เคมีสีเขียว (Green Chemistry)

ผู้ช่วยศาสตราจารย์ ดร.วรวิทย์  จันทร์สุวรรณ
ปรับปรุงล่าสุด :  23 ธันวาคม 2565

 

ในปี ค.ศ. 1991 Anastas และ Warner ได้เสนอการใช้คำว่า เคมีสีเขียว (green chemistry) เป็นครั้งแรกในโครงการพิเศษที่จัดทำขึ้นโดยองค์การพิทักษ์สิ่งแวดล้อม สหรัฐอเมริกา (US Environmental Protection Agency; EPA) กำหนดนิยามของเคมีสีเขียวไว้ดังนี้ Green chemistry is the design of chemical products and processes that reduce or eliminate the use or generation of hazardous substances. Green chemistry applies across the life cycle of a chemical product, including its design, manufacture, use, and ultimate disposal ซึ่งจะเห็นได้ชัดว่าเคมีสีเขียวมีจุดประสงค์เพื่อพัฒนากระบวนการและเทคโนโลยีทางเคมีให้มีความเป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อมอันเป็นแนวทางพัฒนาแบบยั่งยืน โดยใช้หลักการและระเบียบวิธีทางเคมีเพื่อลดและป้องกันการเกิดมลพิษตั้งแต่แหล่งผลิต หลักการเปลี่ยนแปลงสมบัติภายในของผลิตภัณฑ์ทางเคมีหรือกระบวนการทางเคมีเพื่อลดความเสี่ยงต่อสุขภาพมนุษย์และสิ่งแวดล้อมให้น้อยลง

เคมีสีเขียวเป็นแนวคิดของการนำหลักการพื้นฐานที่คำนึงถึงความปลอดภัยในการใช้สารเคมีที่ไม่เป็นพิษหรือก่อให้เกิดอันตรายต่อผู้ที่เกี่ยวข้องในกระบวนการผลิต รวมทั้งคำนึงถึงการป้องกันหรือลดการปล่อยสารเคมีที่เป็นพิษออกสู่สิ่งแวดล้อม โดยอาศัยหลักการในการเลือกใช้วัตถุดิบการวางแผนและการออกแบบการผลิตและการใช้ผลิตภัณฑ์ที่เหมาะสม กล่าวได้ว่า เคมีสีเขียวจะให้ความสำคัญกับการป้องกันที่ต้นเหตุมากกว่าการแก้ปัญหาที่ปลายเหตุ ที่มีความแตกต่างจากเคมีสิ่งแวดล้อมที่ศึกษาถึงสาเหตุ แหล่งที่มา ปฏิกิริยาและผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมทั้งทางอากาศ ดิน และน้ำ รวมถึงผลกระทบต่อกิจกรรมในการดำรงชีวิตของมนุษย์ ซึ่งเคมีสีเขียวจะมองลึกไปที่รากเหง้าอันเป็นบ่อเกิดและจุดเริ่มต้นของปัญหามลภาวะต่อสิ่งแวดล้อม เช่น ถ้ามีการสังเคราะห์หรือผลิตสารเคมีตัวหนึ่งขึ้นมา โดยมีการใช้สารตั้งต้นหรือสารที่ใช้ในปฏิกิริยาตลอดจนกระทั่งตัวทำละลายที่เป็นอันตรายต่อสิ่งแวดล้อม การหาสารอื่นที่ไม่เป็นอันตรายทดแทนหรือการเปลี่ยนกระบวนการตลอดจนเลือกตัวทำละลายที่ไม่ก่อให้เกิดมลภาวะจะเป็นสิ่งที่เคมีสีเขียวคำนึงถึงและเลือกใช้เป็นแนวทางทดแทนกระบวนการเดิมที่ก่อให้เกิดมลพิษต่อสิ่งแวดล้อม

