A többi kutatási terület, amelyet ma már kereskedelmi forgalomba hoznak, a nanotechnológia, a biotechnológia és a bioüzemanyagok fejlesztése az olajkészletek kiegészítésére. A környezet számára jelentős előnyökkel járnak a benzin jobb oktánszámát, a vízbázisú festékeket, a klórfluor-szénhidrogének (CFC-k) helyettesítését és a zöld kémia mint aktív kutatási terület fejlesztését célzó kutatások.

A kutatástól a termelésig

Az ipari és egyetemi laboratóriumokban végzett kutatások csak az első lépést jelentik. Ezeket a felfedezéseket reális ipari folyamatokká kell alakítani. Ez a vegyészmérnök feladata, akinek feladata a laboratóriumi kémia átültetése nagyobb léptékbe. A laboratóriumi körülmények között előállított grammoktól egy teljes ipari üzemben több ezer tonnás mennyiségig terjedő gyártás nagyon fáradságos munka a vegyészek és a vegyészmérnökök számára. A laboratóriumi és a teljes körű gyártás közötti köztes szakaszok olyan berendezéseket igényelnek, amelyek képesek a nagyüzemi folyamatot utánozni, és lehetővé teszik a legkedvezőbb feltételek megtalálását a megfelelő sebességgel előállított termék nagy hozamának eléréséhez (7. ábra).

7. ábra Példa néhány kísérleti szakaszos reaktorra, amelyek különállóak és
párhuzamosan működnek. Mindegyiket egy számítógép vezérli, és a felhasználók sorozatos
kísérleteket végezhetnek, változtatva a hőmérsékletet, a nyomást és a katalizátor összetételét.
A Cambridge Reactor Design Ltd. szíves engedélyével.

A lenti fénykép (8. ábra) egy köztes szakaszt mutat, amelyben egy kísérleti üzemet készítettek, hogy megtalálják a legmegfelelőbb feltételeket az új OMEGA eljáráshoz az etán-1,2-diol előállításához. Ez egy nagyon fontos lépés, mivel gyakran a laboratóriumban a folyamathoz megfelelő körülmények nem feltétlenül megfelelőek, amikor a folyamatot nagyobb léptékű berendezésre viszik át. Ezért számos kísérletet végeznek nagyon gondosan ellenőrzött körülmények között a maximális hozam elérése érdekében. Az ezt a munkát végző vegyészeknek és vegyészmérnököknek azt is szem előtt kell tartaniuk, hogy a maximális hozam olyan többletköltségekkel járhat, amelyek az eljárást gazdaságtalanná teszik.

8. ábra Az etán-1,2-diol előállítására szolgáló új OMEGA-eljárás kísérleti üzeme.
A Shell International Ltd. szíves engedélyével.

Ha ez a munka sikeres, a következő lépés az anyag kereskedelmi méretű előállítása, ami az etán-1,2-diol esetében több százezer tonnát jelent évente (9. ábra). A termék jövedelmezősége a kívánt termékek biztonságos előállításához szükséges ipari méretű reaktor megtervezésében rejlik. Egy ilyen üzem tőkeköltsége valószínűleg több millió dollár lesz.

9. ábra Az etán-1,2-diol előállítására szolgáló új OMEGA-eljárás tényleges üzeme, amelyet a kísérleti üzemen végzett sikeres kísérletek után építettek. Ez az üzem évente 750 000 tonna diolt állít elő. A Shell International Ltd. szíves engedélyével.

Az üzem tervezése csapatmunka, a vegyészek, üzemtervezők és vegyészmérnökök választják ki a megfelelő anyagokat az üzem építéséhez. Bár az általános kép a csillogó acélból készült vegyi üzemekről szól, sok más anyagot is használnak az építésükhöz, köztük sokféle fémet, műanyagot, üveget és gumit. Mivel az építőanyagok maguk is vegyi anyagok, a veszélyes kölcsönhatások, az üzem meghibásodása vagy a termék szennyeződése elkerülése érdekében elengedhetetlen az olyan anyagok kiválasztása, amelyek nem lépnek reakcióba a folyamatban részt vevő vegyi anyagokkal.

