TIỂU LUẬN HÓA HỌC XANH VÀ ỨNG DỤNG

TIỂU LUẬN HÓA HỌC XANH VÀ ỨNG DỤNG, đề tài TIỂU LUẬN HÓA HỌC XANH VÀ ỨNG DỤNG, bài tập nhóm TIỂU LUẬN HÓA HỌC XANH VÀ ỨNG DỤNG, báo cáo thực tập TIỂU LUẬN HÓA HỌC XANH VÀ ỨNG DỤNG,TIỂU LUẬN HÓA HỌC XANH VÀ ỨNG DỤNG

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC XÃ HỘI & NHÂN VĂN KHOA ĐỊA LÝ TIỂU LUẬN HÓA HỌC XANH VÀ ỨNG DỤNG HỌC PHẦN: HĨA HỌC MƠI TRƯỜNG SINH VIÊN: NGƠ QUỐC CƯỜNG MÃ SỐ SINH VIÊN: 1956080049 GVHD: ThS NGUYỄN THỊ THU HIỀN MỤC LỤC I TỔNG QUAN VÀ LỊCH SỬ VỀ HÓA HỌC XANH .2 1.1 Hiện trạng mơi trường tồn cầu 1.2 Lịch sử đời hóa học xanh II NHỮNG NGUYÊN TẮC CỦA HÓA HỌC XANH 2.1 Các nguyên tắc Paul Anastas John Warner đề xuất đề xuất Winterton đề 2.2 Các nguyên tắc khác nguyên tắc số nhà hóa học 10 2.2.1 Các Neil xuất 10 2.2.2 Các nguyên tắc Samantha Tang, Richard Smith Martyn Poliakoff đề xuất 11 III ỨNG DỤNG CỦA HÓA HỌC XANH 12 3.1 Ứng dụng vào nguồn nguyên liệu tác chất dung môi 12 3.2 Ứng dụng 15 3.3 Ứng dụng .16 3.4 Ứng dụng phương pháp quy trình tổng hợp 19 IV TỔNG 21 KẾT V TÀI LIỆU THAM KHẢO .24 I TỔNG QUAN VÀ LỊCH SỬ VỀ HĨA HỌC XANH 1.1 Hiện trạng mơi trường tồn cầu Hơn 200 năm qua, hóa học có bước tiến quan trọng, phát triển mức cao Những thành tựu hóa học ngành cơng nghiệp hóa chất tác động lên đời sống, tinh thần, vật chất người qua nhiều mặt dược phẩm, y khoa, phân bón, hàng khơng, điện tử, vật liệu, Ngồi cơng trình nghiên cứu khoa học kỹ thuật, học học công nghiệp hóa chất tạo nên nhiều thành quan trọng mang đến giá trị cao cho sống người Nhưng bên cạnh đó, khơng tác hại đến mơi trường, cạn kiệt tài ngun nóng lên toàn cầu xuất phát từ việc sử dụng chất độc hại, chất khơng có khả tái tạo phân hủy, khai thác tài nguyên, dẫn đến vấn đề môi trường xảy trở thành toán đau đầu cho lãnh đạo quốc gia tổ chức giới Rừng bị tàn phá khai thác cạn kiệt Rừng nơi che phủ khoảng 1/3 diện tích đất liền, nơi nhiều loài sinh vật, nơi bảo tồn đa dạng sinh học, phổi xanh cung cấp oxy cho Trái Đất, đảm bảo cho ổn định chu trình oxy cacbon khí Tuy nhiên mức độ che phủ rừng ba thập kỷ qua bị suy giảm tới 40% tổng diện tích Nguyên nhân yếu hoạt động khai thác người chặt phá rừng để làm nương rẫy, đất canh tác nông nghiệp, xây dựng cơng trình phục vụ nhu cầu người, khai thác gỗ quý hiếm, cháy rừng, Sự nhiễm mơi trường Ơ nhiễm mơi trường biến đổi thành phần tính chất môi trường, gây bất lợi cho hoạt động sống bình thường người sinh vật Các ngưỡng hay giá trị giới hạn tiêu chuẩn môi trường quy định đến an tồn mơi trường Các chất gây ô nhiễm môi trường gọi tác nhân chất ô nhiễm (pollutants) Sự ô nhiễm nước Sự thay đổi thành phần tính chất nước dẫn đến nhiễm nước, có mặt tác nhân ngưỡng cho phép gây nhiễm nước có hại cho hoạt động sống bình thường người sinh vật, Các tác nhân dẫn đến ô nhiễm nước đến từ yếu tố tự nhiên bão, lũ, lụt, động đất, sóng thần, hay nhân tạo phân bón, thuốc trừ sâu, nước thải từ hoạt động sinh sống người, chôn lấp chất thải, chăn nuôi, phương tiện đường thủy, cố tràn dầu, Sự nhiễm khơng khí Ơ nhiễm khơng khí xuất chất lạ biến đổi thành phần khơng khí, làm cho khơng khí khơng có mùi khó chịu, giảm tầm nhìn xa Các tác nhân gây nhiễm khơng khí dạng rắn (bụi), dạng giọt (sương mù quang hoá) dạng khí (CO2, SO2, CO, ) Có hai tác nhân gây nhiễm mơi trường khơng khí tự nhiên hoạt động người Nguồn gây ô nhiễm xuất phát từ tự nhiên như, khí metan, loại khí với hàm lượng cao Sulfur hoạt động núi lửa diễn Nguồn gây ô nhiễm không khí xuất phí từ hoạt động cua người sản xuất công nghiệp, sinh hoạt, giao thơng, Ngồi tác nhân làm nóng lên tồn cầu kể cịn có tác nhân khác nhiễm đất, loại khí thải nhà kính, suy giảm tầng ozon, suy giảm đa dạng sinh học, ô nhiễm biển dại dương, hoang mạc hóa, nhiên liệu hóa thạch bị khai thác mức, vận chuyển chất thải nguy hại xuyên quốc gia 1.2 Lịch sử đời hóa học xanh Theo nhiều định nghĩa “hóa học xanh” (green chemistry) có mối liên hệ đến việc thiết kế trình sản phẩm hóa học cách hóa chất độc hại loại bỏ hoàn toàn làm giảm đến mức thấp q trình sử dụng Khoảng 20 năm trước, khái niệm “hóa