Đề cương hóa học xanh

ĐỀ CƯƠNG HÓA HỌC XANH Câu 1: 12 nguyên tắc hóa học xanh Ngăn chặn chất thải: Thiết kế tổng hợp hóa học xanh để tránh tạo chất thải, khơng để lại hóa chất thải để phải xử lí dọn dẹp Thiết kế hóa chất sản phẩm an tồn hơn: Thiết kế sản phẩm hóa chất đầy đủ hiệu quả, có khơng có độc tính Thiết kế tổng hợp hóa chất độc hại: Thiết kế tổng hợp để sd tạo chất có khơng có độc tính người mơi trường Sử dụng nguyên liệu tái tạo: Thay sd nguồn nguyên liệu hóa thạch dần cạn kiệt Nguyên liệu tái tạo thường sản phụ phẩm nông nghiệp chất thải trình khác Sử dụng chất xúc tác, không dùng chất phản ứng: Giảm thiểu chất thải cách sử dụng pu có xt Các chất xt đc sd lượng nhỏ dùng nhiều lần Các chất pu, thường phải sd dư tiêu tốn nhiều Tránh chất dẫn xuất hóa học: Tránh sử dụng cách bảo vệ nhóm chức chuyển hóa trung gian Vì dẫn xuất - tác nhân bổ sung tạo chất thải Tối đa hóa tiết kiệm nguyên tử: Thiết kế trình tổng hợp để sp cuối chứa tối đa tỷ trọng nguyên tử chất ban đầu Hạn chế lãng phí nguyên tử Sd dm đk pu an toàn hơn: Tránh dùng dm, tác nhân tách hóa chất phụ trợ khác Nếu cần thiết, phải sd hóa chất khơng độc hại Tăng hiệu lượng: Thực pu nhiệt độ áp suất môi trường 10 Thiết kế hóa chất sp có khả phân hủy sau sử dụng để chúng khơng bị tích lũy mơi trường 11 Theo dõi kiểm soát pu theo thời gian trình tổng hợp để giảm thiểu loại bỏ hình thành sản phẩm phụ 12 Giảm thiểu rủi ro tai nạn: Thiết kế hóa chất dạng sp (R,L K) đến giảm thiểu tai nạn hóa học tiềm tàng như: nổ, cháy phát tán vào môi trường Câu 2: Tiết kiệm nguyên tử E-factor: Tiết kiệm nguyên tử: - Khái niệm: việc thiết kế trình tổng hợp cho sản phẩm cuối chứa tối đa tỷ trọng nguyên tử có mặt chất ban đầu - Công thức: - Một số VD: a PhCH(OH)CH3 + CrO3 + H2SO4 = PhCOCH3 + Cr2(SO4)3 + H2O b PhCH(OH)CH3 + ½ O2 = PhCOCH3 + H2O E-factor (chỉ số E): -  KN: số lượng chất thải thực tế tạo từ trình sản xuất (tất thứ, trừ nước) kilogram sản phẩm E factor lớn lượng chất thải nhiều tác động xấu đến mơi trường Nhìn chung, số E tăng đáng kể từ việc sản xuất hóa chất cơng nghiệp tới sản xuất hóa chất tinh khiết công nghiệp dược phẩm Các nguồn phát sinh chất thải: + Phát sinh từ q trình sản xuất hóa chất hữu cơ, bao gồm muối vô ban đầu + Hậu việc sử dụng tác nhân vô theo hệ số tỷ lượng VD: khử hóa kim loại (Na, Mg, Zn,…) hydrua kim loại (LiAlH4, NaBH4) + Oxi hóa KMnO4, CrO3/H2SO4 + Các q trình: sulfo hóa, nitrat hóa, halogen hóa, diazo hóa axyl hóa theo Friedel – Craft Giải pháp: Thay phương pháp tỷ lượng cổ điển việc lựa chọn xúc tác VD:  Cách tính khác: - Nhược điểm: E – factor bỏ qua yếu tố tái chế dung mơi xúc tác, khó