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Revista Carácter, diciembre 201 9 , Vol. 7 , No. e-ISSN: 2602-8476, ISSN: 1390 - 7662 www.upacifico.edu.ec/revistacaracter https://doi.org/10.35936/caracter.v7i1. Los aspectos y principios básicos de la química verde, la ingeniería sostenible, la sostenibilidad y la economía circular. The basic aspects and principles of green chemistry, sustainable engineering, sustainability and circular economy. A. Cevallos Camacho 1 J. Muñoz 2 Kurt Freund R. 3 Recibido: noviembre 2019 / Aceptado: diciembre 2019 / Publicado: diciembre 201 9 Resumen: El desarrollo de la ciencia en el siglo XX nos ha traído importantes avances tecnológicos: la creación de polímeros que dan lugar a plásticos, nuevos medicamentos para los cuales la esperanza de vida se ha incrementado significativamente, la tecnología que nos ha llevado a la globalización. Aunque han mejorado nuestro estilo de vida; su producción implica procesos contaminantes e ineficiencia en el uso de materia y energía. El consiguiente impacto global es notorio: el hecho de que el clima del planeta está cambiando principalmente debido a la actividad humana que implica el uso de energía y productos de hidrocarburos y fuentes no renovables, lo que contribuye a aumentar las concentraciones de gases de efecto invernadero y al calentamiento global. La contaminación del agua y el suelo por el uso indiscriminado de productos químicos peligrosos, los desechos industriales a menudo vertidos en ríos y la lluvia ácida han amenazado la biodiversidad de nuestro planeta. Se sospecha que algunos productos químicos de uso común podrían causar cáncer y otros resultados adversos para la salud humana y ambiental. El concepto de Química Verde aparece como una evolución natural de las iniciativas de prevención de la contaminación, tratando de eliminar los desechos de su fuente, utilizando productos químicos seguros como materia prima también obtenida de fuentes renovables si es posible. Las reacciones químicas deben mejorar la eficiencia, diseñando mecanismos donde todos los átomos se involucren para alcanzar el producto deseado en el menor número de pasos posible. Esto debe ir acompañado de una implementación a nivel industrial, aquí aparece el concepto de Ingeniería Verde que busca que el diseño industrial sea lo más amigable con el medio ambiente posible. Todos los campos de Ingeniería y Química Verde deben aplicarse bajo el marco de sostenibilidad y economía circular. En este documento, se discutirán los conceptos básicos de estos temas para dar una perspectiva diferente a los profesionales de todos los campos sobre la importancia de su aplicación, no solo para la paliación de los problemas ambientales actuales, sino para mostrar alternativas a los procesos industriales reales, obteniendo mejores resultados. retornos económicos con su aplicación al tiempo que mejora la tecnología en la industria y evita la contaminación de la Tierra. Palabras Clave : Química Verde, Ingeniería Verde, Sostenibilidad, Economía Circular, Calentamiento Global. (^1) A. Cevallos Camacho (^2) Green Science. john@green-science.net (^3) Rector Universidad Del Pacífico, Guayaquil-Ecuador. kurt.freund@upacifico.edu.ec Forma sugerida de citar: Cevallos, A. Muñoz,J. Freund,K.. (2019). Los aspectos y principios básicos de la química verde, la ingeniería sostenible, la sostenibilidad y la economía circular.. Carácter, 7(1),39- 51. https://doi.org/10.35936/caracter.v7i1. Esta obra está bajo una licencia de Creative Commons Reconocimiento-NoComercial 4.0 Internacional.
