Ứng dụng hóa học xanh

Trong ngành công nghiệp hóa chất, nội dung Hóa học xanh được áp dụng vào nhữnglĩnh vực sau đây: - Xúc tác xanh Green catalysis - Dung môi xanh Green solvent - Quá trình xanh Green proces

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH 3

CHƯƠNG I : TỔNG QUAN VỀ ỨNG DỤNG HÓA HỌC XANH 4

1 Giới thiệu về hóa học xanh 4

2 Các lĩnh vực áp dụng của hóa học xanh hiên nay 4

2.1 Xúc tác xanh : 4

2.2 Dung môi xanh: 5

2.2.1 Nghiên cứu cụ thể về chất lỏng siêu tới hạn 5

2.2.2 Chất lỏng ion 7

2.2.2.1 Ứng dụng trong khai thác dầu khí: 8

2.2.2.2 Ứng dụng trong dược phẩm 8

2.3 Quá trình xanh: 9

2.4 Sản phẩm xanh: 10

2.4.1 Kỹ thuật xanh 10

2.4.2 Khoa học nano 11

2.4.2.1 Vật liệu siêu nhuận từ và ứng dụng y sinh học 12

2.4.2.2 Một vài ngành ứng dụng mới dựa trên công nghệ nano 13

2.4.3 Thiết kế sản phẩm bền vững 15

3 Triển vọng tương lai 16

CHƯƠNG II: ÁP DỤNG HÓA HỌC XANH TRONG NGÀNH HÓA CHẤT Ở VIỆT NAM 18

1 Những hoạt động liên quan đến Hóa học xanh 18

2 Đổi mới công nghệ để đáp ứng yêu cầu của hóa học xanh: 20

3 Các dự án đầu tư mới lựa chọn sử dụng công nghệ phù hợp với các nguyên tắc của hóa học xanh: 20

3.1 Sản xuất phân đạm ure: 20

3.2 Công nghệ sản xuất phân DAP: 21

3.3 Công nghệ axit sunfuric: 21

3.4 Công nghệ sản xuất axit Phosphoric: 21

3.5 Sản xuất Xút – Clo: 21

3.6 Công nghệ sản xuất sản phẩm lốp ôtô: 22

1

3.7 Nhóm sản phẩm điện hoá: 22

3.8 Sản xuất pha chế hoá chất bảo vệ thực vật: 22

3.9 Trong một số lĩnh vực công nghiệp hoá chất khác: 23

4 Định hướng hoạt động trong thời gian tới 23

3 Kết luận 24

CHƯƠNG III: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 25

CHƯƠNG IV: TÀI LIỆU KHAM KHẢO 26

DANH MỤC HÌNH

Hình 2.2.2 a) Sản phẩm Chất lỏng ion trên thị trường Chất lỏng ion

boron siêu tập trung (10 giọt bằng 100 mcg)

7

Hình 2.2.2 b) Một số loại ion trong dung dịch Muối lỏng ( Chất lỏng

ion)

8

Hình 2.3 b) Dùng cây xanh tăng cảnh quan và điều hòa môi trường 9

3

CHƯƠNG I : TỔNG QUAN VỀ ỨNG DỤNG HÓA HỌC XANH

1 Giới thiệu về hóa học xanh.

Nói đến “Hóa học xanh” tức là nói đến việc khám phá, phát hiện và thực hiện đầy đủ vànghiêm ngặt các trình tự phản ứng hóa học để cuối cùng tạo ra các sản phẩm theo tiêu chí

an toàn hơn, sạch hơn và hiệu quả hơn Tuy nhiên, Hóa học xanh có mối liên quan vớinhiều lĩnh vực khác nữa ngoài hóa học, ví dụ như kinh tế, pháp luật, độc chất học, chămsóc sức khỏe cộng đồng… Vì vậy, để phát triển Hóa học xanh trong một quốc gia, cần triểnkhai đồng bộ các hoạt động của nhiều lĩnh vực liên quan

2 Các lĩnh vực áp dụng của hóa học xanh hiên nay.

Trong ngành công nghiệp hóa chất, nội dung Hóa học xanh được áp dụng vào nhữnglĩnh vực sau đây:

- Xúc tác xanh (Green catalysis)