khăn việc xác định ranh giới hệ thống, Vd thực tính toán giai đoạn sản xuất hay sản phẩm bắt đầu vào vòng đời sử dụng; khơng mang tính xác tuyệt đối mặt hàn lâm - Ưu điểm: số liệu coi số đo lường đơn giản dễ áp dụng vào sản xuất cơng nghiệp; kết hợp để đánh giá phản ứng nhiều giai đoạn phép tính Câu 3: Xúc tác chất mang, xúc tác đồng thể, xúc tác dị thể - Xt chất mang: chất mang dạng rắn: polyme silica - Xt đồng thể (homo-geneous catalysts): sd sắc ký cột, chưng cất, tách chiết + Chọn lọc cao + Sẵn có + Giá cao + Ổn định + Khó tái sinh + Hạn chế dùng CN VD: Khi sd xt đồng thể cho phản ứng sau với dung môi - Sản phẩm phải thủy phân, tách chiết, chưng cất pha hữu cơ, tái chế lại dm - Hiệu suất 85-95%; 4,5kg nước thải/ 1kg chất tham gia, 12 đơn vị hoạt động - Xúc tác dị thể (hetero-geneous catalysts) + Chọn lọc thấp + Giới hạn pu đặc trưng + Dễ tái chế + Khó điều chỉnh + Thích hợp dùng CN VD: Với phản ứng phần xt đồng thể, ta thay xt dị thể H-beta (chất xt tái tạo) - Khơng cần dung môi, không cần nước; tách chiết pha hữu - Hiệu suất > 95%, sản phẩm tinh khiết; 0,035kg nước thải/ 1kg chất tham gia, đơn vị hđ Câu 4: Cơ chế hiệu thúc đẩy phản ứng vi sóng siêu âm * Vi sóng: - Vi sóng sóng điện từ, có bước sóng dài tia hồng ngoại ngắn sóng radio - Vi sóng nằm phổ điện từ vùng hồng ngoại sóng vơ tuyến Chúng hoạt động có hiệu phạm vi 0,3 – 300 GHz Tuy nhiên, phòng thí nghiệm thường sử dụng bước sóng 2,45GHz - Tính chất vi sóng: + + Phản xạ bề mặt kim loại Có thể xun qua khơng khí, gốm, sứ, thủy inh, polymer Độ xuyên thấu tỉ lệ nghịch với tần + số + Có thể lan truyền chân khơng Nguồn gốc tác động: tương tác điện trường phân tử phân cực bên vật chất chuyển dịch có định hướng phân tử gây ma sát tăng nhiệt độ Với chất lỏng, gia tăng nhiệt độ xảy nhanh gắn liền với + + tính phân cực + Với chất rắn, gia tăng nhiệt độ phụ thuộc hệ thống tinh thể chênh lệch mặt tỉ lượng gây tính chất phân cực chất rắn - Cơ chế: Vi sóng tăng hoạt chọn lọc với phân tử phân cực Q trình chuyển hóa lượng điện từ thành lượng nhiệt thong qua chế: a, Cơ chế quay cực phân tử + Xảy hợp chất không phân ly thành ion dung dịch + Khi lưỡng cự định hướng lại để xếp theo trường trường thay đổi tạo lệch pha hướng điện trường phân tử lưỡng cực Sự hao hụt điện mơi làm nóng vật chất b, Cơ chế dẫn ion: Áp dụng cho ion dung dịch, ion dung dịch di chuyển dung môi ảnh hưởng điện trường ma sát làm dung dịch nóng lên - Hiệu : + Tồn thể tích vật liệu làm nóng nhanh chóng lúc + cấp nhiệt thông thường: chậm, từ bề mặt + Năng lượng cấp trực tiếp đến mẫu khơng phải dẫn qua bình phản ứng + Năng lượng thấp để phá vỡ liên kết hóa học + Cấp nhiệt bắt đầu dừng lại + Gradient nhiệt, đặc biệt gần bề mặt giảm thiểu + Bình phản ứng khơng nóng lòng + Hiệu suất cao, phản ứng + Tạo khả sử dụng tác nhân dung mơi ơn hòa - Ví dụ: Với thiết bị vi phản ứng có nguồn (4 chất ban đầu) vào với pha: + Pha hữu + Pha dung dịch Với hệ thống ta nhận chất đầu cho chất phản ứng với vi phản ứng Chứng minh hình - Ngồi thay làm theo pp truyền thống phải nhiệt từ 5-10h ta sử dụng vi sóng để đẩy nhanh trình mà ko ảnh hưởng đến sp cho hiệu suất cao Q trình rút ngắn lại 10 phút Quá trình pu Suzuki * Siêu âm: - Siêu âm sóng âm có tần số cao ngưỡng nghe người (> 16KHz) - Ảnh hưởng hóa học sóng siêu âm chia thành hướng: + Âm hóa học đồng pha sử dụng dung dịch + Âm hóa học dị pha sử dụng hệ lỏng – lỏng hay lỏng – rắn + Âm hóa học xúc tác - Cơ chế: siêu âm phản ứng sử dụng chế cavitation (sự tạo vỡ bọt) + Sự chiếu xạ siêu âm môi trường lỏng sản sinh lượng lớn, gây tượng vật lí cavitation + Cavitation xảy khin áp suất chân không vượt so với độ bền kéo chất lỏng, độ bền thay đổi tùy theo loại độ tinh khiết chất lỏng + Thông thường tạo – vỡ bọt trình tạo mầm, bắt nguồn từ yếu tố chất lỏng lỗ hổng chứa khí phân tán lơ lửng hệ vi bọt tồn thời gian ngắn trước tạo – vỡ bọt xảy + Những vi bọt qua chiếu xạ siêu âm hấp thu dần lượng từ sóng phát triển phát triển bọt phụ thuộc vào cường độ sóng Ở cường độ sóng cao, bọt thường phát triển cao thông qua tương tác quán tính Nếu chu kì giãn nở sóng đủ nhanh bịt khí giãn nửa chu kì đầu nửa chu kì lại nén bọt, bọt chưa kịp nén lại giãn tiếp lớn dần lên vỡ + Cavitation đóng vai trò trung gian để nhận lượng tập trung lượng sóng âm chuyển lượng sang dạng có ích cho hóa học - Hiệu quả: + Tạo nhiệt độ cao cho phản ứng + Làm tăng hoạt tính hóa chất: xúc tác + Điều chế kim lọai vơ định hình - Ví dụ: Các phản ứng vòng thơm sd siêu âm vi sóng đẩy hiệu suất trình thời gian pu lên nhiều lần sau: SMUI: Simultaneous microwave and ultrasound irration = sd đồng thời vi sóng siêu âm Câu 5: Đặc điểm, tính chất, ứng dụng CO2 siêu tới hạn, chất lỏng ion Khái niệm: - Chất lưu siêu tới hạn trạng thái vật lý nhiệt độ áp suất cao nhiệt độ áp suất tới hạn (Tc Pc) Đó giá trị áp suất nhiệt độ cao mà trạng thái trạng thái lỏng cân với Với CO2 siêu tới hạn đạt trạng thái tới hạn nhiệt độ Tc=304,20K , Pc= 72,9 atm Dưới góc độ hóa học xanh việc sử dụng CO2 có ưu điểm sau: - - - - Dung môi sở CO2 siêu tới hạn không độc hại , khơng gây cháy nổ có chi phí thấp so với dung môi thông thường CO2 siêu tới hạn hạn chế đến mức thấp vấn đề lien quan tới độc hại cháy nổ nhiễm mt Khả hòa tan tốt chất khí H2, O2 , CO ,…mà khí lại tan dung mơi