economía circular. Revista Carácter, diciembre 2019, Vol. 7, No. e-ISSN: 2602-8476, ISSN: 1390- 7662 Abstract: The development of science in the twentieth century has brought us important technological advances: the creation of polymers giving rise to plastics, new drugs for which life expectancy has been significantly increased, the technology that has led us to globalization. Although they have improved our lifestyle; their production involves polluting processes and inefficiency in matter and energy use. The consequent global impact is notorious: the fact of the planet's climate is changing mainly due to human activity which involves the use of energy and products from hydrocarbons and non-renewable sources, contributing to increase the greenhouse gas concentrations and to global warming. Water and soil contamination by indiscriminate use of hazardous chemicals, industrial wastes often dumped in rivers and acid rain have threatened the biodiversity of our planet. It is suspected that some commonly used chemicals could cause human cancer and other adverse outcomes for human and environmental health. The Green Chemistry concept appears as a natural evolution of pollution prevention initiatives, trying to eliminate wastes from its source, using safe chemicals as raw material also obtained from renewable sources if possible. Chemical reactions must improve efficiency, designing mechanisms where all atoms get involved to reach the desired product in the least number of steps possible. This must be accompanied by an industrial level implementation, here appears Green Engineering concept which look for the industrial design to be as friendly to the environment as possible. All Engineering fields and Green Chemistry must be applied under the sustainability and the circular economy framework. In this document, basic concepts of these topics will be discussed to give a different perspective to professionals of all fields about the importance of its application, not only for the palliation of current environmental problems, but to show alternatives to actual industrial processes, obtaining better economic returns with their application while improving technology in the industry and avoiding pollution of the Earth. Keywords: Tlatelolco, protest, discourse, press, poetry.
economía circular. Revista Carácter, diciembre 2019, Vol. 7, No. e-ISSN: 2602-8476, ISSN: 1390- 7662 Figura 1 Relación entre sostenibilidad, ingeniería sostenible y química verde. El problema La química ha contribuido enormemente a mejorar la calidad de la vida humana. Durante muchos años, los fabricantes adoptaron el enfoque de que el mundo es grande y la producción de productos químicos es relativamente pequeña, por lo que los productos químicos podrían ser absorbidos por el medio ambiente sin efecto. En el siglo XX, el crecimiento de las industrias químicas y afines no tuvo precedentes y representó la principal fuente de exportaciones en las naciones más poderosas del mundo. Entre algunas de las principales se encuentran productos químicos derivados de las industrias petroquímica, agrícola y farmacéutica. El desarrollo de los polímeros, que conforman los plásticos y otras sustancias, también fue un avance importante para el estilo de vida que hoy llevamos. Sin embargo, este crecimiento vino acompañado de emisiones contaminantes hacia la atmósfera, el agua y el suelo, provocando el aumento de gases de efecto invernadero, principalmente de dióxido de carbono (CO2), lo que está ocasionando el calentamiento global que vivimos actualmente. También ha afectado la vida acuática debido a que las industrias suelen derivar sus desechos hacia los ríos cercanos, inclusive haciendo caso omiso sobre la regulación ambiental vigente; razón por la cual las especies que dependen de estos ecosistemas tienden a desaparecer o disminuir significativamente su población. Así mismo, esta contaminación termina llegando a los océanos, afectando a las especies que ahí habitan, inclusive las que sirven para consumo humano, por lo que al final, toda esa contaminación termina en nuestro organismo, lo que propicia el aparecimiento de cáncer y otras afecciones. Además, la contaminación de los ríos y océanos puede traer consecuencias globales importantes, poniendo en riesgo la seguridad alimentaria y el acceso al agua potable en un mundo donde la población crece exponencialmente. El uso del suelo en la agricultura, si bien es una fuente importante de la alimentación global, también tiene consecuencias ambientales debido al uso de sustancias como plaguicidas, herbicidas, abonos químicos y demás productos, lo que provoca el agotamiento y contaminación del suelo haciendo que éste cada vez se vuelva más pobre en nutrientes y, como