เมื่อพิจารณาถึงแนวคิดและหลักการสำคัญ จะเห็นได้ว่าเคมีสีเขียวสามารถสอดแทรกอยู่ได้ในเคมีพื้นฐานแขนงต่าง ๆ ไม่ว่าจะเป็น อินทรีย์เคมี อนินทรีย์เคมี ชีวเคมี เคมีชีวภาพ เคมีวิเคราะห์ และเคมีเชิงฟิสิกส์ ตลอดจนมีการประยุกต์ใช้ในภาคอุตสาหกรรมที่มีการใช้กระบวนการทางเคมีในแขนงต่างๆ เช่น ปิโตรเคมี โพลิเมอร์ นาโนเทคโนโลยี เป็นต้น ทั้งนี้ด้วยวัตถุประสงค์อันเป็นจุดมุ่งหมายเดียวกัน คือการทำให้เกิดมลภาวะน้อยที่สุด แต่เพิ่มประสิทธิผลและศักยภาพของกระบวนการผลิตและสังเคราะห์ ตลอดจนการนำไปใช้ประโยชน์

เคมีสีเขียวเป็นศาสตร์แขนงหนึ่งที่มุ่งเน้นการแก้ไขปัญหาสิ่งแวดล้อมจากจุดเริ่มต้น โดยมีหลักการ 12 ประการของเคมีสีเขียวที่ตีพิมพ์ในบทความโดย Anastas และ Warner (1998) สรุป

(1) ป้องกันการเกิดของเสีย (prevent waste) โดยการออกแบบกระบวนการการสังเคราะห์ที่ไม่ก่อให้เกิดของเสียเพื่อจะได้ไม่ต้องมีการกำจัดหรือบำบัดของเสียที่เกิดขึ้นในภายหลัง

(2) ออกแบบกระบวนการสังเคราะห์ให้สารตั้งต้นถูกนำไปใช้เป็นผลิตภัณฑ์มากที่สุด (atom economy) โดยการออกแบกระบวนการที่ให้ผลิตผลอันเกิดจากการรวมตัวของมวลสารตั้งต้นสูงสุด และมีการสูญเสียมวลสารที่ใช้น้อยที่สุด เพื่อที่จะใช้วัตถุดิบทุกชนิดให้คุ้มค่า โดยไม่ให้เหลือมากเกินไปในทุกกระบวนการของการผลิตจนกระทั่งได้ผลิตภัณฑ์สุดท้าย ขั้นตอนทางเคมีควรได้รับการออกแบบเพื่อลดการรวมตัวของวัสดุที่ใช้ในกระบวนการลงในผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้ายเป็นการวัดจำนวนอะตอมจากวัสดุเริ่มต้นที่มีอยู่ในรายการที่มีค่าจนถึงจุดสิ้นสุดของวัฏจักรสังเคราะห์ ผลิตภัณฑ์ข้างเคียงจากปฏิกิริยาที่ไม่เป็นประโยชน์สามารถนำไปสู่การประหยัดอะตอมและของเสียมากขึ้น

(3) ออกแบบกระบวนการสังเคราะห์ที่ไม่เป็นอันตรายหรือเป็นพิษน้อยหรือไม่เป็นพิษ (less hazardous chemical syntheses) หลีกเลี่ยงการใช้สารเคมีที่ไม่ปลอดภัยเป็นขั้นตอนเริ่มต้น ควรพิจารณาตัวเลือกที่ปลอดภัยมากกว่า นอกจากนี้ การมีของเสียอันตรายจากวัฏจักรสารหรือปฏิกิริยาเคมีเป็นสิ่งที่เราต้องพิจารณาหลีกเลี่ยง เนื่องจากอาจทำให้เกิดปัญหาในการกำจัด ดังนั้นขั้นตอนหรือวิธีการทางเคมีควรได้รับการออกแบบเพื่อใช้และสร้างสารที่มีความเป็นพิษน้อยหรือไม่มีพิษต่อสุขภาพของมนุษย์และสิ่งแวดล้อม

(4) ออกแบบสารเคมีและผลิตภัณฑ์ที่ไม่เป็นพิษ (designing safer chemicals and products) ผลิตภัณฑ์สังเคราะห์ควรได้รับการออกแบบเพื่อรักษาประสิทธิภาพของการทำงานในขณะที่ลดความเป็นพิษ

