Umwelt und Chemie

Chemie hat sowohl positive als auch negative Auswirkungen auf unsere Umwelt. Während chemische Prozesse unseren Wohlstand ermöglichen, können sie auch zu Umweltverschmutzung führen. Erfahren Sie, wie Green Chemistry (nachhaltige Chemie) diesen Konflikt löst und wie die chemische Industrie heute zum Umweltschutz beiträgt – von der Reduzierung schädlicher Emissionen bis zur Entwicklung nachhaltiger Verfahren in der Oberflächentechnik.

Umwelt und Chemie: Zwischen Nutzen und Risiken

Chemie ist jene Naturwissenschaft, die sich mit der Umwandlung von Stoffen beschäftigt. Sie ist weder gut noch böse, weder Freund noch Feind von irgendetwas oder irgendjemandem. Die Allgemeinheit verwendet den Begriff oft gleichbedeutend mit chemischer Industrie oder einfach nur mit Chemikalien. Streng genommen ist das die praktische Anwendung chemischer Erkenntnisse bzw. deren Ergebnis. Dabei treten zwangsläufig Wechselwirkungen zwischen Umwelt und Chemie auf.

Chemische Prozesse als Triebkraft menschlicher Entwicklung

Die Menschen nutzen von Anfang an die Umwandlung von Stoffen aus ihrer Umwelt. Die Chemie hat sich daraus erst relativ spät als Naturwissenschaft entwickelt. Der erste chemische Prozess, den Menschen gezielt herbeigeführt haben, ist vermutlich die Verbrennung. Die Wärme, die freigesetzt wird, während trockenes Gras oder Holz, später auch Kohlen, in Rauch und Flammen aufgehen und sich dabei mit dem Sauerstoff aus der Luft zu Kohlendioxid, Wasserdampf, Ruß und Asche umwandeln, hat die technische Entwicklung ermöglicht.

Chemische Prozesse liegen auch der Umwandlung von Erzen in Metalle, der Oberflächentechnik, der Herstellung von Leder aus Tierhäuten, der Gewinnung von Farben und vielen anderen Tätigkeiten zugrunde. Dabei sind die Menschen meistens unbewusst hohe Risiken eingegangen. Viele verwendete Stoffe waren gesundheitsschädlich, Feuer ist außer Kontrolle geraten und hat Hab und Gut vernichtet, die Umwelt wurde durch Abfälle belastet. Beispielsweise waren häufig giftige Blei- oder Quecksilberverbindungen Bestandteil von Farben.

Die Entwicklung der Naturwissenschaften hat dazu beigetragen, die genauen Abläufe und Wirkungen chemischer Prozesse zu erklären und die Risiken zu minimieren. Daraus sind die Umweltchemie und schließlich die grüne Chemie hervorgegangen. Erstere offenbart, wie sich chemische Prozesse auf die Umwelt auswirken. Letztere zeigt, wie sich Umweltschäden vermeiden oder beseitigen lassen und nachhaltig gewirtschaftet werden kann.

Positive und negative Auswirkungen der Chemie auf die Umwelt

Die Beziehung zwischen Chemie und Umwelt ist komplex und ambivalent. Einerseits hat die chemische Industrie erheblich zu unserem heutigen Lebensstandard beigetragen, andererseits sind viele Umweltprobleme auf chemische Prozesse und Substanzen zurückzuführen.

Negative Auswirkungen der Chemie: Die Umweltverschmutzung durch chemische Prozesse zeigt sich in vielfältiger Form. Luftverschmutzung durch industrielle Emissionen führt zu saurem Regen und beeinträchtigt die Luftqualität. Wasserverschmutzung durch Abwässer der chemischen Industrie bedroht aquatische Ökosysteme. Persistente organische Schadstoffe (POPs) reichern sich in der Nahrungskette an und gefährden Mensch und Tier. Die Produktion von Kunststoffen hat zur globalen Plastikverschmutzung geführt, deren Mikropartikel mittlerweile selbst in entlegensten Regionen nachweisbar sind. Auch der Klimawandel wird durch Treibhausgase aus chemischen Produktionsprozessen verstärkt.

