Bài giảng hóa học xanh

HÓA HỌC XANH Không phải ngẫu nhiên mà Giải Nobel Hoá học năm 2005 trao cho nhà khoa học Robert H Grubbs Richard R Schrock đến từ Mỹ, Yves Chauvin đến từ Pháp, nhờ việc tìm cách làm giảm chất thải độc hại tạo hoá chất mới, giảm thiểu chất thải độc hại trình sản xuất thông minh GREEN CHEMISTRY thiết kế sản phẩm hóa chất qui trình hóa học để giảm loại bỏ hoàn toàn việc tạo sử dụng chất có hại ngăn cản việc tạo chất gây ô nhiễm sản xuất sản phẩm không gây tổn hại tới môi trường Mối nguy hại mà chất gây thuộc tính cần xem xét bên cạnh thuộc tính hóa lý khác, cần phải lựa chọn chất gây mức nguy hại tối thiểu CHƯƠNG I ĐẠI CƯƠNG VỀ HÓA HỌC XANH (HÓA HỌC BỀN VỮNG) CHƯƠNG I: ĐẠI CƯƠNG VỀ HÓA HỌC XANH (HÓA HỌC BỀN VỮNG) I LỊCH SỬ CỦA HÓA HỌC XANH ĐỊNH NGHĨA: “ HÓA HỌC XANH“ (green chemistry) liên quan đến việc thiết kế trình sản phẩm hóa học việc sử dụng tạo hóa chất độc hại loại trừ hoàn toàn giảm đến mức thấp Cách thập kỷ khái niệm “Hóa học xanh” “sự phát triển bền vững” (sustainable development) xuất Và 1987, Liên Hiệp Quốc thảo luận Năm 1991, Văn phòng độc chất chống ô nhiễm (Office of Polution Prevention and Toxics) Mỹ khởi xướng chương trình Hóa học xanh Ở Châu Âu, hoạt động Hóa học xanh khởi sướng từ năm đầu thập kỷ 90 kỉ 20 (Anh, Ý, Nhật Bản) Ấn “Tạp chí Hóa học xanh” xuất Hội Hóa học Hoàng gia Anh Quốc (Royal Society of Chemistry) khai trương 1999 Nghiên cứu Hóa học xanh tập trung nghiên cứu vấn đề: + Các rũi ro hóa chất độc hại mang lại + Các vấn đề mang tính toàn cầu: thay đổi khí hậu trái đất, mưa axit, tượng nóng lên trái đất, sản xuất lượng, nguồn nước sạch, thực phẩm sạch… II CÁC NGUYÊN TẮC CỦA HÓA HỌC XANH Mười hai nguyên tắc Paul Anastas John Warner + Nguyên tắc thứ nhất: phòng ngừa chất thải (waste prevention) + Nguyên tắc thứ hai: tiết kiệm nguyên tử (atom economy) + Nguyên tắc thứ ba: sử dụng trình tổng hợp độc hại (lesshozardous chemical synthesis) + Nguyên tắc thứ tư: thiết kế hóa chất an toàn (designing safer chemicals) + Nguyên tắc thứ năm: sử dụng dung môi chất trợ an toàn (safer solvents and auxiliaries) + Nguyên tắc thứ sáu: thiết kế trình để đạt hiệu lượng (design for energy efficiency) + Nguyên tắc thứ bảy: sử dụng nguyên liệu có khả tái tạo (use of renewable feedstocks) + Nguyên tắc thứ tám: hạn chế trình tạo dẫn xuất (reduce derivatives) + Nguyên tắc thứ chín: sử dụng xúc tác (catalysis) + Nguyên tắc thứ mười: thiết kế sản phẩm phân hủy (design for degradation) + Nguyên tắc thứ mười một: phân tích sản phẩm qui trình (on-line analysis, real-time analysis) + Nguyên tắc thứ mười hai: hóa học an toàn phòng ngừa tai nạn (safer chemistry for acciedent prevention) Mười hai nguyên tắc Neil Winterton (tr 14-17, Hóa học xanh, Phan Thanh Sơn Nam) Mười hai nguyên tắc Samantha Tang, Richard Smith Martyn Poliakoff đề nghị (tr 17-18, Hóa học xanh, Phan Thanh Sơn Nam) III CÁC NGUYÊN TẮC CỦA KỸ THUẬT XANH Nguyên tắc thứ nhất: không độc hại tốt (as inherently nonhazardous as possible) Nguyên tắc thứ hai: phòng ngừa thay