CO2 siêu tới hạn trong hóa học xanh Supercritical CO2 trong hóa học xanh

Báo cáo được nhóm học viên sau đại học thực hiện tại Trường Đại học Bách khoa TPHCM. Báo cáo nêu rõ những đặc điểm của CO2 siêu tới hạn, những tính chất quyết định tính chất khác biệt của CO2 siêu tới hạn so với các loại dung môi và môi chất thông thường khác. Phương pháp điều chế và những ứng dụng cũng được nêu rõ để làm nổi bật những ứng dụng quan trọng của CO2 siêu tới hạn trong hóa học xanh ngày nay. Báo cáo là tài liệu tham khảo hay cho các bạn đang theo học môn Hóa học xanh.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC

BÁO CÁO SEMINAR

NHỮNG TIẾN BỘ TRONG HÓA HỌC XANH

GVHD: PGS.TS Phan Thanh Sơn Nam

TPHCM, tháng 4 năm 2017

KHÁI QUÁT CHUNG

3

- Thay thế dung môi hiện tại bằng dung môi xanh hơn

- Tăng cường quá trình truyền khối trong hệ phản ứng

- Cải tiến hiệu suất, cải tiến độ chọn lọc cho phản ứng, kết hợp hạn chế

đến mức thấp nhất năng lượng sử dụng

- Đồng thời sử dụng CO2 làm tác chất cho phản ứng

- Sức căng bề mặt thấp

- Độ linh động cao

- Độ nhớt thấp, khả năng khuếch tán cao

- Tỷ trọng xấp xỉ tỷ trọng của chất lỏng

- Khả năng hoà tan dễ điều chỉnh bằng nhiệt độ và áp suất

- Phân riêng sản phẩm, kéo dài tuổi thọ xúc tác, thu hồi và

tái sử dụng xúc tác…

KHÁI QUÁT CHUNG

5

- Dễ kiếm, rẻ tiền

- Trơ, ít phản ứng với các chất cần tách

- Không bắt lửa, không duy trì sự cháy

- Không làm ô nhiễm môi trường

- Không độc với cơ thể, không ăn mòn thiết bị

- Hoà tan tốt các chất hữu cơ rắn, lỏng

- Hoá hơi không để lại cặn độc hại

KHÁI QUÁT CHUNG

Hạn chế của SCO2

- Phải thực hiện ở áp suất cao do đó nâng cao giá thành

- CO2 không phân cực, không thể sử dụng chiết tách những

chất phân cực

KHÁI QUÁT CHUNG

7

- Aldehyde, Ketone, Ester, Alcohol

- Các chất khí như H2, O2, CO…

- Các halogen-cacbon có phân tử lượng nhỏ và trung bình

- Các hydrocacbon mạch thẳng không phân cực, phân tử lượng thấp

và có mạch cacbon dưới 20

- Các hydrocacbon thơm có phân tử lượng nhỏ

KHÁI QUÁT CHUNG

TÍNH CHẤT CỦA CO 2 SIÊU TỚI HẠN

9

Khối lượng riêng khí ở 273,15Kvà 1,013 bar ρn = 1,977 kg/m 3

Các hình chụp thể hiện sự biến mất dần về mặt

phânchia pha của CO 2 khi tăng nhiệt độ và áp suất

a) Bề mặt phân chia pha lỏng – khí còn rõ rang

b) Bề mặt phân chia pha mờ dần

c) CO 2 ở trạng thái siêu tới hạn đồng nhất

Đường phân chia 2 pha lỏng khí rõ ràng

11

Khi tăng nhiệt độ đường phân chia 2 pha mờ dần

Tăng nhiệt độ cao hơn nữa sẽ làm cho tỉ trọng chất lỏng và khí gần nhau hơn,

đường phân cách 2 pha vẫn tồn tại nhưng khó quan sát

13

Khi đã đạt tới nhiệt độ và áp suất tới hạn thì không còn phân biệt được 2 pha nữa,

