Sürdürülebilirlikte Yeşil Kimya ve 12 İlkesi
Sanayi devriminden bu yana baskın model olan doğrusal ekonomi “Al-işle-kullan-at” süreciyle süregelmiştir. Bu durum doğal kaynakların hızla tükenmesine ve atıkların çoğalmasına neden olmaktadır. Bu sürdürülebilir bir durum değildir [1]. Ayrıca iklim değişikliğini tetikleyen antropojenik (insan kaynaklı) CO2 salımları (emisyonları), bu süreçte daha çok ortaya çıkmaktadır. Endüstrileşmenin başlamasından önce bu salımlar, yılda birkaç milyon ton civarında olan geleneksel biyokütle yakmalarından kaynaklanıyordu. Bu görece küçük miktar, 19. yüzyılın sonuna kadar 1 milyarın altında kalan Dünya nüfusunu için normaldi. Ancak 20. yüzyılın başında her şey değişmişti. Kömür tabanlı enerji, endüstrileşmeyi ve ekonomik büyümeyi hızlandırırken Avrupa ve Kuzey Amerika’da gelişim ve refah için yeni fırsatlar yaratmış, 1920’lerde petrol rafinasyonunun icadıyla bu fırsatlar daha da artmıştır [2].
İki kritik keşifle beraber ölümler azalmış ve Dünya nüfusu hızla artmaya başlamıştır. Bu buluşlar: 1921’de Alexander Fleming, tesadüfen lizozim adlı ilk antibiyotik proteini keşfetmesi ve Carl Bosch ve Alwin Mittasch, Nobel ödüllü Fritz Haber’in kimyasal süreçlerini geliştirerek gübre elde etmesidir. Nüfus ve yaşam kalitesindeki bu yüksek artış, neredeyse tamamı fosil yakıtlardan elde edilen enerji kullanımıyla 2020’de 35 milyar ton CO2 salımına yol açmıştır. Şekil 1’de bu salımın 1850 ve 2020 yılları arasındaki ani artışı görülmektedir [2].
Şekil 1. CO2 salımının yıllara göre artışı [2].
219 ülkede yapılan bir katı atık yönetimi incelemesinde hem gelişmiş hem de gelişmemiş ülkelerde baskın katı atık yönetimi uygulamasının hâlâ depolama alanına atık dökme olduğunu göstermektedir. Katı atıkların çöp sahalarında uygun şekilde yönetilmediğinde, toprak, hava, su kalitesi ve insan sağlığı üzerinde önemli bir olumsuz etkisi olduğu bilinmektedir. Kimyasal atıkların Bhopal (Hindistan) şehrinde thalidomid nedenli doğum kusurlarına veya Bangladeş’te arsenik içeren yeraltı suyu ile kontamine olan sığ kuyu suyu delme durumlarında istenmeyen biyoaktivite ve ekotoksisiteye neden olduğu saptanmıştır. Kent kaynaklı katı atıklar, küresel sera gazı salımlarına katkıda bulunan dördüncü büyük etmendir. Yine önemli sera gazı nedeni olan CH4 salımının da %5,5-6,4’ünden sorumludur. Döngüsel ekonomi, atık yönetimiyle ilgili olarak atık hiyerarşi sistemini kullanır (AB Direktifi 2008/98/EC). Hiyerarşi, atıkların (1) önlenmesi, (2) yeniden kullanıma hazırlanması, (3) geri dönüşüm, (4) enerji geri kazanımı ve (5) imha işlemleriyle ele alınmasını önceliklendirir. Bu strateji, çevresel korumayı teşvik etmeye ve değerli malzemeleri ekonomiye geri kazandırmaya yardımcı olur. Öte yandan, yeşil kimyanın ilk ilkesi atık minimizasyonudur ve bu, bir malzemenin hayatının üç ana aşaması olan üretim, kullanım ve atılma aşamalarının her biri göz önüne alınarak yapılır. Yeşil kimya, atığın üretim aşamasında nasıl önlenmesi gerektiğine vurgu yaparken, kullanım ve atık aşamalarında etkili müdahaleler de gerçekleştirilebilir. Bu çerçevede, ürün “yaşam döngüsü analizi” adlı kullanışlı bir araç bulunmaktadır. Bu analiz, bir ürünün çevresel etkilerini değerlendirmek için kullanılır. Ayrıca bir ürünün ham madde kaynağından (atık besleme) kullanım ömrü sonuna kadar kapsamlı bir görünüm de sağlayabilir. Böylece, döngüsel ekonomi ve yeşil kimyanın beraber ilerlemesi izlenebilir [1].
