We use cookies from third party services for marketing activities and to offer you a better experience. Read about how we use cookies and how you can control them by clicking "Privacy Preferences".

Privacy Preferences

When you visit any website, it may store or retrieve information through your browser, usually in the form of cookies. Since we respect your right to privacy, you can choose not to permit data collection from certain types of services. However, not allowing these services may impact your experience.

  • Privacy Policy
    When you visit any of our websites, it may store or retrieve information on your browser, mostly in the form of cookies. This information might be about you, your preferences or your device and is mostly used to make the site work as you expect it to. The information does not usually directly identify you, but it can give you a more personalized web experience. Because we respect your right to privacy, you can choose not to allow some types of cookies. Click on the different category headings to find out more and manage your preferences. Please note, blocking some types of cookies may impact your experience of the site and the services we are able to offer.
    REQUIRED
  • Content Delivery Network
    These cookies enable the website to provide enhanced functionality and personalization. They may be set by us or by third party providers whose services we have added to our pages. If you do not allow these cookies then some or all of these services may not function properly.
    REQUIRED
  • Functional (Your preferences for this site)
    Functionality cookies allow websites to remember the user's site preferences and choices they make on the site including username, region, and language. This allows the website to provide personalized features like local news stories and weather if you share your location. They are anonymous and don't track browsing activity across other websites. Functionality cookies can include first party, third party, persistent or session cookies.
  • Statistics (Info on how we can get better)
    These cookies allow us to count visits and traffic sources so we can measure and improve the performance of our site. They help us to know which pages are the most and least popular and see how visitors move around the site, which helps us optimize your experience. All information these cookies collect is aggregated and therefore anonymous. If you do not allow these cookies we will not be able to use your data in this way.
  • Marketing (Advertisement Delivery Network)
    These cookies may be set through our site by our advertising partners. They may be used by those companies to build a profile of your interests and show you relevant adverts on other sites. They do not store directly personal information but are based on uniquely identifying your browser and internet device. If you do not allow these cookies, you will experience less targeted advertising.

Privacy policy

Veilige organofosfaat-vlamvertragers in de circulaire economie

donderdag 13 januari 2022

Synthetische chemicaliën zijn inherent aan de moderne samenleving waarin we leven en dragen bij aan gezondheid, veiligheid en comfort. De productie en het gebruik van chemicaliën nemen in een steeds sneller tempo toe.1 Een belangrijke klasse van deze chemicaliën zijn organofosfaten, die veel worden gebruikt als vlamvertragers. 

Delen

Organofosfaatverbindingen zijn verbonden met twee grote milieu-uitdagingen geformuleerd in het concept van planetaire grenzen2,3 de wereldwijde fosforcyclus en chemische vervuiling. Opvallend is dat de planetaire grens van de wereldwijde fosforcyclus al tot een kritiek niveau is overschreden.2,3 Massaal geëxploiteerde fossiele bronnen van fosfor slinken en tegelijkertijd leidt het lineaire gebruik van fosfor tot accumulatie in het milieu, waar de overmaat veroorzaakt eutrofiëring van oppervlaktewater.4,5 

Organofosfaatchemicaliën worden momenteel geproduceerd uit fossiel fosfaatgesteente, via een verspillende en energie-intensieve synthetische route met buitensporige redoxcycli (grijze pijlen, figuur 1). Fosfaatgesteente (PV) wordt eerst omgezet in witte fosfor, P4 (P0), gechloreerd tot fosfortrichloride, PCl3 (PIII), en vervolgens gefunctionaliseerd tot organofosfaatesters (PV). Fosfor wordt dus gereduceerd van oxidatietoestand +5 tot 0 in zijn elementaire vorm en vervolgens terug geoxideerd tot oxidatietoestand +5 in het fosfaatesterproduct. Deze opeenvolgende reductie en re-oxidatie vereisen grote hoeveelheden energie. Bovendien leidt het gebruik van gechloreerde tussenproducten tot de vorming van ongewenste gechloreerde bijproducten.