Az építőanyagoknak

• inertnek kell lenniük a reaktánsokkal, köztitermékekkel és termékekkel szemben
• szükség esetén nagyon magas nyomást és hőmérsékletet kell kibírniuk
• tartósnak kell lenniük.

A vegyipar: mennyire biztonságos és mennyire környezetileg szabályozott?

A biztonságnak a vegyipar napirendjének élén kell állnia, és jó okkal. Számos terméke gyártásuk és szállításuk során valamilyen szinten potenciálisan veszélyes lehet. Ezek a vegyi anyagok lehetnek szilárd, folyékony vagy gáz halmazállapotúak, gyúlékonyak, robbanékonyak, maró hatásúak és/vagy mérgezőek. A gyártási folyamatok gyakran járnak magas hőmérséklettel, nagy nyomással és olyan reakciókkal, amelyek veszélyesek lehetnek, ha nem ellenőrzik őket gondosan. Emiatt az iparág a nemzeti és nemzetközi jogszabályok által megkövetelt biztonsági határértékeken belül működik.

10. ábra A hidrogénfluorsav nagyon maró hatású folyadék. Itt éppen
automatikusan rakodják egy közúti tartálykocsiba.
A Mexichem Fluor szíves engedélyével.

Veszélyek és sérülések

A vegyiparban annak ellenére, hogy veszélyes műveletekkel foglalkozik, valójában kevesebb a balesetek száma, mint az ipar egészében. 1995 és 2005 között a teljes európai gyártás minden típusában 1000 alkalmazottra több mint 4 sérülés jutott, ami a vegyiparban elszenvedett sérülések kétszerese. A balesetek miatt kiesett napokként nyilvántartott amerikai adatok még nagyobb különbséget mutatnak; a vegyipar nagyvállalatainál a balesetek miatt kiesett napok száma 4-szer kevesebb, mint a feldolgozóiparban általában.

11. ábra A személyzetet széles körű képzésben részesítik a biztonsági ruházat és felszerelés használatáról. Ezen a képen egy hidrofluoralkánok előállítására használt reaktor karbantartását végzik. Az Arkema szíves engedélyével.

Környezetvédelmi előírások

Súlyos aggodalmak merülnek fel egyes gyártott vegyi anyagok élő szervezetekre – köztük ránk – és a természeti környezetre gyakorolt lehetséges hatásaival kapcsolatban. Ezek az aggodalmak közé tartozik a levegő, a szárazföld és a tenger szennyezése, a globális felmelegedés és az éghajlatváltozás, a felső légkör ózonrétegének csökkenése és a savas eső.

A vegyiparnak van egy világméretű kezdeményezése, melynek címe: Felelős gondoskodás. Ez 1984-ben kezdődött Kanadában, és ma már több mint 60 országban gyakorolják. A nemzeti vegyipari szövetségeket és vállalatokat arra kötelezi, hogy:

• Folyamatosan javítsák technológiáink, folyamataink és termékeink környezeti, egészségügyi, biztonsági és védelmi ismereteit és teljesítményét azok életciklusa során, hogy elkerüljék az emberek és a környezet károsodását.
• Az erőforrások hatékony felhasználása és a hulladék minimalizálása.
• A teljesítményről, eredményekről és hiányosságokról nyíltan beszámolnak.
• Meghallgatják, bevonják és együttműködnek az emberekkel, hogy megértsék és kezeljék aggodalmaikat és elvárásaikat.
• Együttműködik a kormányokkal és szervezetekkel a hatékony szabályozások és szabványok kidolgozásában és végrehajtásában, valamint azok betartásában vagy túlteljesítésében.
• Segítséget és tanácsadást nyújt a vegyi anyagok felelős kezelésének előmozdítása érdekében mindazok számára, akik a terméklánc mentén kezelik és használják azokat.