Yeşil kimya, yeni ürün ve malzemelerin tasarımı için moleküler senteze odaklanır. Daha güvenli, daha az toksik kimyasalların ve kimyasal süreçlerin tasarımı ve yenilenebilir besleme kaynaklarının kullanımını destekler. Bu durum, atık yönetimi ve yeni ürün tasarımındaki ekonomik potansiyelini ortaya çıkarma noktasında kilit rol oynar. Yeşil kimya güvenli ve sürdürülebilir bir döngüsel ekonominin temelini oluşturur. Yeşil kimyanın sürdürülebilir bir süreç inşa etmek için tüm 12 prensibi aynı anda kullanmak mümkün olmasa da ürünün yaşam döngüsünün çeşitli noktalarında uygulanabilir olanları uygulamak mümkündür. Hem yeşil kimya hem de döngüsel ekonomi, kimyasalların, malzemelerin ve ürünlerin tasarımını tekrar düşünme kavramına uyarlar ve birlikte uygulanabilirler. Şekil 2’de, yeşil kimya ve döngüsel ekonomi sürdürülebilirlik çerçevesinde entegre edebilecek bir sistem için şematik bir temsil gösterilmektedir. Döngüsel ekonomi, yeşil kimyanın birinci hedefi olan ana ürünün üretimine yol açan doğrusal ekonomik sistemi düzeltmek (mavi akış) ve yan ürünleri (daha fazla girdiye ihtiyaç duyan ve kullanılabilir hale getirilmesi gereken atıklar, sarı akış) ve iki yaklaşımın uygulanmasıyla piyasaya katma değeri yüksek ürünler elde etmektir (yeşil akış) [1].
Şekil 2. Yeşil kimya ve döngüsel ekonominin sürdürülebilirlik çerçevesinde şeması [1].
Yeşil kimyanın ortaya çıkışı, endüstriyel gelişimin olumsuz etkileri belirgin hale geldiğinde 1980’lerde gerçekleşmiştir. Bu dönemde çevresel sorunlara neden olan zararlı kimyasal ürünleri azaltmayı hedefleyen politikalar tartışılıyordu. 1985’te “Brundtland Raporu“, 1991’de “Kirlilik Önleme için Alternatif Sentetik Yollar” ve “Agenda 21” gibi politika ve girişimlere yol açan bir dizi küresel toplantını düzenlendi. Bu belgeler ve onları takip eden raporlar, çevresel, sosyal farkındalık ve sürdürülebilir kalkınmayı önceliklendirme konusunda kolektif bir uzlaşıya sahipti. Temelde yeşil kimya, kimyasal uzmanlık ve bilgiyi kullanarak kimyasalların planlama, üretim ve uygulama süreçlerinde zararlı maddelerin oluşumunu veya kullanımını azaltmayı veya ortadan kaldırmayı hedefler. Örneğin, geleneksel olarak, kimya endüstrisinin atıkları toksisiteyi azaltmak için önceden işlenir. Ancak, bu tür önlemler son derece maliyetlidir. Yeşil kimya yaklaşımı, üretim sırasında atık oluşumunu sınırlamak için daha yeşil süreç tasarımı ve tekniklerinin yanı sıra, tüm süreçteki maliyet ve enerjiyi göz önünde bulundurmayı ve son olarak kalan atıkların da işlenmesini ve bertarafını düşünmeyi gerektirir. 1998’de Paul Anastas ve John C. Warner, “Yeşil Kimyanın 12 İlkesi” olarak adlandırılan bir manifesto sunmuşlardır. Bu ilkeler atom etkinliği, enerji etkinliği, bozunma ve atık azaltma gibi unsurları içerir ve kirliliği moleküler düzeyde durduran sürdürülebilir kimyasal tasarım ve sentez için temel bir dizi set sunar [1].
Yeşil kimyanın 12 ilkesi, yeni kimyasal ürünlerin ve süreçlerin tasarımı için bir rehber çerçevesi oluşturur. Süreç, yaşam döngüsünün hammadde kullanımından başlayarak dönüşümün verimliliği ve güvenliği, kullanılan ürünlerin ve reaktanların toksisitesi ve biyolojik parçalanabilirliği gibi tüm yönlerini kapsar. İlkeler, özet olarak şunları içerir [6]:
1. Atık Önleme: Herhangi bir malzemenin gerçek değerine sahip olmaması veya kullanılmamış enerjinin kaybı, bir atık olarak kabul edilebilir. Atık oluşumunu engellemek, oluştuktan sonra temizlemekten daha sağlıklı bir seçenektir.
2. Atom Ekonomisi: Bir kimyasal reaksiyonda hammadde kullanımını maksimize etmeye odaklanır. Örneğin, hedeflenen ürünün, reaktanlardan en fazla sayıda atom içermesini sağlamayı amaçlar. İdeal olarak, yüksek atom ekonomisine sahip bir reaksiyon, reaktanların tüm atomlarını nihai ürüne dahil eder.