Positive Beiträge der Chemie: Gleichzeitig leistet die Chemie unverzichtbare Beiträge zum Umweltschutz. Moderne Katalysatoren reduzieren Schadstoffemissionen in der Automobilindustrie drastisch. Effiziente Düngemittel ermöglichen höhere Erträge auf kleineren Flächen und schonen so natürliche Lebensräume. Innovative Materialien wie hochleistungsfähige Dämmstoffe reduzieren den Energieverbrauch von Gebäuden. Wasseraufbereitungsverfahren machen verschmutztes Wasser wieder nutzbar. Die Entwicklung erneuerbarer Energietechnologien wie Solarzellen und Batterien wäre ohne chemische Forschung undenkbar.

Die Balance finden: Die Herausforderung besteht darin, die positiven Aspekte der Chemie zu nutzen, während gleichzeitig negative Umweltauswirkungen minimiert werden. Hier setzt die Green Chemistry an – ein Paradigmenwechsel, der Nachhaltigkeit bereits in der Entwicklungsphase chemischer Produkte und Prozesse verankert.

Green Chemistry: Nachhaltige Chemie für die Zukunft

Die Erfordernisse der Umwelt mit der Chemie in Einklang zu bringen gelingt, wenn nachhaltige Chemie betrieben wird. Nachhaltig bedeutet, dass die Umwelt für spätere Generationen lebenswert bleibt. Für diese Art der Stoffumwandlung bürgert sich mehr und mehr der Begriff “Green Chemistry” ein. Sie zielt vor allem darauf ab,

• den Energie- und Rohstoffverbrauch zu reduzieren,
• den Eintrag schädlicher Stoffe in die Umwelt zu vermeiden,
• Abfälle als Reststoffe wiederzuverwenden,
• zuverlässige Sicherheitstechnik zur Vermeidung von Havarien zu nutzen,
• gefährliche Stoffe durch ungefährliche zu ersetzen.

Zu diesem Zweck müssen neue chemische Verfahren und Stoffe entwickelt werden. Die Green Chemistry ist also gefordert, zunehmend aktiv zu werden. Großes Potential besteht dabei in der Umwandlung von Abfällen in Rohstoffe. Zuverlässige Methoden, die dies ermöglichen, können dann auch genutzt werden, um bereits freigesetzte Schadstoffe aus der Umwelt zurückzugewinnen und für neue Aufgaben zu verwenden.

Umweltchemie vs. Grüne Chemie: Die wichtigsten Unterschiede

Obwohl beide Begriffe oft synonym verwendet werden, gibt es wichtige Unterschiede zwischen Umweltchemie und grüner Chemie, die das Verständnis beider Disziplinen schärfen.

Umweltchemie ist eine analytische Wissenschaft, die sich mit der Untersuchung chemischer Prozesse in der Umwelt beschäftigt. Sie analysiert, wie Chemikalien in Luft, Wasser und Boden verteilt werden, wie sie sich verändern und welche Auswirkungen sie auf Ökosysteme haben. Umweltchemiker messen Schadstoffkonzentrationen, erforschen Abbauprozesse und bewerten Risiken. Ihr Fokus liegt auf dem Verständnis bereits existierender Probleme – sie ist reaktiv und diagnostisch ausgerichtet.

Grüne Chemie hingegen ist präventiv und gestaltend. Sie konzentriert sich darauf, chemische Produkte und Prozesse von Grund auf so zu entwickeln, dass Umweltschäden gar nicht erst entstehen. Statt Schadstoffe nachträglich zu entfernen, verhindert sie deren Entstehung. Grüne Chemie optimiert Synthesewege, wählt ungefährliche Ausgangsstoffe und entwickelt abbaubare Produkte. Sie fragt nicht “Wie beseitigen wir den Schaden?”, sondern “Wie vermeiden wir ihn von vornherein?”.