Az Egyesült Államokban a vegyipari vállalatok évente több mint 12 milliárd dollárt költenek környezetvédelmi, egészségügyi és biztonsági programokra. Ennek köszönhetően például az elmúlt 25 évben 80 százalékkal csökkent a levegőbe, a talajba és a vízbe kerülő veszélyes anyagok kibocsátása. Egy másik környezetvédelmi intézkedés az energiafelhasználásra vonatkozik. Az 1994-től számított 20 év alatt az USA vegyipara termelési egységenként mintegy 20% energiát takarított meg, míg ugyanebben az időszakban az EU-ban a termelési egységenként megtakarított energia 55%-kal csökkent. Az egy termelési egységre jutó üvegházhatású gázok kibocsátása (az üvegházhatású gázok intenzitása) 1990 és 2014 között 58%-kal, illetve 75%-kal csökkent az USA-ban és az EU-ban.

Szabályozások vannak érvényben minden nagyobb országban. Európában a REACH (a vegyi anyagok regisztrálása, értékelése, engedélyezése és korlátozása) révén érvényesülnek. Alapvetően megváltoztatják a vegyi anyagok gyártásának, értékesítésének és felhasználásának módját, mivel egységes, szabványosított keretrendszert biztosítanak a vegyi anyagok biztonságos kezelésére. A REACH a gyártókra és az importőrökre egyaránt felelősséget ró annak biztosítására, hogy az évi egy tonnánál nagyobb mennyiségben előállított vegyi anyagok ne legyenek káros hatással az emberi egészségre vagy a környezetre. Az iparág minden minősített vegyi anyagra és a kapcsolódó anyagokra vonatkozóan átfogó, dokumentált információt szolgáltat, ami lehetővé teszi a vegyi anyagok felhasználóinak, hogy biztosítsák a megfelelő ellenőrzéseket. Az évi 1000 tonna vagy annál nagyobb mennyiségben előállított vegyi anyagokat 2010 decemberéig, az 1 tonnánál nagyobb mennyiségeket pedig 2018 júniusáig kell regisztrálni.

A vegyi hulladékoknak csak kis hányada mérgező vagy veszélyes. Ezek többségét, valamint a természetes lebomlásnak ellenálló anyagokat magas hőmérsékleten elégetik. Amikor csak lehetséges, maga a hulladék szolgáltatja a tüzelőanyagot ehhez a folyamathoz. A keletkező gázokat alaposan megtisztítják és “tisztítják”, mielőtt a légkörbe bocsátják, és csak hamut hagynak hátra az ártalmatlanításra. A melléktermékekkel való bánásmódra a weboldalon található egységek során láthatunk példákat.

Milyen kihívásokkal kell ma szembenéznie a vegyiparnak?

A vegyipar világszerte hatalmas változásokon megy keresztül. Amint fentebb láttuk, az egyik a közel-keleti országok, valamint Kína, India és Brazília felemelkedése, mint a vegyi anyagok mamutméretű gyártói, saját fogyasztásra és világméretű exportra is. Ezen országok vállalatai az Egyesült Államokban és Európában is beruháznak üzemekbe, míg az amerikai és európai vállalatok ezekben a nagy feltörekvő országokban is beruháznak üzemekbe, így az iparág egésze teljesen nemzetközivé válik üzleti tevékenységét tekintve. Az amerikai és európai vállalatok számára az a kihívás, hogy csökkentsék költségeiket, miközben biztosítják, hogy megfeleljenek a környezetvédelem legjobb gyakorlatának. A környezetvédelemmel kapcsolatos aggodalmakról az egyes vegyi anyagokról szóló külön egységek szólnak.