3. Tehlikesiz Sentez Tasarımları: Çevre dostu sentez yollarının geliştirilmesi, son on yılda artmıştır. Örneğin, yeniden düzenleme, sikloadisyon veya çok bileşenli kuplaj reaksiyonlarına dayalı reaksiyonlar zaten bilinmekte olup, etkili reaksiyonların bir kategorisini oluşturur. Tandem reaksiyonlar, metatez, C–H aktivasyonu ve enzimatik reaksiyonlar gibi kaskat reaksiyonlar ise daha yeni yaklaşımlardır ve temiz, daha verimli sentez araçlarına iyi örneklerdir.
4. Güvenli Kimyasalların Üretimi: Toksisite, patlayıcılık veya yanıcılık gibi fiziksel ve kimyasal tüm tehlikeler ve süreçlerinin tasarımı ele alınmalıdır. Birçok kimyasal maddenin hala ciddi tehlikelere neden olduğu bilinmektedir. Kazaları ve kirliliği önlemek için bu kimyasalların daha güvenli alternatifleriyle değiştirilmesi ve yenilerinin üretilmesi gerekmektedir.
5. Güvenli Çözücü ve Katkılar: Çoğu geleneksel organik çözücü toksik, yanıcı ve aşındırıcıdır. Geri dönüşüm işlemleri genellikle enerji verimli damıtma ile bağlantılıdır, ancak bu durumda önemli kayıplar yaşanabilir. Çözücüler ve ayırma ajanları kullanıldığında zararsız olmalıdır ve çevre dostu çözücüler geliştirilmelidir. Çözücü, fiziksel ve kimyasal olarak stabil, düşük buharlaşma özelliklerine sahip, kullanımı kolay ve geri dönüştürülebilir olmalıdır.
6. Enerji Verimliliği için Tasarım: Bir kimyasal reaksiyonun enerji engelini düşürmek veya dönüşümün oda sıcaklığında ilerlemesini sağlamak için uygun reaktanların seçilmesi, kimyagerlerin enerji gereksinimlerini azaltmak için yapabilecekleri örneklerden biridir. Kullanılmayan enerji aynı zamanda bir atık olarak değerlendirilebilir. Yoğun enerji kullanımını içermeyen kimyasal reaksiyonların tasarımı son derece önemlidir.
7. Yenilenebilir Sürdürülebilir Hammadde Kullanımı: Son on yılda, yenilenebilir hammadde kullanılarak yakıtlar, kimyasallar ve malzemelerin üretimi konusunda önemli ilerlemeler kaydedilmiştir. Biyoplastikler örneğinde, dünya çapında bir şirket şu anda % 30 polietilen (PE) karışımından yapılmış şişeler üretirken, başka bir şirket genellikle mısırdan elde edilen nişastadan fermantasyonla elde edilen laktik asit polimerinden (PLA) yapılmış yenilenebilir hammaddeden üretilmiş şişeler kullanmaktadır.
8. Türevleri Azaltma: Gereksiz türetilme işlemleri, blokaj grupları, fiziksel/kimyasal süreçlerin geçici değişiklikleri, koruma/çıkarma gibi adımlar mümkünse azaltılmalı veya kaçınılmalıdır. Çünkü bu tür adımlar ek reaktanlara ihtiyaç duyar ve atık üretebilir. Mümkünse biyolojik sentez kullanılmalıdır.
9. Kataliz: Bilindiği gibi, birçok durumda atık oluşumu, geleneksel olarak stokiyometrik miktarda reaktanın kullanımına bağlıdır. Katalitik reaktanlar stokiyometrik reaktanlara üstündür. Çevre koruma açısından, kataliz ilkesi biyobozunur katalizatörlerin kullanımını teşvik eder. Bu da daha az enerji kullanımını, organoklorin bileşiklerin kullanımından kaçınılmasını ve daha az atık su ve enerji kullanımını gösterir.
10. Biyobozunma için Tasarım: Kimyasal ürünler, çevreye herhangi bir tehlike oluşturmadan zararsız bozunma ürünlerine dönüştürülecek şekilde tasarlanmalıdır. Geri dönüşüm kullanılarak mümkün olduğunca fazla atığın üretime geri dönmesi ve zararlı maddelerin oluşumunun önlenmesi amaçlanmaktadır. Biyolojik olarak parçalanabilen malzemeler ve kimyasallar tasarlamak, sürekli çevresel kirlilik sorunlarıyla gösterildiği gibi kolay bir görev değildir. Onlarca yıl süren veri toplama çalışmalarının ardından bazı eğilimler ortaya çıkmıştır.