xử lí (prevention instead of treatment) Nguyên tắc thứ ba: thiết kế cho trình phân riêng (design for separation) Nguyên tắc thứ tư: sử dụng tối đa hiệu vật chất, lượng, không gian thời gian (maximize mass, energy, space, and time) Nguyên tắc thứ năm: quan tâm xử lí đầu thay tăng cường đầu vào (output-pulled versus input-pushed) Nguyên tắc thứ sáu: tính phức tạp sản phẩm (product complexity) Nguyên tắc thứ bảy: bền, khí thải môi trường không tồn lâu dài (durability rather than immortality) Nguyên tắc thứ tám: đáp ứng nhu cầu hạn chế dư thừa mức quy định (meet need and minimize excess) Nguyên tắc thứ chín: hạn chế tối đa tính đa dạng nguyên vật liệu (minimize material diversity) Nguyên tắc thứ mười: tận dụng nguồn nguyên vật liệu lượng sẵn có (intergration and interconnectivity with available energy and material flows) Nguyên tắc thứ mười một: thiết kế phải quan tâm đến giá trị sau hoàn thành chức sử dụng (design for commercial “afterlife”) Nguyên tắc thứ mười hai: có khả tái tạo thay cạn kiệt (renewable rather than depleting) 10 4.1.5.6 NHƯỢC ĐIỂM BIODIEZEL Giá thành cao: đắt nhiên liệu diezel thông thường Nhưng bù lại thu glyxerin chất có tiềm thương mại lớn VD: gallon dầu đậu nành = gallon diezel khoáng Tính chất thời vụ: tách từ trồng nên muốn có thường xuyên phải quy hoạch vùng nguyên liệu tốt Có thể gây ô nhiễm: rửa không tốt dư xà phòng, kiềm dư, metanol, glyxerin… chất gây ô nhiễm Vì phải có tiêu chuẩn cụ thể để đánh giá chất lượng biodiezel 115 4.2 NHIÊN LIỆU SINH HỌC XĂNG ETANOL 4.2.1 KHÁI QUÁT CHUNG 4.2.1.1 Giới thiệu etanol ứng dụng + Etanol gọi rượu, CTPT C2H5OH, dễ cháy, không màu, thành phần đồ uống chứa cồn + Etanol biết ứng dụng từ lâu (dung môi sản xuất nước hoa, sơn, cồn thuốc, tẩy uế, nguyên liệu cho công nghệ hóa học…) + Etanol sử dụng pha vào xăng tạo nhiên liệu sinh học thân thiện với môi trường 116 4.2.1.2 Tính chất etanol a Tính chất vật lý Rượu etylic chất lỏng, không màu, không mùi, mùi thơm dễ chịu, vị cay, nhẹ nước (d = 0,7936 g/ml, 15oC), tos = 78,39oC, tonc = - 114,15oC, tan vô hạn nước b Tính chất hóa học + Phản ứng với kim loại kiềm 2C2H5OH + 2Na 2C2H5ONa + H2 + Phản ứng este hóa C2H5OH + CH3COOH + Phản ứng loại nước Tách tạo olefin C2H5OH CH3COOC2H5 + H2O C2H4 + H2O 117 Tách tạo ete 2C2H5OH C2H5 – O – C2H5 + H2O Phản ứng oxy hóa Tính chất riêng 2C2H5OH (10%)CH3 – Cu + Al2O3 380oC – 400oC CH2=CH=CH=CH2 + 2H2O + H2 CH2 – OH + O2 (kk) Men giấm 25oC CH3COOH + H2O 118 4.2.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP TỔNG HỢP ETANOL 4.2.2.1 Phương pháp hydrat hóa etylen CH2=CH2 + H2O 300oC, P = 70-80 atm Xt : axít CH3 – CH2 – OH Xúc tác axít H3PO4/chất có độ xốp cao (than củi diatomit) Xúc tác axít H2SO4 CH2=CH2 + H2SO4 CH3 – CH2OSO3H + H2O CH3 – CH2OSO3H (etyl sunfat) CH3 – CH2 – OH + H2SO4 Etanol tạo dạng công nghiệp, không dùng làm đồ uống chứa chất độc hại: metanol, denatonium (C21H29N2O.C7H5O2) chất gây đắng, gây mê 119 4.2.2.2 Phương pháp lên men (C6H10O5)n + nH2O Tinh bột C6H12O6 enzym nC6H12O6 (Đường) 