Zusammenarbeit der Disziplinen: In der Praxis ergänzen sich beide Bereiche ideal. Die Erkenntnisse der Umweltchemie über Schadstoffverhalten und Umweltauswirkungen fließen in die Entwicklung grüner Alternativen ein. Umgekehrt müssen auch grüne chemische Produkte umweltchemisch untersucht werden, um ihre tatsächliche Nachhaltigkeit zu belegen. Nur durch das Zusammenspiel beider Disziplinen lässt sich eine wirklich nachhaltige Chemie realisieren.

Die 12 Prinzipien der Green Chemistry

Die grüne Chemie basiert auf zwölf fundamentalen Prinzipien, die 1998 von den Chemikern Paul Anastas und John Warner formuliert wurden. Diese Leitlinien definieren, was nachhaltige Chemie bedeutet und wie sie in der Praxis umgesetzt werden kann:

1. Abfallvermeidung: Es ist besser, Abfall zu vermeiden, als ihn nachträglich zu behandeln oder zu beseitigen.

2. Atomökonomie: Synthesemethoden sollten so gestaltet sein, dass alle eingesetzten Materialien maximal im Endprodukt eingebaut werden.

3. Weniger gefährliche Synthesen: Syntheseverfahren sollten Substanzen verwenden und erzeugen, die geringe oder keine Toxizität für Menschen und Umwelt aufweisen.

4. Sicherere Chemikalien: Chemische Produkte sollten so entwickelt werden, dass sie ihre gewünschte Funktion erfüllen und gleichzeitig möglichst ungiftig sind.

5. Sicherere Lösemittel und Hilfsstoffe: Der Einsatz von Hilfsstoffen sollte vermieden oder auf ungefährliche Substanzen beschränkt werden.

6. Energieeffizienz: Der Energiebedarf sollte minimiert werden. Reaktionen sollten bei Umgebungstemperatur und -druck durchgeführt werden.

7. Erneuerbare Rohstoffe: Rohstoffe sollten erneuerbar sein, wo immer dies technisch und wirtschaftlich machbar ist.

8. Abbaubarkeit: Chemische Produkte sollten nach Gebrauch in ungefährliche Abbauprodukte zerfallen und nicht in der Umwelt persistieren.

9. Katalyse: Katalytische Reagenzien sind selektiven stöchiometrischen Reagenzien vorzuziehen.

10. Design für Abbaubarkeit: Chemische Produkte sollten so entwickelt werden, dass sie nach Gebrauch nicht in der Umwelt verbleiben.

11. Echtzeitanalyse zur Verhinderung von Verschmutzung: Analysemethoden sollten in Echtzeit während der Synthese eingesetzt werden, um die Bildung gefährlicher Substanzen zu überwachen und zu kontrollieren.

12. Inhärent sicherere Chemie: Substanzen und ihre Verwendungsformen sollten so gewählt werden, dass das Risiko chemischer Unfälle minimiert wird.

Diese Prinzipien bilden den Rahmen für die Entwicklung umweltfreundlicher chemischer Prozesse und dienen als Bewertungsmaßstab für die Nachhaltigkeit chemischer Innovationen.

Wie Green Chemistry Umweltschäden vermeidet

Die praktische Umsetzung der Green Chemistry zeigt sich in konkreten Beispielen und Technologien, die bereits heute erfolgreich eingesetzt werden und messbare Umweltvorteile bringen.

Ersatz gefährlicher Lösemittel: Traditionell wurden in der chemischen Industrie oft toxische organische Lösemittel wie Benzol oder Chloroform eingesetzt. Die grüne Chemie ersetzt diese durch Wasser, überkritisches CO2 oder ionische Flüssigkeiten. Ein Beispiel ist die Entwicklung wasserbasierter Lacke und Beschichtungen, die flüchtige organische Verbindungen (VOCs) drastisch reduzieren.