11. Kirlilik Önleme için Gerçek Zamanlı Analiz: Yeşil analitik kimya, daha az atık üreten, çevre ve insan sağlığı için daha güvenli olan analitik prosedürlerin kullanımını içeren bir alan olarak tanımlanabilir. Bu tanım, bir kimyasal dönüşümün canlı izlenmesinin yanı sıra geleneksel analizin beraberinde getirdiği çevresel eksiklikleri de içerir. Yeşil analitik kimyanın amacı, atık üretmeden kimyasalları ölçmektir.
12. Kaza Önleme ve Güvenli Kimya: Güvenlik, bilinen tehlikeleri kontrol etme ve kabul edilebilir bir risk seviyesine ulaşma olarak tanımlanır ve kişisel koruyucu ekipmanın en düşük kullanım seviyelerinde bazı seviyelerde elde edilir. Kimyasal bir süreçte kullanılan maddeler, salımlar, patlamalar ve yangınlar gibi kimyasal kazaların olasılığını en aza indirmek için seçilmelidir. Örneğin, organik çözücülerin yerine geçen (toksik veya patlayıcı olmayan ve çevre dostu olan) süperkritik CO2‘nin artan kullanımı önemlidir.
Yeşil kimyanın birçok faydası bulunmaktadır. Bu avantajlar, sırasıyla insan sağlığı, çevresel ve ekonomik avantajlar olarak tanımlanabilir. Bu avantajlar, EPA tarafından belirlenen 2016 tarihli bildirgede insan sağlığı, çevresel ve ekonomik avantajları şöyle sıralayabiliriz [7].
Sosyal Faydaları: Daha temiz hava, su, kimya endüstrisinde işçiler için daha güvenli bir ortam, ürünlerin güvenli üretimi, güvenli gıda.
Çevresel Faydaları: Bitkiler ve hayvanlar, çevrede daha az zehirli kimyasala maruz kalır, iklim krizi, ozon tabakasının incelmesi vb. riskler azalır, ekosisteme daha az kimyasal zarar verilir ve daha az çöp alanı kullanılır.
Ekonomik Faydaları: Daha az hammadde tüketimi, enerji ile su tasarrufu, daha az atık miktarı, atık bertarafı ve vergilerde azalma, satın alınan bir hammaddeyi atık bir ürünle değiştirme olanağı, aynı işlemi gerçekleştirmek için daha az ürüne ihtiyaç duyulması, petrol ürünlerinin azaltılmış kullanımı, azaltılmış fabrika üretim adımları, daha güvenli ürün etiketini kazanarak kullanıcı satışlarının artırılması, kimya üreticilerinin ve müşterilerinin artan rekabeti.
Kaynaklar;
[1] A. Ncube, S. Mtetwa, M. Bukhari, G. Fiorentino, and R. Passaro, “Circular Economy and Green Chemistry: The Need for Radical Innovative Approaches in the Design for New Products,” Energies (Basel), vol. 16, no. 4, p. 1752, Feb. 2023, doi: 10.3390/en16041752.
[2] G. Rothenberg, “A realistic look at CO2 emissions, climate change and the role of sustainable chemistry,” Sustainable Chemistry for Climate Action, vol. 2, p. 100012, 2023, doi: 10.1016/j.scca.2023.100012.
[3] B. Purvis, Y. Mao, and D. Robinson, “Three pillars of sustainability: in search of conceptual origins,” Sustain Sci, vol. 14, no. 3, pp. 681–695, May 2019, doi: 10.1007/s11625-018-0627-5.
[4] O. Lavrinenko, S. Ignatjeva, A. Ohotina, O. Rybalkin, and D. Lazdans, “The Role of Green Economy in Sustainable Development (Case Study: The EU States),” Entrepreneurship and Sustainability Issues, vol. 6, no. 3, pp. 1113–1126, Mar. 2019, doi: 10.9770/jesi.2019.6.3(4).
[5] B. Mayanti and P. Helo, “Closed-loop supply chain potential of agricultural plastic waste: Economic and environmental assessment of bale wrap waste recycling in Finland,” Int J Prod Econ, vol. 244, p. 108347, Feb. 2022, doi: 10.1016/j.ijpe.2021.108347.
[6] Abdussalam-Mohammed, W., Ali, A. Q., & Errayes, A. O. (2020). Green chemistry: principles, applications, and disadvantages. Chem. Methodol, 4(4), 408-423.
[7] Karagölge Z. Gür. B., “Sustainable chemistry: green chemistry,” Journal of the Institute of Science and Technology, vol. 6, no. 2, pp. 89–96, 2016.