2C2H5OH + 2CO2 Lên men bia: cho hạt nảy mầm, tạo enzym phá vỡ tinh bột để tạo đường Tinh bột: lấy từ phụ phẩm nông nghiệp chứa nhiều xenlulozo (lõi ngô, rơm rạ, mùn cưa…) 120 Hãng Iogen (Canada) dựa sở xenlulozo để sản xuất etanol BƯỚC 1: Thủy phân xenlulozo thành mantozo tác dụng men amylaza (C6H10O5)n + nH2O nC12H22O11 BƯỚC 2: Thủy phân mantozo thành glucozo fructozo tác dụng men mantaza C12H22O11 + H2O 2C6H12O6 BƯỚC 3: Lên men rượu có xúc tác men zima C6H12O6 2C2H5OH + 2CO2 121 122 THỦY PHÂN 123 4.2.2.3 Triển vọng tình hình sản xuất, sử dụng nhiên liệu sinh học giới Việt Nam Nước sản xuất etanol sinh học nhiều Brazil, 14 tỷ lít cồn/năm từ mía Hiện nay, toàn xăng chạy ôtô Brazil pha 20 – 25% etanol sinh học Các quốc gia phát triển Đức, Áo, Mỹ đặt mục tiêu thay phần nhiên liệu khoáng nhiên liệu sinh học Đến năm 2020, EU phải sử dụng 10% nhiên liệu sinh học, Mỹ 20% Các nước Đông Nam Á, đầu tư mạnh cho nhiên liệu sinh học Indonesia trợ cấp tỷ đô cho lượng Malaysia có nhà máy sản xuất với công suất 276.000 tấn/năm Thái lan xây dựng chương trình phát triển lượng thay 124 Ổ VIỆT NAM Bộ công nghiệp xây dựng Đề án phát triển nhiên liệu sinh học đến 2015, tầm nhìn 2020 Thủ tướng phê duyệt 20-11-2007 Giai đoạn 2011-2015: phát triển mạnh sản xuất sử dụng nhiên liệu sinh học Mở rộng qui mô sản xuất mạng lưới phân phối Năm 2020, công nghệ sản xuất NLSH VN đạt trình độ giới, đạt tỷ lít xăng E10 500 triệu lít dầu diezel B10 năm Việt Nam có nguồn nguyên liệu đồi dào: mỡ cá tra, cá basa, dầu hạt cao su, dầu dừa…để sản xuất biodiezel 125 4.2.3 CÁC PHƯƠNG PHÁP LÀM KHAN ETANOL 5.3.1 Làm khan chất hút nước: Có thể dùng CaCl2 khan, vôi (CaO)… biện pháp hiệu 5.3.2 Chưng cất phân đoạn + Cho thêm cấu tử để phá vỡ điểm sôi (dùng benzen) => hh chưng cất phân đoạn lần + Benzen tạo điểm sôi cấp (benzen+etanol+nước) => loại nước điểm sôi cấp (etanol+benzen) => thu etanol (99%) lẫn benzen (hh dùng cho nhiên liệu sinh học, không dùng cho thực phẩm (độc) 126 5.2.3.3 Sử dụng rây phân tử: vật liệu có lỗ xốp, sử dụng để hấp thụ chọn lọc nước từ dd 96% etanol Có thể sử dụng zeolit dạng viên dạng bột yến mạch Vật liệu có ưu điểm độ chọn lọc cao, thời gian sử dụng lâu tái sinh được, cách làm khô cới luồng CO2 nóng Etanol tinh khiết thu làm tăng độ cồn loại rượu Đại học Bách khoa Hà Nội thành công việc chế tạo zeolit A, P, KF dùng khử nước cồn, nâng độ cồn lên 99,5% 127 128 4.2.3.4 Sử dụng phụ gia Sử dụng etanol nồng độ thấp (chỉ cần 92%), có phụ gia Vai trò phụ gia: + Tăng hòa tan xăng etanol tốt + Ngăn ngừa tách pha nước ngăn ngừa xâm nhập ẩm bên vào trình bảo quản sử dụng Phụ gia rượu có phân tử lượng lớn hơn: rượu isopropylic, isobutylic… (dung môi trung chuyển) Tuy nhiên, điều kiện nóng ẩm VN cần cồn xấp xỉ 100% đảm bảo (vì giới hạn công nghệ nên xăng etanol ta giá cao) 129 [...]