(5) ใช้ตัวทำละลายและกระบวนการที่ปลอดภัย (use safer solvents and reaction conditions) ปฏิกิริยาเคมีหลายอย่างจำเป็นต้องใช้ตัวทำละลายหรือสารอื่นๆ เพื่อเร่งกระบวนการ นอกจากนี้ยังมาพร้อมกับความเสี่ยงที่หลากหลาย รวมถึงการติดไฟและความผันผวน แม้ว่าตัวทำละลายจะหลีกเลี่ยงไม่ได้ในกระบวนการส่วนใหญ่ แต่ควรเลือกตัวทำละลายที่ปลอดภัยและเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม ได้แก่ น้ำ คาร์บอนไดออกไซด์เหลว (supercritical CO₂) และตัวทำละลายมีประจุ (ionic liquids) ในขณะที่ตัวทำละลายอินทรีย์ส่วนมากไม่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม ควรหลีกเลี่ยงใช้สภาวะที่รุนแรง เป็นพิษ มีกรดหรือด่างรุนแรง

(6) เพิ่มประสิทธิภาพของการใช้พลังงาน (design for energy efficiency) ด้านพลังงานควรได้รับการยอมรับสำหรับผลกระทบด้านสิ่งแวดล้อมและเศรษฐกิจและควรลดลง กระบวนการทางเคมีควรทำที่อุณหภูมิและความดันแวดล้อม ควรใช้พลังงานน้อยที่สุดในการผลิตผลิตภัณฑ์เคมีโดยทำปฏิกิริยาที่อุณหภูมิและความดันห้อง การกำจัดตัวทำละลายหรือวิธีการกำจัดสิ่งสกปรกอาจเพิ่มปริมาณพลังงานที่ต้องการและด้วยเหตุนี้ผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมของกระบวนการ

(7) ใช้สารหรือวัตถุดิบที่นำกลับมาใช้ใหม่ได้ (use renewable feedstock) ซึ่งรวมถึงการใช้วัสดุเหลือใช้หรือทิ้งแล้วจากกระบวนการอื่นๆ

(8) ลดการเกิดสารอนุพันธ์ (reduce derivatives) เช่นการใส่หมู่ป้องกัน (protecting group) ที่ต้องมีการเอาออกในภายหลัง ทั้งนี้ขั้นตอนการใส่หมู่ป้องกันและการเอาออก อาจจะเป็นการสร้างของเสียขึ้นมาได้

(9) ใช้ตัวเร่งปฏิกิริยา (use catalysts) ที่มีประสิทธิภาพ โดยหลีกเลี่ยงการใช้สารทำปฏิกิริยาในปริมาณมาก ปฏิกิริยาที่มีการใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาจะทำให้เกิดของเสียในปริมาณที่น้อยและสามารถใช้ซ้ำได้หลายครั้งในปฏิกิริยาแบบเดียวกัน

(10) ออกแบบให้ผลิตภัณฑ์ที่ใช้แล้วมีการสลายตัวโดยไม่ก่ออันตราย (design for degradation) ภายหลังการใช้งานผลิตภัณฑ์หรือสารที่ได้จากกิจกรรมนั้นๆ จะต้องมีการสลายตัวในรูปที่ไม่เป็นอันตรายหรือสะสมในสิ่งแวดล้อม

(11) มีการวิเคราะห์อย่างทันท่วงทีเพื่อป้องกันการเกิดมลภาวะ (real time analysis for pollution prevention) มีกระบวนการวิเคราะห์แบบทันทีของผลข้างเคียงจากปฏิกิริยา โดยการตรวจสอบและควบคุมตั้งแต่ขั้นตอนการผลิตจนเสร็จสิ้นเพื่อลดหรือกำจัดการเกิดผลข้างเคียง

(12) ใช้สารเคมีที่ลดอัตราการเกิดอุบัติเหตุ (inherently safer chemistry for accident prevention) โดยการออกแบบและควบคุมปฏิกิริยาไม่ว่าอยู่ในสภาวะของแข็ง ของเหลว หรือแก๊ส เพื่อป้องกันมิให้เกิดการระเบิด ลุกติดไฟหรือถูกปลดปล่อยเข้าสู่ธรรมชาติ

