Muita tutkimusalueita, joita nyt kaupallistetaan, ovat nanoteknologia, bioteknologia ja biopolttoaineiden kehittäminen öljytoimitusten täydentämiseksi. Merkittäviä ympäristöhyötyjä on saatu tutkimuksesta, jolla on kehitetty prosesseja, jotka johtavat bensiinin oktaaniluvun parantamiseen, vesipohjaisiin maaleihin, kloorifluorihiilivetyjen (CFC-yhdisteiden) korvaamiseen ja vihreän kemian kehittämiseen aktiivisena tutkimusalana.

Tutkimuksesta tuotantoon

Teollisuuden ja korkeakoulujen laboratorioissa suoritettu tutkimus on vasta ensimmäinen askel. Nämä löydöt on muutettava realistisiksi teollisiksi prosesseiksi. Tämä on kemian insinöörin tehtävä, joka vastaa laboratoriokemian siirtämisestä suurempaan mittakaavaan. Tuotannon kasvattaminen grammoista laboratorio-olosuhteissa tuhansiin tonneihin täysimittaisessa teollisuuslaitoksessa on kemisteille ja kemian insinööreille erittäin vaivalloista työtä. Laboratoriotuotannon ja täysimittaisen tuotannon välivaiheissa tarvitaan laitteita, jotka kykenevät jäljittelemään suuressa mittakaavassa tapahtuvaa prosessia ja mahdollistavat suotuisimpien olosuhteiden löytämisen, jotta saadaan suuri saanto sopivalla nopeudella tuotettua tuotetta (kuva 7).

Kuva 7 Esimerkki, jossa esitetään joitakin erillisiä ja
rinnakkain toimivia pilottipanosreaktoreita. Tietokone ohjaa kutakin, ja käyttäjät voivat tehdä
kokeiden sarjoja muuttamalla lämpötilaa, painetta ja katalyytin koostumusta.
Cambridgen Reactor Design Ltd:n luvalla

Alla olevassa kuvassa (kuva 8) näkyy välivaihe, jossa on tehty pilottilaitos, jolla pyritään löytämään sopivimmat olosuhteet uudelle OMEGA-prosessille etaani-1,2-diolin tuottamiseksi. Tämä on erittäin tärkeä vaihe, sillä usein olosuhteet, jotka ovat sopivat prosessille laboratoriossa, eivät välttämättä ole sopivat, kun prosessi siirretään suuremman mittakaavan laitteistoon. Näin ollen tehdään monia kokeita erittäin tarkkaan valvotuissa olosuhteissa, jotta saadaan mahdollisimman suuri saanto. Tätä työtä tekevien kemistien ja kemian insinöörien on myös pidettävä mielessä, että maksimaaliseen saantoon voi liittyä lisäkustannuksia, jotka tekevät prosessista epätaloudellisen.

Kuva 8 Uuden OMEGA-prosessin pilottilaitos, jossa valmistetaan etaani-1,2-diolia.
Shell International Ltd:n ystävällisellä luvalla.

Jos tämä työ onnistuu, seuraava vaihe on valmistaa materiaalia kaupallisessa mittakaavassa, joka etaani-1,2-diolin tapauksessa on useita satoja tuhansia tonneja vuodessa (kuva 9). Tuotteen kannattavuus riippuu haluttujen tuotteiden turvalliseen valmistukseen tarvittavan teollisen mittakaavan reaktorin suunnittelusta. Tällaisen laitoksen pääomakustannukset ovat todennäköisesti miljoonia dollareita.

Kuva 9 Uuden OMEGA-prosessin varsinainen laitos etaani-1,2-diolin valmistamiseksi, joka on rakennettu pilottilaitoksen onnistuneiden kokeiden jälkeen. Laitos tuottaa vuosittain 750 000 tonnia diolia. Shell International Ltd:n luvalla.

Laitoksen suunnittelu on tiimityötä, ja kemistit, laitossuunnittelijat ja kemiantekniikan insinöörit valitsevat sopivat materiaalit laitoksen rakentamiseen. Vaikka yleinen mielikuva on kiiltävästä teräksestä tehdyt kemiantehtaat, niiden rakentamisessa käytetään monia muitakin materiaaleja, kuten monenlaisia metalleja, muoveja, lasia ja kumia. Koska rakennusmateriaalit ovat itsessään kemikaaleja, sellaisten materiaalien valitseminen, jotka eivät reagoi prosessissa käytettävien kemikaalien kanssa, on olennaisen tärkeää, jotta vältetään vaaralliset vuorovaikutukset, laitoksen hajoaminen tai tuotteen saastuminen.