Tijdens hun gebruik en het stadium aan het einde van hun levensduur komen organofosfaatchemicaliën in het milieu terecht. Dit is moeilijk volledig te voorkomen, omdat ze meestal worden gebruikt als additieven op bijvoorbeeld kleding; bij het wassen van textiel dat vlamvertragers bevat, komen deze chemicaliën in het afvalwater terecht. Als gevolg hiervan zijn organofosfaten nu wijdverbreid in het milieu en worden ze regelmatig aangetroffen in Europese wateren, in biota over de hele wereld en zelfs in omgevingen zonder regelmatige menselijke activiteit, zoals ongerepte bergmeren.6-9 Bovendien zijn schadelijke effecten gevonden op mens en milieu voor sommige verbindingen van deze klasse.10 Om de hierboven geschetste uitdagingen aan te pakken, heeft Hannah Flerlage (Universiteit van Amsterdam) een systeembenadering verkend en geïmplementeerd om veilige en duurzame organofosfaatvlamvertragers te creëren die geschikt zijn voor de circulaire economie, met inachtneming van de principes van circulaire chemie.11  

Directe functionalisering van fosfaten verkregen uit afvalstromen (Figuur 1A) omzeilt de reductie tot en daaropvolgende oxidatie van elementair fosfor, waardoor de energievraag wordt verminderd en de atoomeconomie aanzienlijk wordt vergroot. Interessant is dat de vraag hoe anorganische fosforbronnen, zoals struviet, kunnen worden gefunctionaliseerd tot organische fosforverbindingen, wat een belangrijk onderwerp is van de discipline prebiotische chemie, die de chemische basis voor het ontstaan ​​van leven onderzoekt. Geïnspireerd door dit onderzoek ben ik op zoek gegaan naar redox-efficiënte synthetische routes naar organofosfaten, uitgaande van hernieuwbare fosfaatbronnen verkregen uit lokale mijnen: de lokale afvalwaterzuiveringsinstallaties (AWZI's). Om emissie naar het milieu te voorkomen die eutrofiëring van het oppervlaktewater voorkomt, worden fosfaten in afvalwater steeds vaker teruggewonnen als struviet (NH4MgPO4·6H2O). Ik streef ernaar om struviet direct om te zetten in veilige organofosfaten.

Hoewel de synthese het begin is van de levenscyclus van een chemische stof, is deze fase kort in vergelijking met de gebruiksfase en de fase aan het einde van de levensduur. Om in te zoomen op de uitdaging richt ik me in het bijzonder op één organofosfaat vlamvertrager, tri-isobutylfosfaat (TiBP). Jaarlijks wordt in de EU 1.000 – 10.000 ton TiBP onder andere gebruikt als additief vlamvertrager voor textiel, zoals in brandweerkleding.12 Als zodanig is deze verbinding aangetroffen in oppervlaktewater en werd daarom toegevoegd aan een lijst van stoffen die een potentieel gevaar voor het milieu kunnen opleveren.13 Als het textiel dat TiBP bevat wordt hergebruikt en gerecycled, blijft TiBP uitlogen naar het milieu. De aanwezigheid van dit chemische additief belemmert dus een circulaire materiaalstroom. Ontwerpen voor recycling of afbreekbaarheid in het geval van moeilijk terug te winnen additieven, is een kernprincipe van Circulaire Chemie. Door minder gevaarlijke en minder persistente alternatieven te ontwerpen, wordt de duurzaamheid van een chemische stof gedurende de hele levenscyclus na de productie aangepakt.

Ik heb een raamwerk ontwikkeld voor het systematische, computerondersteunde herontwerp van industriële organofosfaten voor verbeterde milieu-eigenschappen. Het gebruik van cheminformatica-tools is geïnspireerd op processen voor het ontdekken van geneesmiddelen en opent nieuwe mogelijkheden om het ontwerp te sturen. Voor mijn casestudy werden talrijke alternatieve organofosfaatstructuren voor TiBP gegenereerd in silico en gescreend met QSAR-tools (Quantitative Structure Activity Relationships) voor verbeterde biologische afbreekbaarheid. Het ontwerpen van additieven zoals TiBP voor biologische afbreekbaarheid (Figuur 1B) is een belangrijke manier om vervuiling te voorkomen: als de chemicaliën niet in het milieu blijven bestaan, wordt het risico van transportaccumulatie over lange afstand in biota en dus overschrijding van chronische effectniveaus verminderd. In plaats daarvan wordt de chemische stof afgebroken en komt in de natuurlijke fosforcyclus.