- Dung môi xanh (Green solvent)

- Quá trình xanh (Green processes)

- Sản phẩm xanh (Green products)

1.1.1 2.1 Xúc tác xanh :

Xúc tác có vai trò thiết yếu đối với một quá trình hóa học Nó thúc đẩy phản ứnghóa học diễn ra nhanh hơn với tính chọn lọc cao hơn, tiêu thụ năng lượng ít hơn so vớitrường hợp thông thường Ngày nay, xúc tác góp phần quan trọng cho ngành công nghiệpxanh, nó không chỉ thay thế một phần chất tham gia phản ứng hoặc làm cho quá trình diễn

ra hiệu quả hơn (hiệu suất chuyển hóa cao hơn) mà còn giảm tác động xấu tới môi trường

và giảm chi phí cho các quá trình sản xuất hóa chất

Xúc tác xanh sử dụng bao gồm các xúc tác dị thể, đồng thể, xúc tác ánh sáng, đặcbiệt xúc tác sinh học (sử dụng các enzym làm xúc tác cho phản ứng hóa học) Xu hướng sửdụng các xúc tác ít độc, hoạt tính cao và rẻ tiền được áp dụng thành công trong lĩnh vựctổng hợp xanh Ví dụ: xúc tác sắt thay thế cho ruteni; sử dụng zeolits hạt nano làm xúc táccho nhiều quá trình chuyển hóa trong ngành chế biến dầu, khí…

Tiềm năng to lớn của các xúc tác từ tự nhiên như các enzym cho tổng hợp hữu cơ đã ngàycàng được công nhận Thông thường, các xúc tác sinh học làm cho tốc độ phản ứng cao vàchọn lọc hơn nhiều so với xúc tác hóa học Vì vậy, sử dụng xúc tác sinh học trong tổng hợp

hữu cơ đang là hướng phát triển mạnh và đầy tiềm năng Ví dụ như sử dụng

men cytochrom P450 monooxyanase trong các phản ứng dehydro hóa, dehalogen hóa khử,

isome hóa…; men nitrilase để thủy phân các hợp chất nitril, chuyển hóa các nitril thànhaxit carboxylic… Nói chung, các enzym đang trở thành công cụ quan trọng đối với các quátrình tổng hợp xanh, đặc biệt trong lĩnh vực tổng hợp hóa dược và công nghiệp thực phẩm

2.2 Dung môi xanh:

Việc sử dụng các dung môi trong công nghiệp hóa chất và các ngành công nghiệpkhác là rất lớn và đa dạng nên ảnh hưởng không nhỏ tới môi trường và cộng đồng Hóa họcxanh khuyến cáo thay thế sử dụng các dung môi hữu cơ truyền thống bằng các dung môithân thiện với môi trường như ít độc, an toàn (về cháy, nổ), ít bay hơi…; loại bỏ nhữngdung môi làm suy giảm tầng ôzôn (các hợp chất CFC); sử dụng dung môi nước hoặc dungmôi siêu tới hạn (supercritical solvent) như CO2 Một dạng dung môi mới được giới thiệu

là chất lỏng ion (ionic liquid), không bay hơi, thay thế các loại dung môi phân tử trong tổnghợp hóa học Những dung môi này thường là dạng lỏng ở nhiệt độ thường và cấu tạo hoàntoàn từ các ion hữu cơ

1.1.2 2.2.1 Nghiên cứu cụ thể về chất lỏng siêu tới hạn

5 Hình 2.1 a) Cơ chế hoạt động enzym

Hình 2.1 b) Chất xúc tác enzym trong kháng sinh

Siêu tới hạn (SFE) là phương pháp chiết sử dụng 1 dạng dung môi đặc biệt Dungmôi này ở trạng thái siêu tới hạn, được tạo ra ở một nhiệt độ và áp suất lớn hơn điểm tớihạn

Ở trạng thái siêu tới hạn, dung môi này:

- Không còn ở thể lỏng (do nhiệt độ cao)

- Nhưng vẫn chưa thành thể khí (do áp suất cao)

- Có độ nhớt thấp hơn pha lỏng (dễ xâm nhập vào mẫu)

- Có khả năng chuyển khối lớn hơn pha khí (chiết xuất được cạn kiệt hoạt chất)