đường phân cách cũng không còn, tạo 1 pha đồng nhất

15

Ảnh hưởng của nhiệt độ và áp suất lên tỷ trọng CO 2

Sự phụ thuộc độ tan phần mol của benzoic acid

17

Sự biến đổi trạng thái của CO 2

SẢN XUẤT VÀ ĐIỀU CHẾ

SẢN XUẤT VÀ ĐIỀU CHẾ

19

SẢN XUẤT VÀ ĐIỀU CHẾ

Kỹ thuật phân riêng

Kĩ thuật giãn nở nhanh của lưu chất siêu tới hạn

SẢN XUẤT VÀ ĐIỀU CHẾ

Kỹ thuật phân riêng

Kỹ thuật phân riêng

Ứng dụng chiết một số chất bằng hệ thống RESS

SẢN XUẤT VÀ ĐIỀU CHẾ

Kỹ thuật phân riêng

• Tương tự như phương pháp kết tủa, kết tinh

Kỹ thuật phân riêng

SẢN XUẤT VÀ ĐIỀU CHẾ

25

Kĩ thuật sử dụng lưu chất siêu tới hạn làm dung môi ít tan

Jennifer Jung, M.P , Particle design using supercritical fluids: Literature and patent survey The Journal of Supercritical Fluids, 2001 20: p 179-219

Kỹ thuật phân riêng

SẢN XUẤT VÀ ĐIỀU CHẾ

Kỹ thuật phân riêng

SẢN XUẤT VÀ ĐIỀU CHẾ

Kỹ thuật phân riêng

• Phân tán các thành phần hầu như không

tan trong SCO2

sau đó giảm áp, CO2 thoát ra khỏi hỗn

hợp=> lưu chất còn lại được phân tán

thành những giọt nhỏ

• Được sử dụng trong công nghệ vật liệu

vô cơ: tạo hạt, tạo lớp phủ, phẩm màu

Kỹ thuật phun phân tán (atomization/nebulization)

SẢN XUẤT VÀ ĐIỀU CHẾ

Kĩ thuật tạo hạt từ quá trình phân tán của SCO 2

Kỹ thuật phân riêng

SẢN XUẤT VÀ ĐIỀU CHẾ

Ứng dụng sử dụng kỹ thuật phân riêng

29

Zeljko Knez, E.W., Particles formation and particle design using supercritical fluids Current Opinion in Solid State and Materials Science, 2003 7: p 353-361

SẢN XUẤT VÀ ĐIỀU CHẾ

ỨNG DỤNG CỦA SCO 2

Là quá trình tách một thành phần (chất chiết suất) từ một hỗn hợp (chất nền rắn hoặc hỗn hợp lỏng) bằng chất lỏng ở trạng thái siêu tới hạn

Sơ đồ chiết sử dụng SCO 2

CHIẾT SIÊU TỚI HẠN (SFE)

CHIẾT SIÊU TỚI HẠN (SFE)

Dùng CO 2 siêu tới hạn (SCO 2 ) ly trích hương liệu:

theo hương liệu, -> giảm áp suất để hương

liệu kết tụ lại -> qua separator hương liệu

tiếp tục quy trình.

33

CHIẾT SIÊU TỚI HẠN (SFE)

Tách caffeine trong cafe và chè:

Đặc điểm chiết tách của SCO 2

+ Không hòa tan đường, protein, thuốc trừ sâu,

acid amin,tannin.

Vì vậy , SCO 2 khi ly trích caffein trong hạt

cafe thì nó sẽ không làm mất mùi vị của caffein,

hiệu suất cũng cao từ 97-99 % và ko để lại cặn

bã.

35

Mạ

- Lớp mạ sáng, bóng, nhẵn hơn nhiều so với phương pháp mạ truyền thống

Thậm chí khi với cả lớp mạ có độ dày lớn hơn nhiều lần (hình dưới);

- Kích thước độ hạt có thể đạt đến dưới 10nm;

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1 Jennifer Jung, M.P , Particle design using supercritical fluids: Literature and patent survey

The Journal of Supercritical Fluids, 2001 20: p 179-219

2 Zeljko Knez, E.W., Particles formation and particle design using supercritical fluids Current Opinion in Solid State and Materials Science, 2003 7: p 353-361

3 B.Gupta, R., Nanoparticle Technology for Drug Delivery, in Drug and The Phamaceutical sciences, U.B.K., Editor 2006, Taylor & Francis Group: New York p 51-82

4 Nam, P T S (2008) Hóa học xanh Việt Nam, Đại học quốc gia tpHCM

5 Dũng, N V (2012) Tạo hạt submicro acid salicylic sử dụng lưu chất siêu tới hạn, ĐHBK HCM

6 Minh, N C (2010) Nghiên cứu chiết tách caffeine từ lá trà bằng CO2 lỏng ở trạng thái siêu tới hạn, ĐHBK HCM

7 Phụng, L T K (2009) Ứng dụng kĩ thuật lưu chất siêu tới hạn trong tạo hạt dược phẩm ĐHBK HCM

8 Bhardwaj, L "A review on methodology and application of supercritical fuild technology in pharmaceutical industry."

39

THANK YOU!