Ik heb QSAR-tools gebruikt, zoals opgenomen in de software EpiSuite van de Amerikaanse EPA, om lacunes in de gegevens in chemische beoordelingen in regelgevende contexten op te vullen om de kosten te verlagen en dierproeven te vermijden. Het screenen van de ca. 8,2 miljoen moleculen die ik heb gegenereerd, leverden een virtuele bibliotheek op van ongeveer 46.000 organofosfaatstructuren die werden geclassificeerd als gemakkelijk biologisch afbreekbaar. Voor deze moleculen werden verschillende milieurelevante eigenschappen voorspeld met verdere QSAR-modellen: atmosferische halfwaardetijden, bodemadsorptiecoëfficiënt, log Kow, oplosbaarheid in water, dampdruk, atmosferische halfwaardetijden, bioconcentratiefactor en genotoxiciteit. De alternatieve chemische structuren werden gerangschikt op basis van hun voorspelde eigenschappen. Belangrijk is dat een alternatieve chemische stof voor TiBP met minder gevaarlijke milieu-eigenschappen het veilige hergebruik en recycling van het textiel waarop het wordt aangebracht, mogelijk maakt. Uit de verbindingen die het hoogst waren gerangschikt op basis van hun voorspelde eigenschappen, selecteerde ik de beste kandidaten, door te kijken naar synthetiseerbaarheid, beschikbaarheid van mogelijke uitgangsmaterialen en chemische stabiliteit. Om de werking ervan te kunnen verifiëren, heb ik met succes de alternatieve verbinding di-n-butyl ethanolfosfaat gesynthetiseerd, waarvan het experimenteel testen van fysisch-chemische eigenschappen en eigenschappen gerelateerd aan gevaren voor het milieu momenteel aan de gang is.

Het herontwerp van de verbinding die voor deze case study is gekozen, laat zien hoe een geïntegreerde benadering en levenscyclusdenken het ontwerp van veilige en duurzame chemicaliën mogelijk maakt. Deze studie zal dienen om barrières in verband met chemische additieven weg te nemen en de weg vrij te maken voor een veilige circulaire economie.

Dit artikel is een vertaling van de ingestuurde samenvatting van het onderzoek van Hannah Flerlage. Onder voorbehoud van fouten voortkomend uit de vertaling. Klik hier voor het originele Engelstalige document.

Referenties

(1) United Nations Environment Programme. Global Chemicals Outlook II. From Legacies to Innovative Solutions: Implementing the 2030 Agenda for Sustainable Development. Synthesis Report, 2019.
(2) Diamond, M. L.; Wit, C. A. de; Molander, S.; Scheringer, M.; Backhaus, T.; Lohmann, R.; Arvidsson, R.; Bergman, Å.; Hauschild, M.; Holoubek, I. et al. Exploring the planetary boundary for chemical pollution. Environment International 2015, 78, 8–15.
(3) Steffen, W.; Richardson, K.; Rockström, J.; Cornell, S. E.; Fetzer, I.; Bennett, E. M.; Biggs, R.; Carpenter, S. R.; Vries, W. de; Wit, C. A. de et al. Sustainability. Planetary boundaries: Guiding human development on a changing planet. Science (New York, N.Y.) 2015, 347, 1259855.
(4) Wang, M.; Hu, C.; Barnes, B. B.; Mitchum, G.; Lapointe, B.; Montoya, J. P. The great Atlantic Sargassum belt. Science 2019, 365, 83–87.
(5) Withers, P. J. A.; Elser, J. J.; Hilton, J.; Ohtake, H.; Schipper, W. J.; van Dijk, K. C. Greening the global phosphorus cycle: How green chemistry can help achieve planetary P sustainability. Green Chem. 2015, 17, 2087–2099.
(6) Baken, K. A.; Sjerps, R. M.A.; Schriks, M.; van Wezel, A. P. Toxicological risk assessment and prioritization of drinking water relevant contaminants of emerging concern. Environment International 2018, 118, 293–303.
(7) Sjerps, R. M.A.; Vughs, D.; van Leerdam, J. A.; ter Laak, T. L.; van Wezel, A. P. Data-driven prioritization of chemicals for various water types using suspect screening LC-HRMS. Water Research 2016, 93, 254–264.
(8) Kim, J.-W.; Isobe, T.; Chang, K.-H.; Amano, A.; Maneja, R. H.; Zamora, P. B.; Siringan, F. P.; Tanabe, S. Levels and distribution of organophosphorus flame retardants and plasticizers in fishes from Manila Bay, the Philippines. Environmental pollution (Barking, Essex : 1987) 2011, 159, 3653–3659.
(9) Sun, Y.; Silva, A. O. de; St Pierre, K. A.; Muir, D. C. G.; Spencer, C.; Lehnherr, I.; MacInnis, J. J. Glacial Melt Inputs of Organophosphate Ester Flame Retardants to the Largest High Arctic Lake. Environmental science & technology 2020, DOI: 10.1021/acs.est.9b06333.
(10) van der Veen, I.; Boer, J. de. Phosphorus flame retardants: Properties, production, environmental occurrence, toxicity and analysis. Chemosphere 2012, 88, 1119–1153.
(11) Keijer, T.; Bakker, V.; Slootweg, J. C. Circular chemistry to enable a circular economy. Nature chemistry 2019, 11, 190–195.
(12) ECHA. Triisobutyl phosphate: Substance Infocard. https://echa.europa.eu/substance-information/-/substanceinfo/100.004.363 (accessed October 17, 2020).