học xanh” hay “phát triển bền vững” bắt đầu ý tìm hiểu nhà khoa học Cách 20 năm, chương trình hóa học xanh văn phịng Phịng chống nhiễm Độc chất thuộc Cơ quan Bảo vệ Môi trường Hoa Kỳ bắt tay vào thực nghiên cứu nhằm tìm biện pháp quy trình tổng hợp hữu thay cho quy trình cũ Đến năm 1993, dự án mang tên “Chương trình Hóa học xanh Hoa Kỳ” Cơ quan Bảo vệ Mơi trường Hoa Kỳ thức thông qua Đây bước khởi đầu cho chuỗi hoạt động hóa học xanh Hoa Kỳ, từ giài thưởng hóa học xanh hay hội nghị thường niên hóa học xanh đời Chương trình hóa học xanh thực với mục đích cùa thúc đẩy cơng nghệ hóa học nhằm tiêu trừ hạn chế tối đa việc dùng hay thải hoá chất độc hại khâu định hình, sản xuất tiêu thụ sản phẩm hóa chất Tại nước châu Âu, dự án hóa học xanh thực từ năm 90 kỷ trước Những dự án nghiên cứu hóa học xanh nhà khoa học Vương quốc Anh Italia hưởng ứng tích cực Một số lượng lớn chương trình nghiên cứu đào tạo hóa học xanh nhà nghiên cứu Anh đưa vào thực Vào năm 90 cuối kỷ 20, mạng lưới hóa học xanh hóa học bền vững (Green and Sustainable Chemistry Network) nhà khoa học Nhật Bản xây dựng thành cơng với mục đích thúc đẩy lớn mạnh nghiên cứu hóa học xanh cho phát triển bền vững tương lai Những báo, công bố khoa học, tài liệu, tạp chí báo cáo hội nghị hóa học xanh xuất năm “Tạp chí Hóa học xanh” xuất Hội hóa học Hoàng gia Anh vào năm 99 cuối kỷ 20 trở thành ấn phẩm lĩnh vực Tạp chí trở thành diễn đàn tiếng hóa học xanh, tạp chí cho đời xuất cơng trình nghiên cứu công nghệ kỹ thuật bền vững với mục đích hạn chế tối đa tác động cơng nghiệp hóa chất đến mơi trường Ngày nay, trung tâm đào tạo nghiên hóa học xanh xuất nhiều quốc gia, từ Hoa Kỳ, châu Âu sang châu Á Úc châu, phủ rộng trường trung tâm nghiên cứu châu Phi Trong nhiều năm qua, báo khoa học liên quan đến hóa học xanh đăng tải với số lượng kỷ lục Tập trung giải vấn đề liên quan đến rủi ro trước mắt chất độc hóa học gây ra, chí vấn đề mang tính tồn cầu biến đổi khí hậu, mưa axit, hiệu ứng nhà kính, khai thác lượng, nước thực phẩm cho người xuất ngày nhiều hóa chất độc hại môi trường trở thành xu hướng cho nhiều nhà nghiên cứu hóa học xanh Hàng triệu CFCs gây nguy hại đến tầng ozon Trái Đất thiết bị công nghiệp thay chất an toàn nhờ nghiên cứu hóa học xanh Các nguồn nhiên liệu hóa thạch, lượng dầu mỏ dần thay lượng có khả tái tạo Các chế phẩm thuốc trừ sâu phân bón dần thay sản phẩm gây hại cho mơi trường Tất cơng trình nghiên cứu giáo dục hóa học xanh ngày dựa theo tầng định nghĩa Trong việc sử dụng định nghĩa đó, ta nên quan tâm loại định nghĩa để sử dụng để tránh yếu tố bất ngờ khơng mong muốn xảy Hóa học ngày phát triển không ngừng chia làm nhiều ngành nhỏ với tiêu chí nghiên cứu khác Từ bước khởi đầu tại, hóa học xanh ngành quan trọng, thu hút nhiều đầu tư ý giới Cũng cần nói rõ hóa học xanh khơng đơn chuyên ngành nhỏ thuộc ngành hóa học Hóa học xanh có mục tiêu rõ ràng hướng đến vấn đề môi trường, công nghệ vấn đề khác người, đồng thời nhân tố cho phát triển bền vững tương lai Vì khái niệm hóa học xanh cần hiểu rộng, sâu thay gói gọn ngành hóa học Hóa học xanh cần ta vận dụng, hiểu biết, đặt triển khai vấn đề để có sở khoa học vững hướng đến nghiên cứu đắn Quá trình phá hủy tầng ozon khí CFCs (nguồn ảnh: https://images.ctfassets.net/vrrt8fsfwf0e/2QfddXFR93CVjfzCCyaKut/a180d2674e8360f0 8d0f63553d7b45e9/hnet.com-image 6_.svg ) II NHỮNG NGUYÊN TẮC CỦA HÓA HỌC XANH 2.1 Các nguyên tắc Paul Anastas John Warner đề xuất Nguyên tắc số – ngăn ngừa chất thải (waste prevention) - Giảm tối đa lượng chất thải sinh hoạt động cơng nghiệp có hiệu việc phải tìm biện pháp để xử lý chất thải Nguyên tắc số - tiết kiệm nguyên tử (atom economy) Lượng nguyên, vật liệu sử dụng cần chuyển hóa đến mức cao thành sản phẩm mong muốn trình tổng hợp Nguyên tắc số - sử dụng quy trình tổng hợp gây hại (less hazardous chemical synthesis) Các trình tổng hợp phải thiết kế cho chất hóa học chất độc thải gây hại tới mức tối đa với người sinh vật Nguyên tắc số – tạo loại hóa chất an tồn (designing safer chemicals) Các loại hóa chất phải tạo cho đảm bảo tính chất