Rakennusmateriaalien on oltava

• inerttejä reaktioaineille, välituotteille ja tuotteille
• kestävä tarvittaessa hyvin korkeita paineita ja lämpötiloja
• kestävä.

Kemianteollisuus: kuinka turvallista ja kuinka ympäristösäänneltyä?

Kemianteollisuudessa turvallisuuden on oltava asialistan kärjessä, ja hyvästä syystä. Monet sen tuotteista ovat mahdollisesti vaarallisia jossakin valmistus- ja kuljetusvaiheessa. Nämä kemikaalit voivat olla kiinteitä, nestemäisiä tai kaasumaisia, syttyviä, räjähtäviä, syövyttäviä ja/tai myrkyllisiä. Valmistusprosesseihin liittyy usein korkeita lämpötiloja, korkeita paineita ja reaktioita, jotka voivat olla vaarallisia, ellei niitä valvota huolellisesti. Tämän vuoksi teollisuus toimii kansallisen ja kansainvälisen lainsäädännön edellyttämissä turvallisuusrajoissa.

Kuva 10 Fluorivetyhappo on erittäin syövyttävä neste. Tässä sitä
lastataan automaattisesti maantiekuljetussäiliöautoon.
Mexichem Fluorin ystävällisellä luvalla.

Riskit ja loukkaantumiset

Vaarallisista toiminnoista huolimatta kemianteollisuudessa sattuu itse asiassa vähemmän onnettomuuksia kuin teollisuudessa yleensä. Vuosina 1995-2005 koko Euroopan kaikentyyppisessä teollisuudessa sattui yli neljä tapaturmaa tuhatta työntekijää kohti, mikä on kaksinkertainen määrä kemianteollisuudessa sattuneisiin tapaturmiin verrattuna. USA:n tiedot, jotka on kirjattu tapaturmien vuoksi menetettyinä päivinä, osoittavat vielä jyrkemmän eron; kemianteollisuuden suuryrityksissä tapaturmien vuoksi menetettyjen päivien määrä on neljä kertaa pienempi kuin teollisuudessa yleensä.

Kuva 11 Henkilöstölle annetaan laajaa koulutusta suojavaatetuksen ja -laitteiden käytöstä. Tässä kuvassa huolletaan reaktoria, jota käytetään fluorihiilivetyalkaanien valmistukseen. Arkeman ystävällisellä luvalla.

Ympäristömääräykset

Tietyistä valmistettujen kemikaalien mahdollisista vaikutuksista eläviin organismeihin, myös meihin itseemme, ja luonnonympäristöön ollaan vakavasti huolissaan. Näitä huolenaiheita ovat muun muassa ilman, maan ja meren saastuminen, ilmaston lämpeneminen ja ilmastonmuutos, yläilmakehän otsonikato ja happosateet.

Kemianteollisuudella on maailmanlaajuinen aloite nimeltä Responsible Care. Se alkoi Kanadassa vuonna 1984, ja sitä harjoitetaan nyt yli 60 maassa. Se velvoittaa kansallisia kemianteollisuuden järjestöjä ja yrityksiä:

• parantamaan jatkuvasti teknologioiden, prosessien ja tuotteiden ympäristö-, terveys-, turvallisuus- ja turvatietämystä ja suorituskykyä niiden elinkaaren aikana, jotta vältetään haitat ihmisille ja ympäristölle.
• Käyttämään resursseja tehokkaasti ja minimoimaan jätteet.
• Raportoimaan avoimesti suorituskyvystään, saavutuksistaan ja epäkohdistaan.
• Kuuntelemaan ihmisiä, sitoutumaan heidän osallistumiseensa ja työskentelemään heidän kanssaan ymmärtääkseen heidän huolenaiheitaan ja odotuksiaan.
• Yhteistyötä hallitusten ja organisaatioiden kanssa tehokkaiden säädösten ja standardien kehittämiseksi ja toteuttamiseksi sekä niiden noudattamiseksi tai ylittämiseksi.
• Tarjoaa apua ja neuvontaa edistääkseen kemikaalien vastuullista hallintaa kaikille niille, jotka hallinnoivat ja käyttävät kemikaaleja tuoteketjussa.