(13) Alygizakis, N. A.; Oswald, P.; Thomaidis, N. S.; Schymanski, E. L.; Aalizadeh, R.; Schulze, T.; Oswaldova, M.; Slobodnik, J. NORMAN digital sample freezing platform: A European virtual platform to exchange liquid chromatography high resolution-mass spectrometry data and screen suspects in “digitally frozen” environmental samples. TrAC Trends in Analytical Chemistry 2019, 115, 129–137.

  • Innovaties
Gerelateerde artikelen
BEwerken ONLINE
Veiligheid als DNA

De mens is het grootste kapitaal wat een bedrijf kan bezitten. Installaties zijn te repareren en te vervangen, maar een goede werknemer die het bedrijf van binnen en buiten kent, zijn of haar werkzaam...

BEwerken ONLINE
Hannah Flerlage wint Student Recycling Award 2021

Hannah Flerlage, Student aan de Universiteit van Amsterdam is verkozen tot de winnaar van de Student Recycling Award 2021. Met haar onderzoek over organofosforverbindingen welke vaak gebruikt worden a...

Hoofd van afval
Student Recycling Award 2021

https://www.recyclingsymposium.nl/Voor studenten van universiteiten en hogescholen is de Recycling Award, met ingang van het jaar 2020 de Student Recycling Award genoemd, wellicht de langstlopende pri...

BRBS Recycling
Vakbeurs Recycling en het Recyclingsymposium hebben zin in november 2021

Met veel vertrouwen en ontzettend veel zin, kijken de organisatoren van vakbeurs Recycling (Easyfairs) en het Recyclingsymposium uit naar november. Eindelijk kunnen de uitgestelde plannen tot uitvoeri...

BEwerken ONLINE
Circulair bouwen leidt tot duurzame stad met verhaal

Geen nieuwbouw, maar circulaire bouw, moet het uitgangspunt worden in steden. Door circulair bouwen als nieuwe norm te hanteren, kunnen we ons klimaat verbeteren, unieke stedelijke omgevingen creëren ...

BEwerken ONLINE
Bedrijven bundelen krachten in circulaire toepassing bodemas

Om zelfs van de rest van het restafval nog iets nuttigs te maken, kun je bodemas (asresten van restafvalverbranding) gebruiken in infrastructurele toepassingen en bouwmaterialen. Daarover organiseerde...

BEwerken ONLINE
Veiligheid als DNA De mens is het grootste kapitaal wat een bedrijf kan bezitten. Installaties zijn te repareren en te ...
BRBS Recycling
Belangrijke update voor essentiële bedrijfsprocessen Uitzondering quarantaine voor werknemers in essentiële bedrijfsprocessen
BRBS Recycling
Streven naar een pro actieve veilige omgeving Eerder wijdden we in BEwerken al een artikel aan de theorie achter het SCL-certificaat, voorheen de ...
BEwerken ONLINE
GrondstoffenPoort bijeenkomst 2021 Onder leiding van Twan Huys werden in Grondstoffenpoort vier belangrijke thema's uitgespit die voor ...
BEwerken ONLINE
Alles is oplosbaar Juni 2021, de eerste EPS Recyclefabriek is in Terneuzen in gebruik genomen. Binnen een recordtijd va...

Sponsored content

Partner content

Mulder.Arnold

Alles van Waarde - Grondstof tot nadenken

Het gesprek over recycling begint vrijwel altijd bij een reststroom. Dan is het kalf vaak al verdronken. Pas als het recyclinggesprek ook bij de inkoopafdeling van een bedrijf gevoerd wordt, gaan we efficiënt verduurzamen. lees meer

BEwerken ONLINE

GrondstoffenPoort bijeenkomst 2021

Onder leiding van Twan Huys werden in Grondstoffenpoort vier belangrijke thema's uitgespit die voor een circulaire economie nu urgent moeten worden opgepakt. lees meer