به مولکول هاي نشاسته يورش مي برند و قطعه هاي پلي اتيلن را براي تجزيه ميکروبي رها مي سازند. اين گونه پلاستيک ها اکنون در بازار وجود دارند و به ويژه براي جابه جايي و نگهداري مواد غذايي و ديگر وسايل يکبار مصرف بسيار سودمند هستند. با اين همه، کمبود اکسيژن در جاهاي به خاک سپاري زباله ها و اثر مهاري قطعه هاي پلي اتيلن بر عملکرد باکتري ها، بهره گيري از اين پلاستيک ها را محدود ساخته است. در سال 1925 ميلادي گروهي از دانشمندان کشف کردند که گونه هاي زيادي از باکتري ها، بسپار «پلي بي هيدروکسي بوتيرات» )PHB( مي سازند و از آن به عنوان اندوخته غذايي خود بهره مي گيرند. در دهه 1970، پژوهش ها نشان داد که PHB بسياري از ويژگي هاي پلاستيک هاي نفتي )مانند پلي اتيلن( را دارد. از اين رو، کم کم گفت و شنود پيرامون بهره گيري از اين بسپار به عنوان جايگزيني مناسب براي پلاستيک هاي تجزيه ناپذير کنوني آغاز شد. سپس در سال 1992، گروهي از پژوهشگران ژن هاي درگير در ساختن اين بسپار را به گياه رشادي )Arabidopsis thaliana( وارد کردند و به اين ترتيب گياهي پديد آوردند که پلاستيک توليد مي کند. سال پس از آن، توليد اين پلاستيک سبز در گياه ذرت آغاز شد و براي اينکه توليد پلاستيک با توليد مواد غذايي رقابت نکند، پژوهشگران بخش هايي از گياه ذرت )برگ ها و ساقه ها( را که به طور معمول برداشت نمي شوند، هدف قرار دادند. پرورش پلاستيک در اين بخش ها به کشاورزان امکان مي دهد که پس از برداشت دانه هاي ذرت، زمين را براي برداشت ساقه ها و برگ هاي داراي پلاستيک درو کنند. پژوهشگران درباره افزايش مقدار پلاستيک در گياهان، پيشرفت هاي چشمگيري داشته اند. با اين همه، هنوز دشواري هايي براي رسيدن به نتيجه مناسب وجود دارد .

 الف- سوخت هاي جايگزين: به کارگيري سوخت هاي فسيلي در خودروها با رها شدن انبوهي از گازهاي گلخانه به جو همراه شده که دگرگوني هاي آب و هوايي را در پي داشته است. از سوختن نادرست آنها نيز، مواد زهرآگيني به هوا آزاد شده که سلامتي آدمي را به چالش کشيده است. حتي اگر بتوانيم بر اين دو چالش بزرگ پيروز شويم، با کاهش روزافزون اندوخته هاي فسيلي روبه رو هستيم که از آن گريزي نيست. اين تنگناها همراه با افزايش روزافزون بهاي اين گونه سوخت ها، که به نظر مي رسد همچنان ادامه يابد، پژوهشگران و مهندسان بسياري را به فکر طراحي خودروهايي با سوخت هيدروژن انداخته است، چرا که خاستگاه اين سوخت، آب است که فراوان ترين ماده در طبيعت است و فرآورده سوختن اين سوخت در خودرو نيز خود آب است. با اين همه، سوخت هيدروژن با چالش بزرگي رو به رو است. فراهم آوردن هيدروژن از آب با فرآيند الکتروليز انجام مي شود که براي پيشبرد آن به الکتريسيته نياز هست و اکنون نيز بيشتر الکتريسيته از سوختن اندوخته هاي فسيلي به دست مي آيد. شايد روزي با به کاربردن برخي کاتاليزگرها بتوانيم از انرژي خورشيدي به جاي سوخت هاي فسيلي در پيش بردن روند الکتروليز بهره گيريم، اما هنوز راهکار کارآمدي براي توليد ارزان هيدروژن پيشنهاد نشده است و به نظر نمي رسد در آينده يي نزديک به چنين تواني دست پيدا کنيم. با اين همه، برخي دانشمندان اميدوارند بتوانند خاستگاه زيستي براي هيدروژن به وجود آورند. گروهي از پژوهشگران در سال 2000 ميلادي گزارش کردند که توانسته اند از جلبک هاي سبز براي آزاد کردن هيدروژن از مولکول هاي آب، به همان اندازه که از الکتروليز به دست مي آيد، بهره گيرند. اما نور خورشيد براي اين رويکرد گرفتاري درست مي کند، چرا که جلبک طي فرآيند فتوسنتز اکسيژن نيز توليد مي کند. اين اکسيژن از کار آنزيم توليدکننده هيدروژن جلوگيري مي کند و در نتيجه هيدروژن اندکي به دست مي آيد. در رويکرد ديگر که مورد توجه است، از روغن هاي گياهي به عنوان خاستگاهي براي تهيه سوخت جايگزين بهره مي گيرند. براي تهيه اين نوع سوخت که با عنوان بيوديزل شناخته مي شود، پس مانده روغن آشپزي را نيز مي توان به کار گرفت. هر چند از سوختن اين نوع سوخت نيز مانند ديگر سوخت هاي فسيلي گاز گلخانه آزاد مي شود، اما به اندازه يي توليد مي شود که گياهان طي فرآيند فتوسنتز آن را براي توليد قند به کار مي گيرند. از سوي ديگر، روغن ها گياهي نوشدني هستند و از سوختن آنها گوگرد و آلاينده هاي آسيب رسان ديگري آزاد نمي شود .