... khỏe con người và môi trường sống HÓA HỌC XANH LÀ 1 TẬP HỢP CON CỦA KỸ THUẬT XANH + Hóa học xanh cung cấp cơ sở cho việc thiết kế các công nghệ kỹ thuật xanh nhằm đạt được sự bền vững của sản phẩm, quá trình và của hệ thống + Các nguyên tắc của Hóa học xanh có vai trò định hướng trong việc thiết kế các sản phẩm hay quy trình thân thiện với môi trường 11 + Hóa học xanh làm nổi bậc tính an toàn của một...IV THÚC ĐẨY KỸ THUẬT XANH THÔNG QUA HÓA HỌC XANH HÓA HỌC XANH liên quan đến việc thiết kế các quá trình và sản phẩm hóa học trong đó việc sử dụng hoặc tạo ra các hóa chất độc hại được loại trừ hoàn toàn hoặc giảm đến mức thấp nhất KỸ THUẬT XANH liên quan đến việc thiết kế, thương mại hóa, sử dụng các quá trình và sản phẩm sao cho vừa có tính khả thi cũng... tới hạn làm dung môi trong tổng hợp hữu cơ vì: độ độc hại thấp, không cháy, giá thành thấp, có khả năng tái tạo, dễ tách và tinh chế, và dễ chuyển hóa khí CO2 thành trạng thái siêu tới hạn 14 CHƯƠNG III HÓA HỌC XANH TRONG TỔNG HỢP HỮU CƠ 15 3.1 NĂNG LƯỢNG XANH (VI SÓNG, SIÊU ÂM) VÀ CÁC VI BÌNH PHẢN ỨNG HỆ THỐNG PHẢN ỨNG TRONG LÒ VI SÓNG (MICROWAVE, MW) 16 1846 – J MAXWELL đã đưa ra lí thuyết nếu kết... phẩm và quá trình hóa học Vì việc sử dụng nguồn nguyên liệu nào ảnh hưởng đến ô nhiễm môi trường 1 Nguồn nguyên liệu Lựa chọn nguyên liệu cần quan tâm: + nguồn gốc + độc tính + ảnh hưởng đến môi trường 12 2 Tác chất 3R2CHOH + Cr2O72- + 2H+ → 3R2C=O + Cr2O3 + 4H2O Quá trình oxy hóa rượu thành các hợp chất cacbonyl dùng Cr (VI) hình thành nhiều sản phẩm phụ ruthenium Ruthenium là tác nhân xanh hơn, phản... bố đồng đều và cho phép chúng ta khống chế được nhiệt độ thông qua các cảm biến 21 22 ỨNG DỤNG SIÊU ÂM TRONG HÓA HỌC Siêu âm có thể tạo ra nhiệt độ cao như bề mặt mặt trời và cũng có thể tạo ra áp suất rất lớn giống như ở đáy biển Trong một số trường hợp nó có thể làm tăng độ hoạt động hóa học lên gần một triệu lần Siêu âm là âm thanh có tầng số cao hơn tầng số tối đa mà tai người nghe thấy được Trong... sao cho nằm song song với chiều điện trường ngoài Khi điện trường dao động, các phân tử bị quay nhanh qua lại Dao động quay được chuyển hóa thành chuyển động nhiệt hỗn loạn qua va chạm phân tử, sinh nhiệt và làm nóng thức ăn (10oC/giây) Khi áp dụng vào tổng hợp hóa học nó giúp gia nhiệt phản ứng hiệu quả và tăng sự va chạm các phân tử phản ứng Dẫn đến hiệu quả phản ứng tăng, do đó hiệu suất tăng 19... thường và không cần dung môi độc hại Sản phẩm phụ duy nhất là nước 13 3 Dung môi Dung môi được sử dụng rộng rải trong công nghiệp hóa chất làm môi trường phản ứng Hầu hết dung môi dùng trong công nghiệp là dễ bay hơi và độc hại Trong phòng thí nghiệm dùng các dung môi xanh hơn: chất lỏng ion (ionic liquid), lưu chất siêu tới hạn (supercritical fluid), nước, hoặc thực hiện không cần dung môi Dùng... ứng dụng: + tiếng còi hiệu cho chó, báo trộm, tẩy rửa nữ trang + loại bỏ sỏi thận không cần phẩu thuật, chẩn đoán hình ảnh thai nhi… + trong công nghiệp thì siêu âm rất quan trọng đối với việc làm nhủ hóa mỹ phẩm và thực phẩm 23 Siêu âm là sự nén sóng âm thanh, khi chất lỏng được chiếu siêu âm sẽ sinh ra bọt bong bóng, càng ngày càng lớn và nhiều Dưới điều kiện thích hợp, các bong bóng sẽ nổ và tạo