Dalšími oblastmi výzkumu, které jsou nyní komerčně využívány, jsou nanotechnologie, biotechnologie a vývoj biopaliv pro doplnění dodávek ropy. Významný přínos pro životní prostředí přinesl výzkum zaměřený na vývoj procesů, které vedou ke zlepšení oktanového čísla benzínu, nátěrů na vodní bázi, náhrad chlorofluorouhlovodíků (CFC) a rozvoji zelené chemie jako aktivní oblasti výzkumu.

Od výzkumu k výrobě

Výzkum prováděný v laboratořích průmyslu a na univerzitách je pouze prvním krokem. Tyto objevy je třeba převést do reálných průmyslových procesů. To je úkolem chemického inženýra, který je zodpovědný za převedení laboratorní chemie do většího měřítka. Rozšíření výroby z gramů v laboratorních podmínkách na tisíce tun v plnohodnotném průmyslovém závodě je pro chemiky a chemické inženýry velmi namáhavá práce. Mezistupně mezi laboratorní výrobou a výrobou v plném rozsahu zahrnují zařízení, která jsou schopna napodobit proces ve velkém měřítku a umožňují nalézt nejpříznivější podmínky pro vysoký výtěžek produktu získaného vhodnou rychlostí (obrázek 7).

Obrázek 7 Příklad znázorňující některé pilotní vsádkové reaktory, které jsou oddělené a
pracují paralelně. Každý z nich řídí počítač a uživatelé mohou provádět série
experimentů, měnit teplotu, tlak a složení katalyzátoru.
S laskavým svolením společnosti Cambridge Reactor Design Ltd.

Níže uvedená fotografie (obr. 8) ukazuje mezistupeň, ve kterém bylo provedeno pilotní zařízení, aby se našly nejvhodnější podmínky pro nový proces OMEGA na výrobu ethan-1,2-diolu. Jedná se o velmi důležitý krok, protože často podmínky, které jsou vhodné pro proces v laboratoři, nemusí být nutně vhodné při přenosu procesu na zařízení většího rozsahu. Proto se provádí mnoho pokusů za velmi pečlivě kontrolovaných podmínek, aby se dosáhlo maximálního výtěžku. Chemici a chemičtí inženýři, kteří tuto práci provádějí, musí mít také na paměti, že maximální výtěžek může znamenat dodatečné náklady, které činí proces neekonomickým.

Obr. 8 Pilotní zařízení pro nový proces OMEGA na výrobu ethan-1,2-diolu.
S laskavým svolením společnosti Shell International Ltd.

Pokud bude tato práce úspěšná, další etapou bude výroba materiálu v komerčním měřítku, což je stejně jako v případě ethan-1,2-diolu mnoho set tisíc tun ročně (obrázek 9). Rentabilita produktu spočívá v konstrukci reaktoru v průmyslovém měřítku, který je nezbytný pro bezpečnou výrobu požadovaných produktů. Investiční náklady na takové zařízení budou pravděpodobně činit miliony dolarů.

Obrázek 9 Skutečné zařízení pro nový proces OMEGA na výrobu ethan-1,2-diolu, postavené po úspěšných zkouškách na pilotním zařízení. Tento závod vyrábí 750 000 tun tohoto diolu ročně. S laskavým svolením společnosti Shell International Ltd.

Projektování zařízení je týmový projekt a chemici, konstruktéři zařízení a chemičtí inženýři vybírají vhodné materiály pro konstrukci zařízení. Ačkoli běžná představa je, že chemické závody jsou vyrobeny z lesklé oceli, při jejich konstrukci se používá mnoho dalších materiálů včetně nejrůznějších kovů, plastů, skla a pryže. Vzhledem k tomu, že konstrukční materiály jsou samy o sobě chemikálie, je výběr materiálů, které nereagují s chemikáliemi zapojenými do procesu, nezbytný, aby se předešlo nebezpečným interakcím, rozpadu závodu nebo kontaminaci produktu.

Stavební materiály musí být

• inertní vůči reaktantům, meziproduktům a produktům
• v případě potřeby schopné odolat velmi vysokým tlakům a teplotám
• trvanlivé.

Chemický průmysl: jak bezpečný a jak ekologicky regulovaný?“

Bezpečnost musí být na prvním místě programu chemického průmyslu, a to z dobrého důvodu. Mnoho jeho výrobků je v určité fázi výroby a přepravy potenciálně nebezpečných. Tyto chemické látky mohou být pevné, kapalné nebo plynné, hořlavé, výbušné, žíravé a/nebo toxické. Výrobní procesy často zahrnují vysoké teploty, vysoké tlaky a reakce, které mohou být nebezpečné, pokud nejsou pečlivě kontrolovány. Z tohoto důvodu se průmysl pohybuje v rámci bezpečnostních limitů požadovaných národními a mezinárodními právními předpisy.