mức cao độc tính phải giữ mức thấp Nguyên tắc số – thay loại dung môi chất trợ an toàn (safer solvents and auxiliaries) Giảm tối thiểu chất trợ trình, phải giảm thiểu đến mức thấp không sử dụng Nếu bắt buộc sử dụng phải dùng loại gây độc Nguyên tắc số – thiết kế phải đạt hiệu cao lượng (design for energy efficiency) Giảm mức lượng tiêu thụ cho quy trình hóa học, đồng thời xem xét lên phương án đối phó với tác động sử dụng lượng đến môi trường kinh tế Các q trình hóa học nên diễn nhiệt độ áp suất thường để tiết kiệm chi phí Nguyên tắc số – dùng nguyên, vật liệu có khả tái sinh (use of renewable feedstocks) Trong điều kiện cho phép, thay dùng nhiên liệu hóa thạch hay khơng có khả phân hủy ta nên sử dụng loại có khả tái sinh tái tạo cao Nguyên tắc số – giảm tối thiểu trình tạo dẫn xuất (reduce derivatives) Việc sử dụng giai đoạn bảo vệ nhóm chức, khóa nhóm chức, biến đối tạm thời quy trình vật lý hay hóa học tiêu tốn thêm hóa chất, lượng có khả tạo nhiêu chất thải độc hại Vì phải hạn chế giai đoạn tạo dẫn xuất trình tổng hợp Nguyên tắc số – áp dụng xúc tác (catalysis) Trong quy trình hố học, thay sử dụng phương pháp hóa chất tỷ lượng nên áp dụng xúc tác có độ chọn lọc cao Vì có mặt xúc tác làm giảm lượng hóa chất sử dụng cải thiện hiệu quy trình tối đa Nguyên tắc số 10 – Tạo sản phẩm có khả phân hủy (design for degradation) Tạo sản phẩm hóa học có khả tự phân hủy sau sử dụng mà không tồn lâu môi trường thành chất độc hại cho môi trường Nguyên tắc số 11 – nghiên cứu phân tích thành phẩm quy trình (online analysis, realtime analysis): Cải tiến phương pháp phân tích số liệu nhằm tối ưu khả phân tích trực tuyến qua giám sát kịp thời hiệu tránh chất độc hình thành q trình phân tích thực nghiệm Nguyên tắc số 12 – hóa học an tồn để phịng tai nạn (safer chemistry for accident prevention) Các chất hóa học, tác nhân vật lý quy trình hóa học phải kiểm tra kỹ lưỡng cho giảm thiểu tối đa khả hỏa hoạn, cháy nổ Chân dung John Warner (nguồn ảnh: https://www.monash.edu/ data/assets/image/0018/1091601/John-CWarner.jpg) Chân dung Paul Anastas (nguồn ảnh: https://whyy.org/wp-content/uploads/2011/02/anastas.jpg) 2.2 Các nguyên tắc khác số nhà hóa học đề xuất Có nhiều ý kiến nhận định 12 nguyên tắc Paul Anastas John Warner đưa thật hợp lý điều kiện lý tưởng đặc thù Neil Winterton đề xuất 12 nguyên tắc khác nhằm bổ sung đa dạng cho nguyên tắc trước 2.2.1 Các nguyên tắc Neil Winterton đề xuất Mười hai nguyên tắc gồm: Nguyên tắc số 1: nhận dạng phụ phẩm khả định lượng (identify by-products and, if possible, quantify them) Nguyên tắc số 2: báo cáo chuyển hóa, mức chọn lọc độ hiệu trình (report conversions, selectivities and productivities) Nguyên tắc số 3: thành lập cân đẩy đủ cho trình (establish a full mass balance for the process) Nguyên tắc số 4: giám định xúc tác dung môi (quantify catalyst and solvent losses) Nguyên tắc số 5: kiểm tra nguyên tắc nhiệt hóa nhằm tìm nguy phát nhiệt gây nguy hiểm (investigate basic thermochemistry to identify potentially hazardous exotherms) Nguyên tắc số 6: phán đoán giới hạn truyền khối, lượng (anticipate other potential mass and energy transfer limitations) Nguycn tắc số 7: học hỏi thêm kinh nghiệm ý kiến kỹ sư quy trình hóa học (consult a chem ical or process engineer) Nguyên tắc số 8: cân nhắc ảnh hưởng tồn q trình lên cách lựa chọn phương diện hóa học (consider the effect of the overall process on choice of chemistry) 10 Nguyên tắc số 9: tạo ưu cho phát triển áp dụng phương thức đánh giá mang tính bền vững (help develop and apply sustainability measures) Nguyên tắc số 10: tiên lượng hạn chế hết mức việc sử dụng lượng cho quy trình (quantify and minimize use of utilities and other inputs) Nguyên số 11: phát bất cập an toàn người vận hành việc giảm đến mức tối đa lượng chất thải (recognize where operator safety and waste minimization may be incomputable) Nguyên tắc số 12: kiểm tra, ngăn ngừa tối đa lập báo cáo tất lượng chất thải giải phóng khơng khí, vào nước thải chất thải rắn từ tất thí nghiệm riêng lẻ từ phịng thí nghiệm (monitor, report, and