Biokatalyse statt harter Chemie: Enzyme und Mikroorganismen können chemische Reaktionen unter milden Bedingungen katalysieren, die sonst hohe Temperaturen, Drücke oder aggressive Chemikalien erfordern würden. Die pharmazeutische Industrie nutzt zunehmend biotechnologische Verfahren zur Synthese komplexer Wirkstoffe. Dies spart nicht nur Energie, sondern reduziert auch gefährliche Nebenprodukte.

Kreislaufwirtschaft durch chemisches Recycling: Moderne Verfahren ermöglichen es, Kunststoffe nicht nur mechanisch, sondern auch chemisch zu recyceln. Dabei werden Polymere in ihre Monomere zerlegt, die dann zur Herstellung neuer hochwertiger Kunststoffe verwendet werden können. Dies schließt Materialkreisläufe und reduziert die Abhängigkeit von fossilen Rohstoffen.

Grüne Synthesewege: Die Entwicklung effizienterer Syntheserouten reduziert die Anzahl der Reaktionsschritte und damit Abfall und Energieverbrauch. Ein bekanntes Beispiel ist die Synthese von Ibuprofen: Der ursprüngliche Prozess benötigte sechs Schritte, moderne grüne Verfahren kommen mit nur drei Schritten aus – bei gleichzeitig höherer Ausbeute und weniger Abfall.

Umwelt ist für Chemie Vorbild und Wegweiser

In der Natur laufen ständig chemische Prozesse ab. Der gesamte Stoffwechsel von Lebewesen beruht auf der Umwandlung von Nahrung in körpereigene Stoffe und Energie. Das funktioniert nachhaltig, weil alle von einem Lebewesen erzeugten Substanzen irgendwann von anderen als Wertstoffe genutzt werden. An diesem Kreislauf orientiert sich die Green Chemistry. Ein weiterer Aspekt ist, dass Lebewesen mit geringem Energieaufwand erstaunliche Stoffe produzieren können. Pflanzen spalten unter Umgebungsbedingungen Wasser in seine chemischen Elemente auf und verwandeln sie mithilfe von Kohlendioxid in Zucker. Dafür brauchen sie nur etwas Licht.

Will der Mensch das nachvollziehen, verbraucht er wesentlich mehr Energie sowie viele Roh- und Hilfsstoffe. Außerdem erzeugt er Abfälle. Je besser die biochemischen Vorgänge entschlüsselt werden, umso mehr lassen sich daraus nachhaltige Verfahren für die Stoffumwandlung ableiten. Dann können die Böden wieder ausschließlich der Erzeugung von Nahrungsmitteln und der ungehinderten Ausbreitung von Lebensräumen dienen, statt als Produzenten für “nachwachsende Rohstoffe” (Palmöl!) herzuhalten.

Herausforderungen für nachhaltige Chemie

Trotz aller Fortschritte steht die nachhaltige Chemie vor erheblichen Herausforderungen, die ihre breite Umsetzung erschweren.

Wirtschaftliche Hürden: Grüne chemische Verfahren erfordern oft hohe Anfangsinvestitionen in Forschung und Entwicklung sowie in neue Produktionsanlagen. Etablierte Prozesse sind meist bereits abgeschrieben und wirtschaftlich optimiert. Der Wechsel zu nachhaltigeren Alternativen muss sich betriebswirtschaftlich rechtfertigen lassen, auch wenn die langfristigen Vorteile überwiegen. Besonders kleine und mittelständische Unternehmen scheuen das finanzielle Risiko.

Technische Komplexität: Nicht für jedes chemische Produkt oder jeden Prozess existieren bereits grüne Alternativen. Manche Synthesewege sind wissenschaftlich noch nicht vollständig verstanden, andere erfordern Spezialausrüstung oder hochqualifiziertes Personal. Die Skalierung von Laborverfahren auf industrielle Maßstäbe stellt oft unerwartete technische Probleme dar.