Az új forradalom küszöbén állunk. Mivel a kőolaj és a földgáz egyre szűkösebbé és drágábbá válik, a vegyészek új alapanyagokat keresnek a kőolaj és a földgáz kiegészítésére vagy akár helyettesítésére. És újra felfedezik a szén (amely még mindig nagy mennyiségben áll rendelkezésre, noha ez egy olyan fosszilis tüzelőanyag, amelyet nem lehet helyettesíteni) és a biomassza erényeit.

Ezzel bezárul a kör. A 19. század végén és a 20. század első felében a szerves vegyipar nagyrészt a szénre és a biomasszára épült. A szenet levegő hiányában erősen hevítették, hogy széngáz (hidrogén, metán és szén-monoxid keveréke) keletkezzen. Melléktermékként folyadék (kőszénkátrány) keletkezett, amely számos hasznos szerves vegyi anyagot, többek között benzolt tartalmazott, a szilárd maradék pedig koksz volt, a szén tisztátalan formája. A koksz volt a forrása annak, amit ma szintézisgáznak nevezünk. Magas hőmérsékleten gőzt vezettek át rajta, hogy szén-monoxidot és hidrogént nyerjenek belőle. A szerves vegyi anyagok másik forrása a biomassza volt. Például számos C2 vegyszer forrása az etanol volt, amelyet a biomassza erjesztésével állítottak elő. A C3 és C4 vegyi anyagokat, például a propánont és a butanolt szintén nagy mennyiségben állították elő biomassza erjesztésével.

Azóta, az 1940-es évektől kezdve az ipar egyre jobb és jobb módszereket talált arra, hogy az olaj finomításából származó termékeket ne csak a fent említett összes vegyszer előállítására használják, hanem még sok másra is. Példa erre a petrolkémiai ipar növekedése, az új polimerek, mosószerek és számtalan kifinomult vegyi anyag alacsony költséggel történő előállításának sorával.

A legnagyobb kihívás tehát talán az, hogy megtaláljuk a nem megújuló erőforrásoktól való függőségünk csökkentésének módjait. Így, ahogy az olaj- és földgázkészletek fogynak, meg kell találnunk a módját annak, hogy a régebbi, biomasszán alapuló technológiákat a lehető legkörnyezetbarátabb módon használjuk a vegyi anyagok előállítására, a felhasznált energia és a keletkező szennyvíz tekintetében. Például bizonyos etént és egy sor polimert, valamint igen nagy mennyiségű etanolt állítanak ma már elő biomasszából.

A másik kihívás az, hogy csökkentsük az energiatermelésben a nem megújuló erőforrásoktól való függőségünket. Ennek legegyszerűbb módja, ha megtaláljuk a módját annak, hogy vegyi üzemeinket katalizátorok segítségével vagy alternatív útvonalak alkalmazásával alacsonyabb hőmérsékleten működtessük. Ez már komolyan elkezdődött, amint azt az előző fejezetben említettük. Az egy termelési egységre jutó energiafogyasztás 1994 óta az EU-ban mintegy 55%-kal, az USA-ban pedig 1990 óta mintegy 22%-kal csökkent. Ennek következtében a szén-dioxid-kibocsátás ugyanezen időszak alatt körülbelül ugyanennyivel csökkent.

A nanoanyagokon alapuló új technológiák szintén a vegyipar jövőbeni fejlődésének előterében fognak állni, és fontos lesz biztosítani, hogy e forradalmi anyagok előállítása biztonságos és gazdasági hasznot hozó legyen.

A vegyiparnak a 21. században számos kihívással kell szembenéznie, amelyeket le kell küzdenie ahhoz, hogy továbbra is minden nagyobb ország középpontjában maradhasson. Csak így segítheti az ipar a társadalmat életszínvonalának fenntartásában és javításában, méghozzá fenntartható módon.

A jelen egységben felhasznált adatok nagy része a CEFIC (Conseil Européen des Fédérations de l’Industrie Chimique, The European Chemical Industry Council) és az American Chemical Council által közzétett munkákból származik.