เคมีพื้นฐานและเคมีประยุกต์แขนงต่าง ๆ ล้วน แล้วแต่เกี่ยวข้องกับเคมีสีเขียว ถ้ามีวัตถุประสงค์อันเป็นจุดมุ่งหมายเดียวกัน คือมุ่งเน้นการแก้ไขปัญหาสิ่งแวดล้อมจากจุดเริ่มต้นโดยคำนึงถึงหลักทั้ง 12 ข้อ โดยสรุปหลักการทั้งหมดสามารถมองเห็นเป็นภาพกว้าง ๆ ครอบคลุมหัวใจหลักของเคมีสีเขียวได้ดังนี้

• การออกแบบกระบวนการสังเคราะห์ให้ได้ผลิตผลมากที่สุด
• การเลือกใช้กระบวนการที่ปลอดภัยและเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม
• การออกแบบและเลือกใช้กระบวนการที่ใช้พลังงานอย่างมีประสิทธิภาพสูงสุด
• สิ่งที่ดีที่สุดของการจัดการของเสียคือการไม่สร้างของเสีย

จากหลักสำคัญของเคมีสีเขียวข้างต้นเพื่อนำไปสู่เป้าหมายแห่งการพัฒนาอย่างยั่งยืน สามารถกำหนดนิยามใหม่ของหลักของเคมีสีเขียวเป็น 3 กลุ่มคือ การป้องกันมลพิษและอุบัติเหตุ (pollution and accident prevention) การประกันความปลอดภัย (safety and security assurance) และ พลังงานและความยั่งยืนของทรัพยากร (energy and resource sustainability) ดังภาพที่ 1 (Chen, et al., 2020)

ภาพที่ 1 แนวทางการนำไปใช้ของหลักการเคมีสีเขียวสู่เป้าหมายแห่งการพัฒนาอย่างยั่งยืน (Chen, et al., 2020)

 

 

หลักการพื้นฐาน 12 ข้อของเคมีสีเขียวมุ่งเพื่อออกแบบกระบวนการผลิตทางเคมีให้มีประสิทธิภาพ ใช้วัตถุดิบ สารเคมี ตัวทำละลาย สารช่วยและพลังงานอย่างคุ้มค่า เพื่อให้เกิดประสิทธิผลสูงสุด ปกป้องรักษาสุขภาพของมนุษย์และมีความเป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อมให้มากที่สุด หลักการพื้นฐาน 12 ข้อของเคมีสีเขียว เมื่อนำอักษรตัวแรกสุดของแต่ละบรรทัดมาประกอบกันจะได้คำว่า PRODUCTIVELY ซึ่งหมายถึง ก่อให้เกิดผลอย่างมีประสิทธิภาพ (Tang, Smith & Poliakoff, 2005)