economía circular. Revista Carácter, diciembre 2019, Vol. 7, No. e-ISSN: 2602-8476, ISSN: 1390- 7662 consecuencia, se tenga que talar más bosques para acceder a terrenos nuevos donde se pueda cultivar. La deforestación es la principal causa de sequías y erosión del suelo, poniendo en peligro, nuevamente, nuestra seguridad alimentaria. Además, en un ambiente seco y caliente es bastante fácil que se produzcan incendios, lo que lleva a más emisión de gases de efecto invernadero, agravando aún más el calentamiento global. Al observar todo esto en conjunto, es evidente que la continuidad de nuestra especie está en peligro debido a nuestras propias acciones, por lo que es imperativo empezar a trabajar utilizando eficientemente energías limpias que no provengan de hidrocarburos y cuya huella de carbono tienda a cero. Además, los productos industriales deben ser amigables con el medio ambiente, lo que conlleva al desarrollo e implementación de nuevas tecnologías de procesos más limpios y eficientes, intentando usar siempre sustancias no contaminantes, evitando al máximo la emisión de residuos al ambiente y, de haberlos, intentar aprovecharlos aplicando principios de economía circular. Química Verde La Química Verde o Química Sostenible en términos muy simples es solo una forma diferente de pensar acerca de cómo se puede hacer la química y la ingeniería química. Se esfuerza por minimizar la producción de desechos, promover el uso de recursos renovables y reciclados además de lograr la mayor eficiencia energética posible. Se basa en el diseño o rediseño de productos químicos a nivel molecular básico. Además, ésta es diferente a la química ambiental, en la que se estudia las interacciones de las sustancias con el ambiente, sus consecuencias en los ecosistemas, la naturaleza y destino de los productos contaminantes. En cambio, la química verde se enfoca en encontrar métodos para minimizar la emisión de sustancias indeseadas en los ecosistemas. La química verde aplica principios químicos fundamentales para obtener productos que son inherentemente menos tóxicos, ya sea para los seres humanos o para el ecosistema, en comparación a los productos químicos existentes en la actualidad. Esta ciencia también es aplicable a cualquiera de los diversos ámbitos del ciclo de vida del producto químico, desde su diseño y fabricación hasta el uso y, finalmente, su eliminación. Además, no solo es una forma de proteger el medio ambiente al prevenir la contaminación antes de su creación, sino también permite aumentar la eficiencia en los procesos y reducir los costos de producción como una oportunidad para que las empresas aligeren sus cargas medioambientales y ganen dinero. A través de los años se han propuesto diversos principios que pueden ser usados al pensar en el diseño, desarrollo e implementación de productos y procesos químicos. Estos principios permiten a los científicos e ingenieros proteger y beneficiar a la economía, a las personas y al planeta al encontrar formas creativas e innovadoras para reducir el desperdicio, conservar energía y descubrir reemplazos para sustancias peligrosas. Es importante tener en cuenta que el alcance de estos principios de química verde y de ingeniería va más allá de las preocupaciones sobre los peligros de la toxicidad química e incluye consideraciones de conservación de energía, reducción de desechos y ciclo de vida, como el uso de materias primas más sostenibles o renovables y el diseño para fin de la vida útil o la disposición final del producto. En su libro Green Chemistry: Theory and Practice publicado en 1998, Anastas y Wagner proponen 12 principios que se deben seguir y que permiten la aplicación de la Química Verde en la industria.
economía circular. Revista Carácter, diciembre 2019, Vol. 7, No. e-ISSN: 2602-8476, ISSN: 1390- 7662 líquido o gas) usadas en un proceso químico debe ser elegida para minimizar las posibilidades de producir accidentes químicos, incluyendo fugas, explosiones e incendios. Ingeniería Sostenible La Agencia de Protección Ambiental de Estados Unidos (EPA, por sus siglas en inglés) define la ingeniería verde como “el diseño, la comercialización y el uso de procesos y productos que son viables y económicos, al tiempo que minimizan la generación de contaminación en la fuente y el riesgo para la salud humana y el medio ambiente”. El objetivo de la ingeniería sostenible es minimizar el impacto de los procesos químicos en la salud humana y el medio ambiente. Las estrategias con conciencia ambiental deben estar enfocadas a reducir los riesgos para los ecosistemas, los trabajadores, los consumidores y la población en general, mientras que los fabricantes y proveedores reducen sus costos de producción. Los ingenieros deben aplicar la evaluación de riesgos a la prevención de la contaminación en sus estrategias. Los métodos de evaluación de riesgos ayudan a cuantificar el grado de impacto ambiental de productos químicos individuales y de sus procesos de fabricación. Además, los ingenieros deben emplear tecnologías para controlar estos riesgos como un elemento del diseño de procesos y productos, teniendo en cuenta la probabilidad de que ocurran en ciertas ocasiones. Por lo tanto, una diferencia fundamental entre la Química Verde y la Ingeniería Sostenible es que ésta última asume el riesgo como un elemento aceptable a ser controlado, en lugar de intentar diseñar un producto químico en particular sin ningún riesgo de contaminación. Al aplicar los conceptos de evaluación de riesgos a los procesos y productos, el ingeniero puede lograr lo siguiente:
- Estimar los impactos en la salud y el medio ambiente de productos químicos específicos en las personas y los ecosistemas.