minimize all waste emitted to air, water, and as solids, from individual experiments or from laboratory overall) 2.2.2 Các nguyên tắc Samantha Tang, Richard Smith Martyn Poliakoff đề xuất Dựa nguyên tắc Paul Anastas John Warner, nhóm nhà hóa học am hiểu lập nên nhóm ngun tắc dựa câu ngữ “PRODUCTIVELY” để người nghe dễ hiểu dễ dàng nhận biết P (prevent wastes): ngăn chặn việc hình thành chất thải R (renewable material): dùng vật liệu có khả tái sinh O (omit derivatization steps): hạn chế loại bỏ bước trung gian tạo dẫn xuất không cần thiết D (degradabie chemical products): chế phẩm hóa học phải có khả tự phân hủy U (use safe synthetic methods): thực phương thức tổng hợp hữu an toàn C (catalytic reagents): thực xúc tác cho quy trình T (temperature, pressure ambient): thực quy trình điều kiện nhiệt độ áp suất bình thường 11 I (in-process monitoring): kiểm tra trình trực tuyến V (very few auxiliary substances): giảm thiểu tối đa chất trợ cho quy trình E (E-fator, maximize feed in product): khơng lãng phí ngun liệu sản xuất L (low toxicity of chemical products): thành phẩm hóa học có độc tính Y (yes, it is safe): an tồn III ỨNG DỤNG CỦA HĨA HỌC XANH 3.1 Ứng dụng vào nguồn nguyên liệu Khi lựa chọn nguồn nguyên liệu cho trình, cần phải quan tâm đến vấn đề nguồn gốc, độc tính, ảnh hưởng lên môi trường Hiện dầu mỏ cung cấp hầu hết hóa chất hữu cần thiết, nhiên nguồn ngun liệu có nguồn gốc hóa thạch khơng phải vơ tận ngày cạn kiệt Vì vậy, nhiều nghiên cứu tập trung phát triển nguồn nguyên liệu có khả tái tạo Ví dụ sử dụng nguồn sinh khối (biomass) có nguồn gốc nơng nghiệp, sử dụng khí CO 2, sử dụng chitin từ vỏ động vật giáp xác tôm, cua, sử dụng chất thải sản phẩm phụ từ q trình sản xuất có khả cho nguyên liệu tái tạo Tuy nhiên, nguồn nguyên liệu thay chưa sử dụng rộng rãi, giá thành chưa cạnh tranh với nguồn nguyên liệu có nguồn gốc từ dầu mỏ vốn hồn thiện có hiệu cao Các nguồn nguyên liệu có nguồn gốc sinh học có nhiều điểm vượt trội so với nguồn nguyên liệu từ dầu mỏ Nguồn carbohydrate từ sinh khối thường chứa nhiều nhóm chức nguồn hydrocarbon, giảm đến mức thấp việc phải sử dụng q trình oxy hóa tạo nhóm chức, vốn địi hỏi sử dụng xúc tác kim loại nặng độc hại Nhờ vào hoạt động nông nghiệp, nguồn nguyên liệu cung cấp cho việc chuyển hóa sinh khối ln sinh liên tục Mặc đù có nhiều thuận lợi nghiên cứu nhiều phịng thí nghiệm, có furfural (furfuraldehyde, C5H4O2) - hóa chất trung gian quan trọng cơng nghiệp hóa học 12 sản xuất cách hiệu quy mô lớn từ nguồn carbohydrate sinh khối chất thải Trong đó, chất thải từ hoạt động nông nghiệp hay lâm nghiệp thủy phân nhiệt độ cao chuyển hóa thành furfural Bên cạnh việc sản xuất furfural, nhà nghiên cứu nỗ lực để thương mại hóa kết chuyển hóa sinh khối khác vốn đạt hiệu tốt phòng thí nghiệm Tập đồn hóa chất Cargill Dow sản xuất polylactic acid hiệu Natureworks từ nguồn nguyên liệu có khả tái tạo, ví dụ từ ngơ hay củ cải đường Natureworks, công ty Cargill Down, nơi sản xuất polymer từ nguồn nguyên liệu có khả tái tạo, chất lượng giá thành cạnh tranh với polymer từ dầu mỏ Q trình sản xuất khơng sử dụng thêm dung môi hữu Sản phẩm sau có khả tự phân hủy sinh học thu hồi tái chế dễ dàng Hiện tại, Cargill Dow nghiên cứu để hạ thấp giá thành sản phẩm cách sử dụng nguyên liệu cho trình sản xuất chất thải từ hoạt động nông nghiệp hay lâm nghiệp thay cho củ cải đường ngô Các sản phẩm chứa polylactic acid từ nguyên liệu cỏ khả tái tạo có mặt nhiều thị trường, ví dụ bao bì thực phẩm hay nước giải khát, áo quần Và thực tế cho thấy chúng hoàn toàn cạnh tranh với polylactic acid từ dầu mỏ Hemicellulose cellulose sinh khối thủy phân thành loại đường khác nhau, sau lên men hay tham gia chuyển hóa hóa học hình thành nhiều sản phẩm khác Phần lignin đốt để chuyển hóa thành nhiệt điện cung cấp cho q trình chuyển hóa nói Phần protein từ sinh khối thu hồi để ứng dụng thực phẩm hay làm thức ăn cho gia súc Phần khống chất từ sinh khối thu hồi chuyển hóa thành sản phẩm thương mại khác Các nghiên cứu tập trung vào việc giảm giá thành trình chuyển hoá sinh học sinh