Yhdysvalloissa kemianteollisuuden yritykset käyttävät ympäristö-, työterveys- ja työsuojeluohjelmiin yli 12 miljardia dollaria vuodessa. Tämä on esimerkiksi johtanut vaarallisten päästöjen vähentämiseen ilmaan, maahan ja veteen 80 prosentilla viimeisten 25 vuoden aikana. Toinen ympäristötoimenpide koskee energian käyttöä. Vuodesta 1994 alkaneiden 20 vuoden aikana Yhdysvaltojen kemianteollisuus säästi noin 20 prosenttia energiaa tuotantoyksikköä kohti, ja samalla ajanjaksolla EU:ssa energian säästö tuotantoyksikköä kohti laski 55 prosenttia. Kasvihuonekaasupäästöt tuotantoyksikköä kohti (kasvihuonekaasuintensiteetti) vähenivät 58 prosenttia Yhdysvalloissa ja 75 prosenttia EU:ssa vuosina 1990-2014.

Säännöksiä on voimassa jokaisessa suuressa maassa. Euroopassa niitä valvotaan REACH-asetuksen (kemikaalien rekisteröinti, arviointi, lupamenettelyt ja rajoitukset) avulla. Ne muuttavat perusteellisesti tapaa, jolla kemikaaleja valmistetaan, myydään ja käytetään, tarjoamalla yhden standardoidun kehyksen kemikaalien turvallista hallintaa varten. REACH-asetuksen mukaan sekä valmistajien että maahantuojien on varmistettava, että kaikki kemikaalit, joita tuotetaan yli yksi tonni vuodessa, eivät vaikuta haitallisesti ihmisten terveyteen tai ympäristöön. Teollisuus toimittaa kattavat dokumentoidut tiedot kaikista vaatimukset täyttävistä kemikaaleista ja niihin liittyvistä aineista, jotta kemikaalien käyttäjät voivat varmistaa, että käytössä on riittävä valvonta. Kemikaalit, joita tuotetaan vähintään 1000 tonnia vuodessa, on rekisteröitävä joulukuuhun 2010 mennessä, ja yli tonnin kemikaalit on rekisteröitävä kesäkuuhun 2018 mennessä.

Kemikaalijätteistä vain pieni osa on myrkyllisiä tai vaarallisia. Suurin osa niistä sekä luonnollista hajoamista kestävät materiaalit poltetaan korkeassa lämpötilassa. Aina kun se on mahdollista, jäte itse tuottaa polttoaineen tähän prosessiin. Syntyvät kaasut puhdistetaan ja ”pestään” perusteellisesti ennen ilmakehään päästämistä, ja loppusijoitettavaksi jää vain tuhka. Esimerkkejä siitä, miten sivutuotteita käsitellään, on nähtävissä kaikkialla tämän verkkosivuston yksiköissä.

Mitä haasteita kemianteollisuudella on nykyään?

Kemianteollisuus on maailmanlaajuisesti valtavien muutosten kourissa. Kuten edellä on todettu, yksi niistä koskee Lähi-idän maiden sekä Kiinan, Intian ja Brasilian nousua kemikaalien valmistajiksi mammuttimaisessa mittakaavassa sekä omaan kulutukseensa että maailmanlaajuiseen vientiin. Näiden maiden yritykset investoivat myös tehtaisiin Yhdysvalloissa ja Euroopassa, kun taas yhdysvaltalaiset ja eurooppalaiset yritykset investoivat tehtaisiin näissä suurissa nousevissa maissa, mikä tekee koko teollisuudenalasta täysin kansainvälisen liiketoiminnan. Yhdysvalloissa ja Euroopassa toimivien yritysten haasteena on leikata kustannuksiaan ja varmistaa samalla, että ne noudattavat ympäristönsuojelussa parhaita käytäntöjä. Tätä huolta ympäristöstä käsitellään yksittäisiä kemikaaleja koskevissa erillisissä kappaleissa.