- Priorizar aquellos productos químicos que deben minimizarse o eliminarse.
- Optimizar el diseño del proceso para evitar o reducir los impactos en la salud y el medio ambiente.
- Diseñar productos y procesos más verdes. La ingeniería sostenible también se ocupa del análisis de todo el sistema, lo que crea una oportunidad para considerar los impactos en todo el ciclo de vida de un producto o proceso en particular. En un análisis del ciclo de vida, se consideran los impactos ambientales en varias etapas del proceso. Un ejemplo de esto son los vehículos eléctricos, en donde puede considerarse que sus emisiones son “cero”. Sin embargo, si se toma en cuenta que la electricidad que se usa para cargar sus baterías muchas veces proviene de una central eléctrica, en la que se usan hidrocarburos o carbón para generar energía, es necesario asignar una parte del impacto ambiental de la central al vehículo. Por lo tanto, la operación de éste ya no es realmente de “cero emisiones”. Además, las baterías que usan estos vehículos contienen litio y otras especies de extracción minera cuyos procesos suelen ser muy contaminantes, sobre todo hacia el suelo y el agua. Este tipo de análisis son necesarios y deben ser realizados para asignar adecuadamente todos los impactos de un producto o proceso y, por lo tanto, esto permite elegir el producto que posea menor impacto ambiental real en todo su ciclo de vida. La ingeniería sostenible exige que se preste atención a un conjunto más amplio de especificaciones o restricciones de diseño de lo que se hace actualmente. Si todo lo que se pretende hacer es obtener un producto nuevo y llevarlo al mercado lo más rápido posible, esto puede parecer abrumador al principio. Sin embargo, es algo que debe tomarse muy en cuenta si queremos vivir en un mundo sostenible.
economía circular. Revista Carácter, diciembre 2019, Vol. 7, No. e-ISSN: 2602-8476, ISSN: 1390- 7662 Principios de la Ingeniería Sostenible Los 12 principios de la ingeniería verde fueron propuestos por Paul Anastas y Julie Zimmerman y publicados en Environmental Science and Technology. Según Anastas y Zimmerman, hay dos conceptos fundamentales que los Ingenieros deben integrar en su diseño: "Consideraciones del ciclo de vida y el primer principio de la ingeniería verde, la inherencia".
- Intrínseco es mejor que circunstancial: Los ingenieros deben esforzarse por garantizar que todos los materiales, las entradas y salidas de energía sean tan intrínsecamente no peligrosos como sea posible.
- Prevención en lugar de tratamiento: Es mucho mejor prevenir los desechos y la contaminación que enfocarse en el tratamiento de residuos una vez obtenidos. Desde una perspectiva empresarial esto tiene bastante sentido. Si se compra una cantidad de material y se utiliza solo la mitad, posteriormente se deberá desechar adecuadamente el resto. Por lo tanto, se está pagando por la compra inicial y luego por los costos de eliminación o tratamiento, gastando más dinero del que en realidad es necesario y contaminando el ambiente en el proceso.
- Diseñar para la separación: Las operaciones de separación y purificación deben ser diseñadas para minimizar el consumo de energía y materiales usados. Los procesos de separación industriales son muy intensivos energéticamente. Un ejemplo de esto es la separación para líquidos y gases condensables que, históricamente, se realiza por destilación fraccionada basándose en los diferentes puntos de ebullición de los componentes a separar. El consumo energético de las refinerías involucra la destilación del petróleo crudo para obtener sus diferentes fracciones y la posterior obtención de sus componentes mediante métodos térmicos o catalíticos. Además, muchos solventes de naturaleza orgánica también involucran la destilación en sus procesos, por lo que su huella de carbono se ve aumentada significativamente. Por lo tanto, evitar la destilación, hacerla más eficiente o buscar alternativas es un aspecto muy importante en donde se puede aplicar el tercer principio de la ingeniería sostenible.