    ج- بازطراحي واکنش هاي شيميايي: در روند بازطراحي واکنش هاي شيميايي از واکنشگرهاي آغازکننده يي بهره گرفته مي شود که سالم ترند. در اين راه ممکن است روندهاي زيست شيميايي نيز سودمند باشند. براي مثال، اديپيک اسيد، HOOC)CH2(4COOH يک ماده خام کليدي در توليد نايلون و فرآورده هاي مانند آن است که سالانه بيش از 2 ميليون تن از آن در صنعت به کار گرفته مي شود. اين ماده از بنزن ساخته مي شود که سرطان زا است و از اندوخته هاي فسيلي نونشدني به دست مي آيد. اما به تازگي دو شيميدان توانسته اند اين ماده را از يکي از فراوان ترين، سالم ترين و نوشدني ترين مواد طبيعي يعني گلوکز بسازند. آنها در اين راه از باکتري هايي کمک گرفتند که با مهندسي ژنتيک آنزيم ويژه يي در آنها کار گذاشته شده بود و به ناچار طي يک روند زيست شيميايي ناخواسته، بنزن را از گلوکز مي سازند. توجه به اقتصاد اتم نيز کمک زيادي مي کند. براي مثال، پژوهشگران توانسته اند اقتصاد اتمي را در روند توليد ايبوپروفن، ترکيبي که در بسياري از آرامش بخش ها به کار مي رود، از 40 درصد به 77 درصد برسانند و اين يعني اتم هاي بيشتري که شرکت داروسازي براي آنها هزينه پرداخته است، به صورت مولکول پرفروشي در مي آيند و فرآورده هاي بيهوده که مي توانند به محيط زيست آسيب برسانند، کمتر توليد مي شوند.

متخصصان علم مواد تلاش مي کنند از اين مواد براي سختي بخشيدن به چندسازه هاي ساختگي)مصنوعي( بهره گيرند تا از پيامدهاي زيست محيطي ناگوار ناشي از مواد ساختگي بکاهند. انويرون ) environ ( نمونه يي از اين چندسازه ها است که از 40 درصد کاغذ روزنامه، 40 درصد گرد سويا و 20 درصد ترکيب هاي ديگر )از جمله رنگ دهنده ها و کاتاليزگري که در حضور آب کارا مي شود و گرد سويا را به رزين دگرگونه مي کند( ساخته مي شود. فرآورده کار، يک چندسازه زيستي است که ظاهري سنگ مانند دارد، اما مانند چوب مي توان آن را بريد. از اين چندسازه مي توان هر نوع ابزار چوبي را با ظاهري سنگ مانند ساخت.

نمونه هايي از دستاوردهاي شيميدانهاي سبز به شرح زير مي باشد :

1- سوخت هاي جايگزين سوختهاي فسيلي

2- تهيه پلاستيك هاي سبز و تجزيه پذير

3- باز طراحي واكنش هاي شيميايي

4- چند سازه هاي زيستي

نظر به اهميت حفظ محيط زيست از ضايعات مواد پليمري و ضرورت پرداختن به تحقيقات مرتبط با كاهش خطرات زيانبار آلودگي هاي ناشي از اين مواد در پژوهشگاه پليمر و پتروشيمي ايران ، كميته ايي بنام كميته ي سبر در اين پژوهشگاه تاسيس نموده است اهداف كلي خود را به صورت زير تدوين نموده است :

1- پيگيري و اجراي پروژه هاي بازيافت مواد پليمري

2- پيگيري واجزاي پروژ ه هاي پليمرهاي زيست تخريب پذير

3- تقويت نگرش پاسخگو بودن در برابر مسايل زيست محيطي

4- آشنا كردن دانشجويان با مسايل توسعه پايدار و حفاظت محيط زيست

5- بررسي و امكان جايگزيني حلال هاي آلي با آب در محصولات پليمري

6- كمك به تدوين استانداردهاي زيست محيطي

با توجه به اهداف فوق پروژه هاي سبز آغاز شد و با تلاش مستمر و پيگير شيميدانهاي سبز كشورمان به نتايج زير رسيديم اميد آن ميرود كه اين فعاليتها مستمر و مداوم بوده تا در پاكيزگي اين كره خاكي ، زمين قدمي برداشته باشيم .