Obrázek 10 Kyselina fluorovodíková je velmi žíravá kapalina. Zde je
automaticky nakládána do silniční cisterny.
S laskavým svolením společnosti Mexichem Fluor.

Rizika a úrazy

Přestože se jedná o nebezpečné provozy, chemický průmysl má ve skutečnosti nižší počet nehod než průmysl jako celek. V letech 1995 až 2005 došlo v celé evropské výrobě všech typů k více než 4 úrazům na každých 1000 zaměstnanců, což je dvakrát více než v chemickém průmyslu. Údaje z USA, zaznamenané jako počet dnů ztracených v důsledku úrazů, ukazují ještě výraznější rozdíl; počet dnů ztracených v důsledku úrazů ve velkých podnicích chemického průmyslu je 4krát nižší než ve výrobě obecně.

Obrázek 11 Zaměstnanci jsou rozsáhle školeni v používání bezpečnostních oděvů a zařízení. Na této fotografii se provádí údržba reaktoru používaného k výrobě hydrofluoroalkanů. S laskavým svolením společnosti Arkema.

Předpisy týkající se životního prostředí

Existují vážné obavy z možného dopadu některých vyráběných chemických látek na živé organismy včetně nás samotných a na přírodní prostředí. Mezi tyto obavy patří znečištění ovzduší, půdy a moře, globální oteplování a změna klimatu, poškozování ozonové vrstvy horních vrstev atmosféry a kyselé deště.

Celosvětová iniciativa chemického průmyslu nese název Responsible Care. Začala v Kanadě v roce 1984 a nyní se praktikuje ve více než 60 zemích. Zavazuje národní asociace chemického průmyslu a společnosti, aby:

• neustále zlepšovaly znalosti a výkonnost našich technologií, procesů a výrobků v oblasti životního prostředí, zdraví, bezpečnosti a zabezpečení v průběhu jejich životního cyklu tak, aby nedocházelo k poškozování lidí a životního prostředí.
• efektivně využívaly zdroje a minimalizovaly odpady.
• otevřeně informovaly o výkonnosti, úspěších a nedostatcích.
• Naslouchaly lidem, zapojovaly je a spolupracovaly s nimi, aby pochopily a řešily jejich obavy a očekávání.
• Spolupracovat s vládami a organizacemi při vývoji a zavádění účinných předpisů a norem a plnit je nebo jít nad jejich rámec.
• Poskytovat pomoc a poradenství s cílem podpořit odpovědné nakládání s chemickými látkami všemi, kdo je spravují a používají v celém řetězci výrobků.

V USA vynakládají chemické společnosti na programy ochrany životního prostředí, zdraví a bezpečnosti více než 12 miliard dolarů ročně. To například vedlo ke snížení úniků nebezpečných látek do ovzduší, půdy a vody o 80 % za posledních 25 let. Další ekologické opatření se týká využívání energie. Za 20 let od roku 1994 ušetřil chemický průmysl v USA přibližně 20 % energie na jednotku produkce a ve stejném období klesla úspora energie na jednotku produkce v EU o 55 %. Emise skleníkových plynů na jednotku výroby (intenzita skleníkových plynů) se v letech 1990-2014 snížily v USA o 58 % a v EU o 75 %.

V každé velké zemi platí předpisy. V Evropě jsou prosazovány prostřednictvím nařízení REACH (registrace, hodnocení, povolování a omezování chemických látek). Zásadně mění způsob výroby, prodeje a používání chemických látek tím, že poskytují jednotný standardizovaný rámec pro bezpečné nakládání s chemickými látkami. Nařízení REACH ukládá výrobcům i dovozcům povinnost zajistit, aby všechny chemické látky vyrobené v množství větším než jedna tuna ročně neměly nepříznivý vliv na lidské zdraví nebo životní prostředí. Odvětví poskytuje komplexní dokumentované informace o všech způsobilých chemických látkách a souvisejících látkách, což uživatelům chemických látek umožňuje zajistit, aby byly zavedeny odpovídající kontrolní mechanismy. Chemické látky, které se vyrábějí v množství 1000 tun nebo více ročně, musí být registrovány do prosince 2010 a chemické látky v množství větším než 1 tuna musí být registrovány do června 2018.

Jen malá část chemických odpadů je toxická nebo nebezpečná. Většina z nich se spolu s materiály, které odolávají přirozenému rozkladu, spaluje při vysoké teplotě. Pokud je to možné, palivo pro tento proces poskytuje samotný odpad. Vznikající plyny jsou před vypuštěním do atmosféry důkladně vyčištěny a „vyčištěny“, takže k likvidaci zůstává pouze popel. Příklady toho, jak se nakládá s vedlejšími produkty, jsou k vidění ve všech jednotkách na této webové stránce.