- Maximizar la eficiencia: Los productos, procesos y sistemas deben diseñarse para maximizar la eficiencia de masa, energía, espacio y tiempo. Esto permite aprovechar todos los recursos introducidos en un proceso para obtener el producto deseado, evitando las pérdidas de éstos que derivan en pérdidas económicas.
- Los productos, procesos y sistemas deberían estar orientados hacia la “producción bajo demanda” (“output pulled”) más que hacia el “agotamiento de la alimentación” (“input pushed”) : En el área de producción, esto significa que debería tenderse, tanto como sea posible, a la producción bajo pedido, con aprovisionamiento “just in time” y reducción máxima del almacenamiento y manejo de excedentes. Aunque desde un punto de vista contable esto sin duda es un objetivo ideal perseguido por todas las empresas, es inevitable que esta orientación choque con la necesidad de reducir y asegurar los plazos de entrega. En todo caso, es claro que el mismo efecto negativo que puede observarse en un flujo de caja de una empresa, puede aplicarse al “flujo de materia” o “flujo de energía” del producto: un sobreexceso de hace aumentar el nivel de emisiones y la probabilidad de fallo.
economía circular. Revista Carácter, diciembre 2019, Vol. 7, No. e-ISSN: 2602-8476, ISSN: 1390- 7662 fuentes renovables en la mayor cantidad posible. Claramente, los recursos naturales y energéticos actualmente son consumidos a una tasa tan alta que supera la capacidad del medio ambiente para reponer estos recursos por lo que, eventualmente, se agotarán y no podremos tener acceso a ellos para un uso futuro. Por lo tanto, los procesos y los productos deben diseñarse para consumir materias primas solo a la velocidad a la que se pueden reponer. Sostenibilidad La sostenibilidad se basa en un principio simple: todo lo que necesitamos para nuestra supervivencia y bienestar depende, directa o indirectamente, de nuestro entorno natural. Perseguir la sostenibilidad es crear y mantener las condiciones bajo las cuales los seres humanos y la naturaleza pueden existir en armonía productiva para apoyar a las generaciones presentes y futuras. Por sostenibilidad, generalmente se entiende un estado o condición que permite satisfacer las necesidades económicas y sociales sin comprometer los recursos naturales y la calidad ambiental que son la base de la salud humana, la seguridad y el bienestar económico. El desarrollo sostenible es la ruta para lograr este estado beneficioso para las generaciones actuales y futuras a través de procesos innovativos en los que se adoptan nuevas herramientas, modelos y enfoques para promover la prosperidad económica y minimizar los impactos globales adversos. Claramente, la sostenibilidad involucra el análisis de todo el sistema y un pensamiento a escala global. La ingeniería sostenible incorpora el desarrollo e implementación de productos, procesos y sistemas tecnológica y económicamente viables que promueven el bienestar humano al tiempo que protegen la salud humana y elevan la protección de la biosfera como un criterio indispensable en las soluciones de ingeniería. Por lo tanto, se deben transformar las disciplinas y las prácticas de la ingeniería actual a aquellas que promuevan la sostenibilidad. Al implementar soluciones de ingeniería sostenible, los ingenieros deben tomar en consideración los siguientes principios:
- Diseñar procesos y productos de manera holística, en donde se integren herramientas que permitan realizar análisis del sistema y evaluaciones del impacto ambiental.
- Conservar y mejorar los ecosistemas naturales al tiempo que protege la salud y el bienestar humanos.
- Usar el análisis del ciclo de vida en todas las actividades de ingeniería.
- Se debe asegurar que todas las entradas y salidas de materia y energía sean tan intrínsecamente seguras y benignas como sea posible.
- Minimizar la explotación y el agotamiento de los recursos naturales.
- Hacer todos los esfuerzos por evitar el desperdicio y los desechos.
- Desarrollar y aplicar soluciones de ingeniería considerando la geografía local, las aspiraciones de la población y la cultura del lugar en donde se implementan.
- Se debe crear soluciones de ingeniería que vayan más allá de las tecnologías actuales o dominantes. Mejorar, innovar e inventar tecnología para lograr la sostenibilidad.