ตารางที่ 1 แนวคิดสำคัญของหลักการเคมีสีเขียว

หลักการ 12 ข้อ	แนวคิด
1. Prevent waste	ป้องกันไม่ให้เกิดของเสียจะดีกว่าการบำบัดหรือทำความสะอาดภายหลังเมื่อของเสียเกิดขึ้นแล้ว
2. Renewable materials	การใช้สารหรือวัตถุดิบที่นำกลับมาใช้ใหม่ได้ซึ่งรวมถึงการใช้วัสดุเหลือใช้หรือทิ้งแล้วจากกระบวนการอื่นๆ
3. Omit derivatization steps	หลีกเลี่ยงการสร้างสารอนุพันธ์ การป้องกันและการถอนการป้องกัน การเปลี่ยนแปลงชั่วคราวของกระบวนการทางกายภาพและทางเคมีโดยไม่จำเป็น
4. Degradable chemical products	ออกแบบผลิตภัณฑ์ทางเคมีที่แน่ใจได้ว่าหลังจากการใช้งานแล้วจะไม่ตกค้างอยู่ในสิ่งแวดล้อมหรือจะสลายตัวไปเป็นผลิตภัณฑ์ที่ไม่เป็นพิษ
5. Use safe synthetic methods	ออกแบบวิธีสังเคราะห์ที่ใช้หรือสร้างสารเคมีที่มีความเป็นพิษต่ำหรือไม่เป็นพิษต่อสุขภาพของมนุษย์และสิ่งแวดล้อมเลยทุกครั้งที่สามารถทำได้
6. Catalytic reagents	ใช้สารทำปฏิกิริยาแบบเร่งปฏิกิริยาที่มีความเฉพาะเจาะจงสูง ดีกว่าใช้สารทำปฏิกิริยาแบบปริมาณสัมพันธ์
7. Temperature, pressure ambient	คำนึงถึงสิ่งแวดล้อมและผลกระทบทางเศรษฐศาสตร์ทุกครั้งที่ต้องใช้พลังงาน และควรใช้พลังงานให้น้อยที่สุด วิธีสังเคราะห์ต้องทำที่อุณหภูมิและความดันปกติ
8. In-process monitoring	พัฒนาวิธีวิเคราะห์อย่างต่อเนื่องเพื่อทำให้สามารถตรวจวัดค่าแบบเรียลไทม์ในขณะผลิตและสามารถควบคุมได้ก่อนที่จะเกิดเป็นสารเคมีอันตราย
9. Very few auxiliary substances	หลีกเลี่ยงการใช้สารช่วยต่างๆ เช่น ตัวทำละลาย สารช่วยในการแยกและอื่น ๆ ถ้าจำเป็นต้องใช้จะต้องเลือกใช้สารที่ไม่เป็นพิษทุกครั้งที่สามารถทำได้
10. E-factor, maximize feed in product	ออกแบบวิธีสังเคราะห์ให้วัสดุทุกชนิดที่ใช้ในกระบวนการรวมเข้าไปอยู่ในผลิตภัณฑ์สุดท้ายให้ได้มากที่สุด
11. Low toxicity of chemical products	ออกแบบผลิตภัณฑ์เคมีให้มีผลในการใช้งานตามที่ต้องการ ในขณะที่ต้องทำให้ความเป็นพิษลดลง
12. Yes, it is safe	เลือกสารและรูปแบบของสารที่ใช้ในกระบวนการทางเคมีที่ลดโอกาสการเกิดอุบัติเหตุทางเคมี ได้แก่ การรั่วไหล การระเบิด และการเกิดเพลิงไหม้

 

• ณัฏฐ์คณิน ศุภเมธานนท์ และคณะ. (2559). เคมีสีเขียว (Green Chemistry). วารสารวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี มหาวิทยาลัยอุบลราชธานี. 18(3), 1-15.
• ณัฏฐกานต์ เกตุคุ้ม. (ม.ป.ป.). กลยุทธ์การจัดการสารเคมีด้วยเคมีสีเขียว. วารสารกรมวิทยาศาสตร์บริการ. หน้า 18-19.
• วิบูลย์ ประดิษฐ์เวียงคำ. (2554). เคมีวิเคราะห์สีเขียว Green Analytical Chemistry. วารสารวิทยาศาสตร์ลาดกระบัง. 20(2), 30−44.
• Anastas, P.T. (1994). Benign by Design.
• Anastas, P.T. (2018). Origins and Early History of Green Chemistry.
• Anastas, P.T. & Eghbali, N. (2010). Green chemistry: principles and practice. Chemical Society Reviews, 39(1), 301-312.
• Basics of Green Chemistry. (2022, May 27). EPA.
• Chen, T.L., Kim, H., Pan, S.Y., Tseng, P.C., Lin, Y.P., & Chiang, P.C. (2020). Implementation of green chemistry principles in circular economy system towards sustainable development goals: Challenges and perspectives, Science of The Total Environment, 716,136998.
• The 12 Principles of Green Chemistry in Reaction Design
• Linthorst, J.A. (2010). An overview: origins and development of green chemistry. Foundations of Chemistry. 12, 55–68. https://doi.org/10.1007/s10698-009-9079-4