khối thành ethanol sản phẩm hóa chất khác, nhằm thương mại hóa chúng cạnh tranh với sản phẩm nguồn gốc dầu mỏ Trong đó, hai yếu tố thường quan tâm điều kiện tiền xử lý phát triển loại cellulase enzyme tốt để cải tiến tốc độ, hiệu suất nồng độ thiết kế lựa chọn biến 13 tính nguồn sinh khối để tăng suất thu ethanol giảm chi phí xử lý phần đường không sử dụng Ethanol tập trung nghiên cứu làm nguồn thay cho loại nhiên liệu từ dầu mỏ, hoạt tính, độ chọn lọc hiệu cao đồng thời khơng sinh khí thải độc hại Chuyến hóa cellulose, hemicellulose, lignin, protein sinh khối thành nhiên liệu, hóa chất, nhiệt năng, điện năng, thực phẩm thức ăn gia súc (nguồn: Hóa học xanh tổng hợp hữu Tập Xúc tác xanh dung môi xanh, NXB Đại học Quốc gia TP Hồ Chí Minh) Tuy nhiên cần lưu ý khơng phải tất nguồn tài nguyên có khả tái tạo có nguồn gốc từ sinh khối Thật đốt cháy nhiên liệu hóa thạch sinh CO nguyên liệu cho số trình khác Ví dụ CO xem ngun liệu thô sản xuất số vật liệu xây dựng Trong đó, CO2 từ khí thải thu hồi, tăng nhiệt độ tăng áp suất để đạt điều kiện siêu tới hạn (supercritical) Lưu chất siêu tới hạn này, kết 14 hợp với sản phẩm hydrate hóa từ bột nhão cement, hình thành hợp chất carbonate Bằng cách kết hợp với CO2 siêu tới hạn, vật liệu lợp nhà hay lát tường có chất lượg tốt (ví dụ bền học hơn, cứng ) so với sản phẩm sản xuất theo phương pháp đúc khuôn truyền thống Phương pháp này, có tên gọi Supramics, áp dụng để chuyển hóa khí thải CO tro thành vật liệu xây đựng có giá trị Ngoài ra, CO2 siêu tới hạn sử dụng đế tăng cường lý tính tính cho Portland cement 3.2 Ứng dụng tác chất Các tác chất sử dụng q trình hóa học thường độc hại, có tính ăn mịn cao, nguy hiểm cho người vận hành Tác chất an toàn nghiên cứu làm chất thay Trong đó, q trình oxy hóa sử dụng nhiều tác chất thay an tồn tác chất truyền thống Ví dụ trước hợp chất alcohol oxy hóa thành hợp chất carbonyl cách sử dụng kim loại nặng chromium, hình thành nhiều sản phẩm phụ Tác giả Sheldon cộng thiết kế hệ xúc tác “xanh hơn” để oxy hóa alcohol thành aldehyde ketone Trong đó, loại xúc tác phức ruthenium sử dụng điều kiện khơng khí thơng thường để oxy hóa nhiều loại alcohol Q trình khơng cần phải sử dụng thêm dung môi hữu độc hại Ngồi ra, sản phẩm phụ q trình nước khơng độc hại, giảm chi phí tiêu tốn cho trình tách tinh chế sản phẩm Hydrogen peroxide tác nhân oxy hoá khác cho “xanh hơn” tác nhân chứa chlorine truyền thống Nhóm nghiên cứu Collins thiết kế loạt xúc tác để hoạt hóa hydrogen peroxide q trình tẩy trắng bột giấy Các hệ xúc tác có độ chọn lọc cao, hiệu khoảng pH rộng, trình tẩy trắng bột giấy tiêu thụ lượng hơn, đặc biệt không sinh sản phẩm phụ chứa chlorine độc hại Công nghệ ứng dụng ngành công nghiệp sản xuất giấy bột giấy, giúp cho ngành công nghiệp tiến đến công nghệ xanh cho trình tách lignin tẩy trắng bột giấy theo phương pháp hóa học Việc sử dụng chlorine dioxide để thay cho chlorine trình tẩy trắng bột giấy áp dụng 15 công nghiệp, nhằm hạn chế sản phẩm phụ dẫn xuất chlor hóa có khả gây ung thư Tuy nhiên, sử dụng chlorine dioxide có nhiều điểm bất lợi lượng tác chất sử dụng cịn cao, q trình tiêu tốn nhiều lượng sinh hợp chất chlor hữu Do đó, hệ xúc tác Collins kết hợp với hydrogen peroxide mở công nghệ tẩy trắng không chlorine cho ngành công nghiệp sản xuất giấy bột giấy Hydrogen peroxide cịn sử dụng làm tác nhân oxy hóa q trình epoxy hóa alkene Thơng thường, q trình epoxy hóa alkene sử dụng tác nhân oxygen khơng khí, peroxide hay peracid Tuy nhiên, tác nhân epoxy hóa truyền thống có hạn chế sinh nhiều sản phẩm phụ oxy hóa mức, lượng lớn sản phẩm phụ từ peroxide hay peracid hình thành với mức tương đương với lượng alkene Rất nhiều nghiên cứu tập trung vào việc thiết kế hệ xúc tác nhằm hoạt hóa hydrogen peroxide cho phản ứng epoxy hóa alkene Nhóm nghiên cứu Vartzouma thiết kê ligand dạng shiff base, cố định chúng chất mang silica sau tạo phức với manganese Hệ xúc tác kết hợp với hydrogen peroxide hoạt động hiệu cho phản ứng epoxy hóa alkene với hoạt tính xúc tác cao hệ truyền thống Ngoài ra, lượng sản phẩm phụ sinh