- Involucrar activamente a las comunidades y partes interesadas en el desarrollo de soluciones de ingeniería.
- Existe el deber de informar a la sociedad sobre la práctica de la ingeniería sostenible.
economía circular. Revista Carácter, diciembre 2019, Vol. 7, No. e-ISSN: 2602-8476, ISSN: 1390- 7662 Economía Circular Tomando como ejemplo el modelo cíclico de la naturaleza, la economía circular se presenta como un sistema de aprovechamiento de recursos donde prima la reducción de los elementos: minimizar la producción al mínimo indispensable, y cuando sea necesario hacer uso del producto, apostar por la reutilización de los elementos que por sus propiedades no pueden volver al medio ambiente. Es decir, la economía circular aboga por utilizar la mayor parte de materiales biodegradables posibles en la fabricación de bienes de consumo para que éstos puedan volver a la naturaleza sin causar daños ambientales al agotar su vida útil. En los casos que no sea posible utilizar materiales amigables con el ambiente, como es el caso de los componentes electrónicos, metálicos o las baterías, estos deberán presentar un desacople sencillo para darle una nueva vida reincorporándolos al ciclo de producción, formando parte de una nueva pieza. Cuando no sea posible, se reciclará de una manera respetuosa con el ambiente. A diferencia de otros modelos donde prima el aspecto económico por encima del social o ambiental, la economía circular supone una sustancial mejora tanto para las empresas como para para los consumidores. Las empresas que han puesto en práctica este sistema están comprobando que reutilizar los recursos resulta mucho más rentable que crearlos desde cero. Como consecuencia, los precios de producción se reducen, de manera que el precio de venta también se ve rebajado, beneficiando así al consumidor; no sólo en lo económico, sino también en la vertiente social y ambiental. Principios de la economía circular Se han propuesto diez principios básicos que definen cómo debe funcionar la economía circular:
- El residuo se convierte en recurso: es la principal característica. Todo el material biodegradable vuelve a la naturaleza y el que no es biodegradable se reutiliza.
- El segundo uso: reintroducir en el circuito económico aquellos productos que ya no corresponden a las necesidades iniciales de los consumidores.
- La reutilización: reusar ciertos residuos o partes de estos, que todavía pueden funcionar para la elaboración de nuevos productos.
- La reparación: encontrar una segunda vida a los productos estropeados.
- El reciclaje: utilizar los materiales que se encuentran en los residuos.
- La valorización: aprovechar energéticamente los residuos que no se pueden reciclar.
- Economía de la funcionalidad: Cuando el producto termina su función principal, vuelve a la empresa, que lo desmontará para reutilizar sus piezas válidas.
- Energía de fuentes renovables: eliminación del uso de hidrocarburos para obtener el producto, reutilizar y reciclar.
- La eco-concepción: considera los impactos medioambientales a lo largo del ciclo de vida de un producto y los integra desde su concepción.
- La ecología industrial y territorial: establecimiento de un modo de organización industrial en un mismo territorio caracterizado por una gestión optimizada de los stocks y de los flujos de materiales, energía y servicios.
economía circular. Revista Carácter, diciembre 2019, Vol. 7, No. e-ISSN: 2602-8476, ISSN: 1390- 7662 Referencias Development, O. of R. &. (n.d.). Sustainability and Sustainable Development. Obtenido de https://cfpub.epa.gov/si/si_public_record_report.cfm?Lab=NRMRL&dirEntryId= Consultado el 19 de julio de 2019 Ignacio, J., & Cívicos, G. (2015). Gómez Cívicos, J. I., Ingeniería Verde: Doce principios para la Sostenibilidad, Ingeniería Química, 458, 168-175 ResearchGate, 175(September), 168–175. Marteel-Parrish, A. E., & Abraham, M. A. (2014). Green Chemistry and Engineering. In Green Chemistry and Engineering. https://doi.org/10.1002/9781118720 011 US EPA, OA. (n.d.). Learn About Sustainability. Obtenido de https://www.epa.gov/sustainability/learn-about-sustainability#what Consultado el 21 de julio de 2019 US EPA, OCSPP. (n.d.). Green Engineering. Obtenido de https://www.epa.gov/green-engineering Consultado el 21 de julio de 2019