Regulatorische Unsicherheiten: Neue grüne Chemikalien müssen aufwändige Zulassungsverfahren durchlaufen. Paradoxerweise können innovative umweltfreundliche Substanzen strengeren Prüfungen unterliegen als etablierte, aber problematischere Alternativen. Fehlende internationale Harmonisierung der Vorschriften erschwert den globalen Einsatz grüner Technologien.

Wissenslücken und Ausbildung: Die Integration von Nachhaltigkeitsprinzipien in die Chemieausbildung erfolgt noch nicht flächendeckend. Viele Chemiker und Ingenieure kennen grüne Alternativen nicht oder wissen nicht, wie sie diese in bestehende Prozesse integrieren können. Der Wissenstransfer zwischen Forschung und industrieller Anwendung muss verbessert werden.

Komplexe Nachhaltigkeitsbewertung: Die Beurteilung, ob eine chemische Innovation wirklich nachhaltig ist, erfordert ganzheitliche Lebenszyklusanalysen. Manchmal verschieben scheinbar grüne Lösungen Probleme nur an andere Stellen der Wertschöpfungskette. Eine umfassende Bewertung ist aufwändig und erfordert Daten, die nicht immer verfügbar sind.

Nachhaltige Chemie in der Oberflächentechnik

Zu den Hauptaufgaben der Oberflächentechnik gehört die Verlängerung der Lebensdauer von Maschinen, Anlagen und Geräten durch den Schutz vor Korrosion und Verschleiß. Damit trägt sie maßgeblich zur Senkung des Rohstoffverbrauchs und zu nachhaltigem Wirtschaften bei.

Um diesen Nutzen voll zur Geltung zu bringen, muss sie selbst nachhaltig wirtschaften. Das gelingt unter anderem durch den Ersatz von organischen Lösemitteln durch wasserbasierte Prozesschemikalien, die Prozessführung bei niedrigen Temperaturen, den Austausch von Giftstoffen durch ungefährliche Substanzen und den Einsatz von Stoffen, die sich aufbereiten und wiederverwenden lassen. Damit trägt die Oberflächentechnik auch in eigener Sache zum Schutz der Umwelt bei. Die Chemie hat auf diesem Weg schon viel geleistet.

Beispielsweise hat sie verbrauchsarme Reinigungsmittel, Chemikalien für die Niedrigtemperatur-Zinkphosphatierung und wässrige Lacksysteme sowie Verfahren für die Rückgewinnung von Wertstoffen entwickelt. Trotzdem bleibt noch viel zu tun, bis die Oberflächentechnik energieeffizient und abfallfrei in die Kreislaufwirtschaft integriert ist. Diese Aufgabe lässt sich nur mithilfe der Chemie bewältigen.

Häufig gestellte Fragen zu Umwelt und Chemie

Was ist Green Chemistry?
Green Chemistry (grüne Chemie) ist ein Ansatz zur Entwicklung chemischer Produkte und Prozesse, der Umweltschäden von vornherein vermeidet. Sie basiert auf 12 Prinzipien, die auf Abfallvermeidung, Energieeffizienz und den Einsatz ungefährlicher Substanzen abzielen.

Wie schadet Chemie der Umwelt?
Chemische Prozesse können durch Emissionen in Luft und Wasser, die Freisetzung persistenter Schadstoffe, Kunststoffmüll und Treibhausgase die Umwelt schädigen. Historisch wurden oft toxische Substanzen ohne ausreichende Sicherheitsmaßnahmen verwendet.

Was sind Beispiele für nachhaltige Chemie?
Beispiele sind wasserbasierte Lacke statt lösemittelhaltige Systeme, Biokatalyse mit Enzymen, chemisches Recycling von Kunststoffen, Niedrigtemperatur-Verfahren und die Rückgewinnung von Wertstoffen aus Produktionsabfällen.

Was ist der Unterschied zwischen Umweltchemie und grüner Chemie?
Umweltchemie analysiert bestehende Umweltprobleme durch Chemikalien (reaktiv), während grüne Chemie Produkte und Prozesse präventiv so entwickelt, dass Umweltschäden gar nicht erst entstehen.