hữu thong thường Khả hòa tan khí cao thúc đẩy phản ứng có sử dụng khí hydrogen hóa , oxihoa , carbonyl hóa , … Xảy nhanh Ví dụ nhiệt độ 500C nồng độ H2 hỗn hợp siêu tới hạn gồm có H2 áp suất 85bar CO2 áp suất 120 bar 3,2 M trog nồng độ H2 THF (tetrahydrofuran) áp suất vào khoảng 0,4M CO2 siêu tới hạn tăng cường trình truyền khối hệ phản ứng lưu chất siêu tới hạn nói chung CO2 siêu tới hạn nói riêng có tính chất tương tự chất khí ví dụ có độ nhớt thấp khả khuếch tán cao đáng kể so với dung mơi hữu thơng thường Do CO2 siêu tới hạn có khả tăng tốc độ phản ứng đặc biệt phản ứng thuộc loại khuếch tán khống chế Dung mơi CO2 siêu tới hạn có tính chất vật lý điều chỉnh dc theo yêu cầu khả nén cao lưu chất siêu tới hạn cho phép cho phép điều chỉnh dc tỉ trọng - - - Do điều chỉnh thơng số vật lý phụ thuộc vào tỷ trọng số điện mơi độ nhớt hay thay đổi tính chất dung môi nhiệt độ áp suất hỗn hợp Từ khống chế phản ứng theo chiều tăng hiệu suất cần thay đổi điều kiện vận hành CO2 siêu tới hạn có độ bền với tác nhân oxihoa CO2 ko thể tiếp tục bị oxihoa thành sản phẩm có số oxihoa cao Do dung môi lý tưởng cho phản ứng oxihoa xúc tác CO2 siêu tới hạn có khả dẫn nhiệt tốt cách đáng kể so với dung môi hữu thơng thường dung mơi lý tưởng cho phản ứng tỏa nhiệt Một ưu điểm bật khác khả tạo điều kiện thuận lợi cho việc phân riêng sản phẩm thu hồi tái sử dụng xúc tác đặc biệt xúc tác phức kim loại chuyển tiếp đắt tiền phân riêng dễ dàng cách giảm áp suất nhiệt độ để đưa CO2 dạng khí Ngồi CO2 siêu tới hạn có ưu điểm khác khả kéo dài tuổi thọ xúc tác đặc biệt xúc tác sở kim loại chuyển tiếp Do CO2 siêu tới hạn có khả hòa tan chất có khả đầu độc xúc tác dễ dàng từ giúp cho xúc tác giữ dc hoạt tính lâu tuổi thọ kéo dài Tính chất CO2 siêu tới hạn - Một số thơng số hóa lý : + Nhiệt độ tới hạn Tc=304,20K áp suất tới hạn Pc= 72,9; = 0,47g/ml + Có thể thấy dung mơi hữu thơng dụng khác nước có điểm tới hạn cao đáng kể so với CO2 ví dụ methanol Tc=513,70K , PC=78,9atm etanol có Tc=516,60K , Pc=63 atm nước đạt giá trị tới hạn Tc=647,30K , PC=218,3 atm Do số lượng phản ứng hữu thiết kế để thực dung môi nước siêu tới hạn hay etanol siêu tới hạn thường hạn chế nhiều so với CO2 siêu tới hạn - Tỉ trọng: trạng thái khí < trạng thái siêu tới hạn < trạng thái lỏng Độ nhớt: trạng thái khí < trạng thái siêu tới hạn < trạng thái lỏng Hệ số khuếch tán: trạng thái khí > trạng thái siêu tới hạn > trạng thái lỏng Khơng ăn mòn thiết bị , bay không để lại cặn độc hại, khơng bắt lửa khơng trì cháy Độ nhớt thấp, độ linh động cao Hòa tan tốt khí H2, O2 , CO ,… Khả dẫn nhiệt tốt Bền với tác nhân oxi hóa CO2 vừa đóng vai trò