giảm đáng kể Một ví dụ khác, nhiều nghiên cứu tập trung tìm hóa chất thay cho phosgene, hóa chất có độ độc hại cao sử dụng rộng rãi công nghiệp Dimethyl carbonate sử dụng cho phản ứng methyl hố carbonyl hóa thay cho methyl halide phosgene Đây tác chất có độc tính thấp phosgene cách đáng kể, tổng hợp từ methanol oxygen hay carbon dioxide mà không cần phải có mặt phosgene Mặc dù phản ứng sử dụng dimethyl carbonate đòi hỏi thực nhiệt độ áp suất cao hơn, q trình an tồn sinh sản phẩm phụ so với q trình sử dụng phosgene truyền thống Nhóm nghiên cứu Distaso thực phản ứng carbonmethoxy hóa diamine béo cách sử dụng dimethyl carbonate thay cho phosgene với xúc tác Sc(OTf)3 điều kiện êm dịu Phản ứng có độ chọn lọc cao (100%), hệ xúc tác có khả thu hồi tái sử dụng 3.3 Ứng dụng dung môi 16 Dung môi sử dụng rộng rãi ngành cơng nghiệp hóa chất làm mơi trường phản ứng, dùng q trình phân riêng, làm chất trợ cho số trình Hầu hết dung mơi cơng nghiệp chất hữu dễ bay hơi, độc hại cho người vận hành cho môi trường, dễ gây cháy nổ Các điểm bất lợi thúc đẩy nghiên cứu nhằm tìm quy trình hạn chế đến mức thấp việc sử dụng dung môi hữu độc hại, quy trình sử dụng dung môi thay cho dung môi hữu truyền thống, tác động xấu lên mơi trường hạn chế Ví dụ vào năm 1990, để sản xuất kg thuốc Viagra cần sử đụng đến 1300 lít dung mơi hữu cơ, dichloromethane chiếm tỷ lệ lớn Đến năm 1994, lượng dung môi giảm xuống cịn 100 lít cho kg sản phẩm Viagra Tuy nhiên dung mơi có độc tính cao dichloromethane toluene chiếm tỷ lệ lớn tổng lượng dung mơi cần thiết Quy trình sản xuất Viagra thương mại hóa vào năm 1997 giảm tổng lượng dung mơi hữu xuống cịn 22 lít cho kg sản phẩm Viagra, dung mơi có độc tính cao dichloromethane toluene hạn chế đến mức thấp Theo định hướng Hóa học xanh, việc thu hồi tái sử dụng dung mơi cho q trình sản xuất Viagra nghiên cứu, áp dụng công nghệ vào sản xuất, tổng lượng dung môi hữu cần thiết giảm xuống cịn lít cho kg sản phẩm Viagra Trong đó, khơng cịn sử dụng dung mơi có độc tính cao dichloromethane toluene Mặc dù sản phẩm thương mại hóa từ nhiều năm nay, nhà sản xuất cố gắng tiếp tục cải tiến công nghệ để hạn chế đến mức thấp việc sử dụng lượng dung môi hữu độc hại Hiện quy mơ phịng thí nghiệm, nhiều phản ứng hóa học thực thành cơng dung môi chất lỏng ion (ionic liquid), lưu chẩt siêu tới hạn (supercritical fluid), nước, thực điều kiện không dung môi Rất nhiều nghiên cứu đă tập trung vào việc nghiên cứu tính chất ứng dụng CO2 siêu tới hạn CO2 siêu tới hạn có nhiều điểm thuận lợi có độ độc hại thấp, khơng cháy, giá thành thấp, có khả tái tạo, dễ tách tinh chế sản phẩm dễ chuyển hóa khí CO2 thành trạng thái siêu tới hạn Rất nhiều phản ứng hữu thực thành công 17 CO2 siêu tới hạn Nhóm nghiên cứu Patcas sử dụng CO siêu tới hạn làm dung mơi cho q trình hydroformyl hóa alkene với có mặt xúc tác phức cobalt Hoạt tính xúc tác phản ứng tương đương với trường hợp sử dụng dung môi truyền thống toluene, độ chọn lọc thành sản phẩm aldehyde CO siêu tới hạn cao Xúc tác phức cobalt hoà tan CO siêu tới hạn, nhiên hạ thấp nhiệt độ hỗn hợp phản ứng trở nên không tan tách dễ dàng, cỏ khả thu hồi tái sử dụng Sử dụng CO2 siêu tới hạn làm dung môi phản ứng triển khai quy mô cơng nghiệp, ví dụ Cơng ty Thomas Swan Anh Quốc xây dựng nhà máy hydro hóa dây chuyền liên tục CO2 siêu tới hạn Đó kết q trình hợp tác nhóm nghiên cứu sản xuất cùa trường Đại học Nottingham Công ty Thomas Swan Nhà máy bắt đầu hoạt đông vào thảng năm 2002 hóa chất sản xuất điều kiện sử dụng CO2 siêu tới hạn trimethylcyclohexanone từ isophorone Hydro hoá isophorone điều kiện sử dụng dung mơi truyền thống có nhược điểm sinh nhiều sản phẩm phụ, chủ yếu trimethylcyclohexanone tiếp tục bị hydro hóa Do đó, trình tách tinh chế sản phẩm trở nên phức tạp tốn nhiều so với trường hợp sử dụng CO2 siêu tới hạn Một loại dung môi khác thu hút ý chất lỏng ion Đây xem loại dung mơi xanh, khơng bay độc hại khơng gây cháy nổ sử dụng, số lượng loại chất lỏng ion nghiên cứu dần tăng lên, cách thay đổi cấu trúc cation anion Tuy nhiên, khó khăn việc ứng dụng