Uusi vallankumous kutsuu. Kun öljy ja maakaasu käyvät yhä niukemmiksi ja kalliimmiksi, kemistit etsivät uusia raaka-aineita, jotka täydentävät tai jopa korvaavat öljyn ja maakaasun. Ja he ovat löytämässä uudelleen hiilen (jota on edelleen valtavasti tarjolla, vaikka se on fossiilinen polttoaine, jota ei voi korvata) ja biomassan hyvät puolet.

Siten olemme tulossa ympyrän päähän. 1800-luvun lopulla ja 1900-luvun alkupuolella orgaaninen kemianteollisuus perustui pitkälti hiileen ja biomassaan. Kivihiiltä kuumennettiin voimakkaasti ilman ilmaa, jolloin muodostui hiilikaasua (vedyn, metaanin ja hiilimonoksidin seos). Sivutuotteena muodostui nestettä (kivihiilitervaa), joka sisälsi monia käyttökelpoisia orgaanisia kemikaaleja, kuten bentseeniä, ja kiinteä jäännös oli koksi, hiilen epäpuhdas muoto. Koksi oli lähde sille, mitä nykyään kutsutaan synteesikaasuksi. Sen yli johdettiin höyryä korkeissa lämpötiloissa, jolloin saatiin hiilimonoksidia ja vetyä. Toinen orgaanisten kemikaalien lähde oli biomassa. Esimerkiksi monien C2-kemikaalien lähde oli etanoli, jota tuotettiin käymällä biomassaa. Myös C3- ja C4-kemikaaleja, kuten propanonia ja butanolia, tuotettiin laajamittaisesti käymällä biomassaa.

Sittemmin, 1940-luvulta lähtien, teollisuus on löytänyt yhä parempia tapoja käyttää öljynjalostuksen tuotteita kaikkien edellä mainittujen kemikaalien lisäksi monien muidenkin kemikaalien tuottamiseen. Esimerkkinä voidaan mainita petrokemian teollisuuden kasvu, jonka myötä on syntynyt joukko uusia polymeerejä, pesuaineita ja lukemattomia kehittyneitä kemikaaleja, joita tuotetaan edullisesti.

Periaatteessa suurin haaste onkin löytää keinoja vähentää riippuvuuttamme uusiutumattomista luonnonvaroista. Kun öljy- ja maakaasuvarannot hupenevat, meidän on löydettävä keinoja käyttää vanhempia, biomassaan perustuvia tekniikoita kemikaalien tuottamiseen mahdollisimman ympäristöystävällisellä tavalla, mitä tulee energiankulutukseen ja syntyviin jätevesiin. Biomassasta tuotetaan nykyään esimerkiksi etyleeniä ja erilaisia polymeerejä sekä hyvin suuria määriä etanolia.

Toinen haaste on vähentää riippuvuuttamme uusiutumattomista luonnonvaroista energian tuotannossa. Helpoin tapa tehdä tämä on löytää keinoja käyttää kemiantehtaitamme alhaisemmissa lämpötiloissa katalyyttien avulla tai käyttämällä vaihtoehtoisia reittejä. Tämä on jo alkanut toden teolla, kuten edellisessä jaksossa todettiin. Energiankulutus tuotantoyksikköä kohti on vähentynyt EU:ssa noin 55 prosenttia vuodesta 1994 ja Yhdysvalloissa noin 22 prosenttia vuodesta 1990. Tämän seurauksena hiilidioksidipäästöt ovat vähentyneet suunnilleen saman verran samassa ajassa.

Nanomateriaaleihin perustuvat uudet teknologiat ovat myös kemianteollisuuden tulevien edistysaskeleiden eturintamassa, ja on tärkeää varmistaa, että näiden vallankumouksellisten materiaalien tuotanto on turvallista ja taloudellisesti hyödyllistä.

Kemianteollisuudella on 21. vuosisadalla edessään monia haasteita, jotka on voitettava, jotta se voi pysyä kaikkien suurten maiden ytimenä. Vain siten teollisuus voi auttaa yhteiskuntaa säilyttämään ja parantamaan elintasoaan ja tekemään sen kestävällä tavalla.

Suuri osa tässä yksikössä käytetyistä tiedoista on peräisin CEFIC:n (Conseil Européen des Fédérations de l’Industrie Chimique, Euroopan kemianteollisuusneuvosto) ja Amerikan kemianteollisuusneuvoston (American Chemical Council) julkaisemasta työstä.