Jaké jsou výzvy pro chemický průmysl v současnosti?

Chemický průmysl prochází obrovskými změnami po celém světě. Jak jsme viděli výše, jedna z nich se týká nástupu zemí Blízkého východu a Číny, Indie a Brazílie jako výrobců chemických látek v mamutím měřítku pro vlastní spotřebu a také pro vývoz do celého světa. Společnosti v těchto zemích také investují do závodů v USA a Evropě, zatímco americké a evropské společnosti investují do závodů v těchto velkých rozvíjejících se zemích, čímž se průmysl jako celek stává zcela mezinárodním ve způsobu podnikání. Výzvou pro společnosti v USA a Evropě je snížit své náklady a zároveň zajistit, aby dodržovaly nejlepší postupy v oblasti ochrany životního prostředí. O tomto zájmu o životní prostředí pojednávají samostatné celky věnované jednotlivým chemickým látkám.

Nová revoluce se blíží. Vzhledem k tomu, že ropa a zemní plyn jsou stále vzácnější a dražší, hledají chemici nové suroviny, které by ropu a zemní plyn doplnily nebo dokonce nahradily. A znovu objevují přednosti uhlí (kterého je stále obrovská zásoba, přestože se jedná o fosilní palivo, které nelze nahradit) a biomasy.

Tak se nám uzavírá kruh. Na konci 19. a v první polovině 20. století byl organický chemický průmysl založen převážně na uhlí a biomase. Uhlí se silně zahřívalo za nepřítomnosti vzduchu za vzniku uhelného plynu (směsi vodíku, metanu a oxidu uhelnatého). Jako vedlejší produkt vznikala kapalina (uhelný dehet), která obsahovala mnoho užitečných organických chemikálií včetně benzenu, a pevný zbytek byl koks, nečistá forma uhlíku. Koks byl zdrojem toho, čemu dnes říkáme syntézní plyn. Při vysokých teplotách nad ním procházela pára, čímž se získal oxid uhelnatý a vodík. Dalším zdrojem organických chemikálií byla biomasa. Například zdrojem mnoha chemických látek C2 byl etanol, který se vyráběl kvašením biomasy. Chemikálie C3 a C4, jako je propanon a butanol, se také ve velkém měřítku vyráběly fermentací biomasy.

Od té doby, od 40. let 20. století, nacházel průmysl stále lepší způsoby využití produktů z rafinace ropy k výrobě nejen všech výše uvedených chemikálií, ale i mnoha dalších. Příkladem je růst petrochemického průmyslu s řadou nových polymerů, detergentů a nesčetných sofistikovaných chemikálií vyráběných s nízkými náklady.

Možná největší výzva tedy spočívá v hledání způsobů, jak snížit naši závislost na neobnovitelných zdrojích. Proto s ubývajícími zásobami ropy a zemního plynu musíme najít způsoby, jak využívat starší technologie založené na biomase k výrobě chemikálií co nejpřijatelnějším způsobem pro životní prostředí, pokud jde o spotřebovanou energii a produkované odpadní látky. Například z biomasy se nyní vyrábí některé druhy ethenu a řada polymerů a také velmi velké množství ethanolu.

Dalším úkolem je snížit naši závislost na neobnovitelných zdrojích při výrobě energie. Nejjednodušším způsobem, jak toho dosáhnout, je najít způsoby, jak provozovat naše chemické závody při nižších teplotách pomocí katalyzátorů nebo s využitím alternativních cest. Jak bylo uvedeno v minulém oddíle, s tímto postupem se již začalo. Spotřeba energie na jednotku produkce klesla v EU od roku 1994 přibližně o 55 % a v USA od roku 1990 přibližně o 22 %. V důsledku toho poklesly ve stejném časovém měřítku přibližně stejně i emise oxidu uhličitého.

Nové technologie založené na nanomateriálech budou také v popředí budoucího pokroku v chemickém průmyslu a bude důležité zajistit, aby výroba těchto revolučních materiálů byla bezpečná a ekonomicky přínosná.

Chemický průmysl stojí v 21. století před mnoha výzvami, které je třeba překonat, aby zůstal srdcem každé velké země. Jedině tak může průmysl pomoci společnosti udržet a zlepšit její životní úroveň, a to udržitelným způsobem.

Velká část údajů použitých v tomto oddíle pochází z publikovaných prací CEFIC (Conseil Européen des Fédérations de l’Industrie Chimique, Evropská rada chemického průmyslu) a Americké rady pro chemický průmysl.