rộng rãi chất lỏng ion làm dung mơi cần phải có quy trình điều chế chúng cách hiệu kinh tế Một vấn đề cần quan tâm điều chế chất lỏng ion phải sử dụng lượng lớn dung môi hữu thông thường để tinh chế chất lỏng ion, chủ yếu rửa loại sản phẩm phụ tác chất dư Nhiều phương pháp điều chế chất lỏng ion phát triển, số việc sử dụng vi sóng (microwave) để hỗ trợ q trình tổng hợp Bằng cách sử dụng vi sóng, chất lỏng ion điều chế có độ tinh khiết 18 cao thời gian phản ứng ngắn, giảm bớt chi phí tiêu tốn cho q trình tách tinh chế so với phương pháp điều chế thông thường Nước nghiên cứu sử dụng làm dung môi để thay cho số dung môi hữu truyền thống Rõ ràng nước loại dung mơi xanh nay: rẻ tiền nhất, độc hại nhất, an toàn nhất, trữ lượng nhiều Một số phản ứng trước thực dung mơi hữu ngày đuợc tiến hành nước, nhờ vào số xúc tác hệ Trong số trường hợp, nước làm tăng tốc độ phản ứng mà tăng độ chọn lọc cho phản ứng, chí trường hợp tác chất khơng tan tan nước Bên cạnh đó, hàm lượng oxygen nước thấp dung môi hữu khác, tạo điều kiện thuận lợi cho phản ứng hữu sử dụng xúc tác phức kim loại chuyển tiếp, vốn nhạy với oxygen Ví dụ phản ứng ghép đơi carbon-carbon Heck, loại phản ứng có ứng dụng rộng rãi cơng nghiệp sản xuất dược phẩm, hóa chất tinh khiết, hay vật liệu chức năng, thực dung mơi nước với có mặt xúc tác phức palladium Giải pháp tốt để giảm đến mức thấp điểm bất lợi việc sử dụng dung mơi mang lại vấn đề an tồn cho người sử dụng cho mơi trường, chi phí tiêu tốn tiến hành phản ứng điều kiện không dung môi Tuy nhiên tất q trình tiến hành điều kiện không dung môi Nhiều nghiên cứu phán ứng không dung môi thực có kết tốt Bằng cách sử dụng xúc tác aluminum triflate, thực phản ứng acetyl hóa alcohol, phenol, thiophenol anhydride acetic điều kiện dung mơi Phản ứng có hiệu suất độ chọn lọc cao, hạn chế tượng racemic hóa alcohol có hoạt tính quang học Q trình điều chế benzaldehyde từ benzyl alcohol điều kiện không sử dụng dung mơi với có mặt xúc tác nano vàng thực Phương pháp điều chế benzaldehyde theo đường oxy hóa giải việc sử đụng tác chất chứa chlorine Xúc tác có hoạt tính độ chọn lọc cao, có khả thu hồi tái sử dụng 3.4 Ứng dụng phương pháp quy trình tổng hợp 19 Áp dụng nguyên tắc hóa học xanh vào phương pháp tổng hợp hữu thu nhiều phản ứng hay sản phẩm mong muốn sinh chất thải vấn đề an tồn cải tiến Các lợi ích mặt mơi trường nâng cao, từ việc lựa chọn nguồn nguyên liệu ban đầu sản phẩm hình thành Ví dụ tiêu biểu cho thấy việc thiết kế lại quy trình tổng hợp mang lại nhiều lợi ích q trình sản xuất sertraline, hoạt chất phẩm chống trầm cảm Zoloft Sử dụng quy trình tổng hợp mang lại nhiều lợi nhuận: hàng năm lượng sản phẩm tăng gấp đôi, loại trừ việc sử dụng 140 TiCl 4, 440 chất thải rắn chứa TiO 2, giảm 150 HCl 35%, giảm 100 NaOH 50% Thành tựu bật giảm việc sử dụng bốn loại dung môi khác xuống cịn dung mơi ethanol giai đoạn Quy trình trước sử dụng 60.000 lít dung mơi/1000 kg sản phẩm sertraline, quy trình sản xuất cải tiến sử dụng 6000 L dung môi /1000 kg sản phẩm Quy trình cải tiến thương mại hóa, có nhiều điểm vượt trội mặt an toàn cho người vận hành, giảm chi phí lượng chi phí giải chất thải, tăng gấp đôi sản lượng Lĩnh vực sản xuất polymer có số nghiên cứu cải tiến quy trình sản xuất theo hướng xanh Tập đoàn Asahi Kasei phát triển quy trình sản xuất polycarbonate dùng xe hơi, vật liệu gia dụng, DVDs theo hướng bền vững Hiện tại, polycarbonate sản xuất từ bisphenol-A lượng lớn phosgene độc hại, đồng thời sử dụng lượng lớn dung môi methylene chloride Quy trình sản xuất khơng sử dụng dung mơi phosgene, kết hợp bisphenol-A với ethylene oxide CO CO2 sản phẩm phụ từ nhà máy sản xuất ethylene oxide Ngồi ra, quy trình giảm lượng khí thải xuống khoảng 173 CO2/1000 polycarbonate Tập đồn hóa chất Dupont sử dụng công nghệ sinh học để sản xuất 1,3-propanediol từ tinh bột ngô, monomer polymer Sorona Phương pháp không cần phải sử dụng dung mơi hữu độc hại, q trình tiến hành nhiệt độ gần với nhiệt độ phòng Trong đó, phương pháp truyền thống địi hỏi q trình thực nhiệt độ cao áp suất cao, sử dụng xúc