dung mơi vừa đóng vai trò chất xúc tác cho phản ứng - Hạn chế: + Chất biến tính( dung mơi hữu cơ) thêm vào để điều chỉnh độ hòa tan => xanh + Độ hòa tan số chất dung môi CO2 siêu tới hạn + Chất hoạt động bề mặt ưa CO2 phát triễn đắt tiền phải tách từ sp Ứng dụng: - Trong nhà quan sát ngành cơng nghiệp phấn chấn CO2 có nhiều ứng dụng tách tinh lọc, nhiều người khẳng định chất CO2 siêu tới hạn lỏng có vai trò khác việc tổng hợp hố chất lĩnh vực cơng nghệ cao sản xuất chất bán dẫn - Hiện tại, công nghệ sử dụng CO2 làm dung môi thâm nhập vào lĩnh vực bình thường giặt khơ phun sơn - Công ty Micell Technologies, thành lập từ năm 1995, quảng cáo hệ thống giặt quần áo khô nhờ hỗn hợp CO2 lỏng chất hoạt động bề mặt đặc biệt sử dụng máy giặt hoạt động với áp suất - De Simone, chủ tịch Công ty Micell tuyên bố rằng, ưu hệ thống dùng tới pecloetylen, loại dung môi thường dùng đế tẩy máy giặt khô lại làm ô nhiễm nước ngầm gây ung thư cho người - Một công ty kỳ cựu công nghệ sử dụng CO2 siêu tới hạn Union Carbide, áp dụng công nghệ để sản xuất sơn phun loại sơn khác từ năm Công nghệ phát triển từ năm 1980, nhằm mục đích hỗ trợ cơng ty thực theo quy định phải giảm việc sử dụng dung môi - Ứng dụng ban đầu phun sơn lên đồ đạc chi tiết Ơ tơ, trang thiết bị công nghiệp Hiện người ta áp dụng công nghệ vào việc phun chất xúc tiến kết dính lên chất dẻo, phun chất hoạt động bề mặt lên vải, phun sơn lên chi tiết máy bay, phủ sôcôla lên bánh v.v Câu 6: Nhiên liệu sinh học: Biodiesel Ethanol Công nghệ sản xuất Ứng dụng Biodiesel: - Khái niệm: loại nhiên liệu có tính chất tương tự dầu diesel sản xuất từ dầu/mỡ động thực vật Chúng alkyl (C1 – C3) este axit béo Công nghệ sản xuất: + Quy trình (Thơng thường): Dầu/mỡ xử lý qua để loại bỏ tạp chất, sau trộn với tỷ lệ định CH3OH xúc tác (NaOH, KOH, ancolat,…) (tỉ lệ thường 10%) sau cho phản ứng, tách rửa để thu sản phẩm biodiesel + Cơ chế, nguyên tắc: Sản xuất biodiesel từ dầu mỡ dựa phản ứng transesterification, sản phẩm thu biodiesel bao gồm mono alkyl este Cơ chế phản ứng: Cụ thể: - + Nguồn nguyên liệu: Cây cải dầu (sản lượng 1150l/ha), dầu mè (Jatropha ??? k biết dịch tên khác :V, sản lượng 2600l/ha), hướng dương (sản lượng 1400l/ha), ngồi có nghiên cứu tách chiết biodiesel từ nguồn khác như: loại dầu thải, từ loại nấm (Cunninghamella japonica), bã cà phê, dầu đậu dầu, dầu dừa, dầu hạt cau, dầu đậu nành… Phân loại: + Theo tỷ lệ biodiesel/diesel: Thông thường gồm loại: B100 – gồm 100% biodiesel, B20 – 20% biodiesel/80% diesel thường, B5 – 5% biodesel/95% diesel thường, B2 – 2% biodiesel Chỉ loại biodiesel B20 trở xuống dùng trực tiếp cho động diesel