- بالا بردن استحكام كيسه هاي پلاستيكي تهيه شده از ضايعات

- بازيابي مخلوط ضايعات پلي اتيلن ،پلي پروبيلن وپلي وينيل كلرايد به همراه كاغذ

- بازيابي و ساخت فيلمهاي راديولوژي

- بررسي و جايگزين آزبست (پشم شيشه ) با الياف پلميري در كامپيوزيستهاي سيمان

- بازيافت ضايعات PET ( بطريهاي نوشابه)

- بررسي مهاجرت افزودنيها ، پلاستيكهاي بسته بندي رايج در مواد غذايي دارويي

- بهينه سازي و استخراج و تهيه كينين و كيتوسان از پوست ميگو

- تهيه و ساخت ايميلنت بر پايه مرجان دريايي مورد استفاده در جراحي هاي ارتوپدي

- فرمولاسيون و تهيه پلي اتيلن زيست تخريب پذير بر پايه نشاسته .

باز طراحي و روندهاي شيميايي فرصت هاي تازه و بي شماري براي شيميدانها بوجود آورده است و هر شيميداني مي تواند به طراحي هر يك از واكنش هاي شناخته شده اي كه سالها در كارخانه ها يا آزمايشگاه هاي دانشگاه بكار گرفته مي شد ، در راستاي سالم كردن آن و كاهش هزينه ها و افزايش كار آمدي و بازده بپردازد . از اين رو به نظر مي رسد فرصتهايي كه براي شيميدانها طي تاريخ دراز و كهن اين دانش فراهم شده ، اكنون بار ديگر براي شيميدانهاي امروزي فراهم  شده است تا با ويرايش آن چه آنان در تاريخ شيمي به يادگار گذاشته اند ، يادگارهاي سالم تري باري آيندگان بر جاي گذارند .

در اين پژوهش اثرات عوامل محيطي شامل ارتفاع از سطح دريا، شيب و تيپ خاك بر ضرايب بيومتري الياف چوب راش ايران (Fagus Orientais. Lipsky)، به منظور تسهيل پيش بيني كاربردهاي آن مورد مطالعه قرار گرفت. در اين راستا در يك ناحيه جغرافيايي (جنگل هاي حوزه 48 گلندرود)، شش رويشگاه با سه ارتفاع متفاوت از سطح دريا (700 و 1000 و 1500 متر) انتخاب شد و خصوصيات هر منطقه شامل مشخصات خاك، جهت جغرافيايي، درصد شيب و شرايط اقليمي تعيين گرديد. در هر منطقه از 10 درخت سالم و نزديك به هم توسط مته سنج در ارتفاع برابر سينه يك نمونه تهيه و براي تعيين مشخصه هاي الياف به آزمايشگاه منتقل گرديد. نمونه هاي تهيه شده به روش فرانكلين (1938)، وابري شده و در هر نمونه تعداد 30 فيبر سالم مورد بررسي قرار گرفت و مقادير طول الياف، ضخامت ديواره و قطر حفره تعيين گرديد. متعاقبا آزمون تجزيه واريانس با در نظرگرفتن ارتفاع از سطح دريا و نوع خاك منطقه با عنوان عامل متغير انجام شد. نتايج حاكي از تاثير معني داري ارتفاع از سطح دريا بر ضخامت الياف بود، به طوري كه حداكثر ضخامت الياف در هر دو منطقه مورد بررسي در ارتفاع 700 متري مشاهده گرديد. در اين بررسي شواهد كافي براي اثبات رابطه معني دار بين عوامل محيطي و ساير ضرايب بيومتري الياف يافت نشد.

اثر الياف پالايشي مكانيكي (RMP) چوب صنوبر و الياف كارتن كهنه (OCC) در چهار سطح افزودن 10، 20، 30 و 40 درصد و اثر سه سطح درجه حرارت مخلوط سازي 180، 190 و 200 سانتي گراد در چند سازه الياف چوب/پلي پروپيلن مورد بررسي قرار گرفت. در تمام تركيب ها از انيدريد مالييك به مقدار 2درصد به عنوان سازگار كننده و دي كوميل پر اكسايد به مقدار 0.1درصد به عنوان شروع كننده واكنش استفاده شد. نتايج نشان داده است كه الياف صنوبر مقاومت به ضربه فاقدار(Izod) ، مقاومت و مدول الاستيسيته كششي و خمشي زيادتر و درصد ازدياد طولي كمتري نسبت به الياف كارتن كهنه به وجود آورده اند. مقدار بهبودي ويژگي هاي مكانيكي بستگي به زياد شدن درصد وزني الياف داشته است. زياد شدن مقدار الياف باعث افزايش مقاومت و مدول الاستيسيته كششي و خمشي شده و مقاومت به ضربه فاقدار و درصد ازدياد طولي را كاهش داده است. مقاومت و مدول الاستيسيته كششي و خمشي و مقاومت به ضربه فاقدار درحرارت مخلوط سازي 190 درجه سانتيگراد زيادتر بوده و درصد ازدياد طولي در 180 درجه سانتيگراد كمتر بوده است .