tác kim loại nặng độc hại 20 Thiết kế lại quy trình tổng hợp sertraline (nguồn: Hóa học xanh tổng hợp hữu Tập Xúc tác xanh dung môi xanh, NXB Đại học Quốc gia TP Hồ Chí Minh) IV TỔNG KẾT Ngành cơng nghiệp hỏa chất rõ ràng có đóng góp to lớn đến việc cải thiện chất lượng đời sống nhân loại Tuy nhiên, số trường hợp hạn chế điều kiện trang thiết bị, thiếu cân nhắc xem xét kỹ lưỡng hay chí hạn chế mặt kiến thức, nhà hóa học kỹ sư trình gây tác hại lớn người môi trường sống Thách thức 21 nhà hóa học kỹ sư kỷ 21 tiếp tục tiếp nhận to lớn mặt xã hội mặt kinh tế ngành công nghiệp hóa chất mang lại khơng gây hại cho môi trường sống (hiểu theo nghĩa rộng nhất), không gây ảnh hưởng tiêu cực đến hệ tương lai mặt Đây mục tiêu hóa học xanh nhằm hướng đến phát triển bền vững Tuy nhiên, làm để đạt mục tiêu vấn đề cần quan tâm Câu trả lời phức tạp, liên quan đến toàn xã hội, liên quan đến tất khía cạnh vấn đề sau vấn đề có kết nối chặt chẽ với - Công nghệ: Một số lượng lớn cơng nghệ hóa học xanh có giá trị công bố số lượng công trình xuất vấn đề ngày tăng Tuy nhiên, cơng nghệ hóa học xanh địi hỏi phải phát triển quan trọng phải thương mại hóa Các thành cơng cơng nghệ xanh thân thiện với môi trường quy mô phịng thí nghiệm chưa thể bảo đảm chúng lựa chọn quy mô công nghiệp Trước mắt tương lai gần, thấy việc giảm đến mức thấp việc sử dụng dung môi hữu độc hại dễ bay Việc sử dụng xúc tác hệ nhằm tăng độ chọn lọc hiệu cho trình giảm lượng chất thải độc hại áp đụng, mặt kỹ thuật, thấy cách mạng thiết kế nhằm giảm nguyên vật liệu lượng tiêu tốn, tăng cường mức độ an tồn cho q trình Tuy nhiên mặt bền vững, cần phải đạt nhiều tiến vượt bậc phát triển nguồn lượng tái tạo - Giáo dục: Các nhận thức mặt môi trường vai trị khoa học cơng nghệ việc cải thiện chất lượng môi trường phải giảng dạy sớm cho học sinh sinh viên, cần phải thấy rõ vấn đề giảng dạy cho học sinh sinh viên hôm định đến mức độ xanh sản phẩm quy trình tương lai Các nguyên tắc hóa học xanh nên đan xen vào chương trình mơn học cách hợp lý Đội ngũ giảng dạy phải trang bị đủ dụng cụ, trang thiết bị, nguyên vật liệu để kết hợp hóa học xanh vào giảng hay chương trình nghiên cứu cách hiệu 22 - Xã hội: Xã hội nói chung có ảnh hưởng lớn đến việc phát triển kỹ thuật hóa học xanh Sức tiêu thụ động lực quan trọng việc định loại sản phẩm mà ngành công nghiệp sản xuất Đôi quy trình hay sản phẩm có tính bền vững kèm với giá cao mặt kinh tế lẫn mặt chất lượng, người tiêu thụ sản phẩm người định vấn đề Ví dụ lựa chọn sản phẩm sơn nước sơn dung môi hữu - Các nhà quản lý: Các nhà quản lý có vai trị việc thúc đẩy phát triển kỹ thuật hoá học xanh, đưa sách thích hợp nhằm khuyến khích phát triển bền vững, bảo đảm có sân chơi cạnh tranh lành mạnh Các nhà quản lý có trách nhiệm việc thúc đẩy phát triển công nghệ xanh thông qua chế cấp kinh phí thich hợp - Cơng nghiệp: Mục tiêu ngành cơng nghiệp lợi nhuận Tuy nhiên, có tiến triển mặt nhận thức yếu tố định đến thành công lương lai không năm mà ba vấn đề: kinh tế, môi trường, xã hội Các chi phí việc gây thiệt hại cho môi trường ngày tăng cao mức chấp nhận, vấn đề này, với tăng dần kiến thức ảnh hưởng lâu dài hóa chất lên mơi trường, vói tiến kỹ thuật giúp cho việc thay sản phẩm hay quy trình chưa xanh sản phẩm hay quy trình bền vững Nhìn chung mục tiêu xã hội xanh bền vững đạt sớm chiều, mà đường đài chưa chắn Và đường có số sai lầm định, nhiên cần phải nhấn mạnh đường cần thiết Mặc dù khoa học giúp cho việc thực thi ý tưởng việc hoàn toàn tránh mối nguy hiểm, độc hại, nhiễm xã hội nói chung định chấp nhận, xét mối tương quan chi phí - lợi nhuận 23 V TÀI LIỆU THAM KHẢO Phan Thanh Sơn Nam (2012), Hóa học xanh tổng hợp hữu Tập Xúc tác xanh dung môi xanh, NXB Đại học Quốc gia TP Hồ Chí Minh Truy cập ngày 23/12/2021, từ kupdf.net_hoa-hoc-xanh-trong-tong-hop-huu-co-tap-1-xuc-tac-xanh-va-dung-moi- xanh-phan-thanh-son-nam.pdf Lê Thị Thanh Hương (2015) Giáo trình Hóa học xanh Trường Đại học Công nghiệp TP.HCM Truy cập ngày 23/12/2021, https://drive.google.com/file/d/179ym0tQm31BH2BuKPukSPbZzjvC6k_cD/view 24 từ