tiêu chuẩn mà chỉnh sửa/thiết kế lại máy móc - - - - - + Theo nguyên liệu ban đầu: RME: Methyl este cải dầu, SME: Methyl este dầu đậu nành hay dầu hướng dương, PME: Methyl este dầu dừa hay dầu hạt cau Ứng dụng Biodiesel sử dụng diesel thường cho loại động tiêu chuẩn động ô tô, thử nghiệm cho xe lửa máy bay Hoặc biodiesel dùng hệ thống sưởi dầu, xử lý cố tràn dầu dùng làm nhiên liệu cho máy phát điện Tính chất – lợi ích: + Chỉ số cetan thấp, không chứa sulfur + Điểm bắt lửa cao, nhiệt lượng tỏa lớn + Cháy hoàn toàn diesel thường, sản phẩm cháy chứa hợp chất sulfur, CO CO2 hơn, nhiên lại thải nhiều khí NOx Ethanol: Etanol hay bioethanol loại nhiên liệu sinh học dùng để thay cho xăng thường dùng, loại xăng sinh học sử dụng phổ biến rộng rãi giới Cơng nghệ sản xuất: Có cách để tổng hợp etanol, từ q trình tổng hợp hydrocarbon từ sinh khối Chỉ etaol sản xuất cách gọi bioethanol Nguyên tắc: Etanol sản phẩm nhận thông qua trình thủy phân lên men đường Sinh khối trước tiên xử lý axit enzyme để cắt nhỏ kích thước phân tử, thành phân tử đường sacarozo đường lên men thành etanol cách để thủy phân đường từ sinh khối là: sử dụng axit đặc, sử dụng axit loãng sử dụng ezyme Sản phẩm trình thủy phân dung dịch đường sacarozo thêm vào men chứa ezyme invectaza, enzyme xúc tác cho trình chuyển từ sacarozo thành fructozo glucozo: C12H22O11 C6H12O6 + C6H12O6 Fructozo glucozo tiếp tục phản ứng với ezyme zymaza (cũng có men) để tạo etanol CO2: C6H12O6 C2H5OH + CO2 Quá trình lên men diễn khoảng ngày nhiệt độ phòng (25 – 30oC) Nguồn nguyên liệu: Lúa mì, ngơ, củ cải đường, gỗ, mía, khoai tây, loại ngũ cốc… Ứng dụng: Ngoài ứng dụng phổ biến để làm nhiên liệu chạy xe etanol ứng dụng rộng rãi ngành công nghiệp mỹ phẩm, thực phẩm nhiều ngành sản xuất khác Để dùng làm nhiên liệu chạy xe, etanol phối trộn với xăng thường theo nhiều tỷ lệ, lên tới 15% Lợi ích: + Xăng pha etanol có hệ số lượng thấp xăng thường, số octan lại cao nên làm tăng tỷ số nén động + Giá thành rẻ + Giảm thiểu lượng khí CO2 phát thải mơi trường  ... (> 16KHz) - Ảnh hưởng hóa học sóng siêu âm chia thành hướng: + Âm hóa học đồng pha sử dụng dung dịch + Âm hóa học dị pha sử dụng hệ lỏng – lỏng hay lỏng – rắn + Âm hóa học xúc tác - Cơ chế: siêu... số tỷ lượng VD: khử hóa kim loại (Na, Mg, Zn,…) hydrua kim loại (LiAlH4, NaBH4) + Oxi hóa KMnO4, CrO3/H2SO4 + Các q trình: sulfo hóa, nitrat hóa, halogen hóa, diazo hóa axyl hóa theo Friedel –... tăng đáng kể từ việc sản xuất hóa chất cơng nghiệp tới sản xuất hóa chất tinh khiết công nghiệp dược phẩm Các nguồn phát sinh chất thải: + Phát sinh từ q trình sản xuất hóa chất hữu cơ, bao gồm muối