Dung môi thông dụng nhất: Dioxytcarbon CO2 (không phân cực) điểm siêu tới hạn

ở 310C/73 atm nên dễ đạt, dễ duy trì Dễ áp dụng ở quy mô công nghiệp, không cháy nổ,

an toàn, thân thiện với môi trường

Lưu chất siêu tới hạn được ứng dụng trong rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhaunhư trong lĩnh vực môi trường, thực phẩm, trong công nghiệp, trong y học…

Ứng dụng của dung môi siêu tới hạn:

- Chiết bằng chất lỏng siêu tới hạn: (supercritical fluid extraction SFE) Chất lỏng siêu tớihạn được sử dụng để trích ly các hợp chất dầu dễ bay hơi, các hợp chất thơm và các nguyênliệu thô ban đầu trong ngành mỹ phẩm (như nước hoa) đồng thời ko gây hại cũng như biến

Hình 2.2 a) Giản đồ chất siêu tới hạn

đổi mùi của nước hoa Trong phòng thí nghiệm, CO2 siêu tới hạn được sử dụng như mộtdung môi trích ly

- Sắc ký lỏng siêu tới hạn (Prerarative scale supercritical fluid chromatography- PSFC):dùng để tách phân đoạn sau cùng gồm những chất có cấu trúc rất giống nhau

- Được sử dụng như một polymer dạng xốp : CO2 siêu tới hạn được sử dụng trong polymerdạng xốp CO2 siêu tới hạn được xử lý cùng với polymer ở trạng thái ổn định sau đó giảm

áp suất và nhiệt độ thì CO2 sẽ nhanh chóng giãn ra và để lại các lỗ xốp trong polymer tạothành polymer xốp

- Cắt phân đoạn (supercritical fluid fractionation – SFF): từ hỗn hợp lỏng Ngày nay người

ta ứng dụng để ly trích hương liệu từ dịch nhiều thành phần được chưng cất Hoặc dùng đểtách lipid phân cực hay những polyme

- CO2 siêu tới hạn được sử dụng tăng cường khả năng thu hồi dầu trong giai đoạn kết thúcquá trình thu hồi

- Phản ứng (supercritical fluid reactions – SFR): lưu chất siêu tới hạn có thể xúc tác cácphản ứng tổng hợp, nhất là phản ứng hydrogen hóa

- Làm khô và sạch : CO2 siêu tới hạn cũng được dùng để làm sạch quần áo thay cho PCE(perchloroethylene) hay là nước

1.1.3 2.2.2 Chất lỏng ion

1.1.4 2.2.2.1 Ứng dụng trong khai thác dầu khí:

7

Hình 2.2.2 a) Sản phẩm Chất lỏng ion trên thị trường

Chất lỏng ion boron siêu tập trung (10 giọt bằng 100 mcg)

Hình 2.2.2 b) Một số loại ion trong dung dịch Muối lỏng ( Chất lỏng ion)

Chất lỏng ion có khả năng hoà tan rất nhiều dạng chất tan, vì vậy tính chất này đangđược nhiều nhà nghiên cứu khảo sát để áp dụng ở quy mô công nghiệp Ngày nay, các nhànghiên cứu đã phát triển những hệ thống chất lỏng ion có khả năng làm sạch khí thiênnhiên để có thểkhai thác khí này với hiệu quả kinh tế cao hơn.

Trong dầu mỏ và khí thiên nhiên khai thác từ các mỏ dưới đáy biển thường bị bão hoà hơithuỷ ngân Hơi này gây ăn mòn thiết bị và có thể gây ra các vụ nổ Phương pháp tách thuỷngân bằng chất lỏng ion của Petronas có hiệu quả cao gấp 5 lần các phương pháp khác (ví

dụ phương pháp sử dụng cacbon xốp tẩm lưu huỳnh), và có thể xử lý cả những hàm lượngthuỷ ngân rất cao

ít hơnnhiều mà vẫn đảm bảo hiệu quả điều trị

Ưu tiên thứ hai là, khả năng của thuốc đi qua thành tế bào được cải thiện

Ưu tiên thứ ba là tránh được hiện tượng đa hình thái của dược phẩm

Một nhược điểm quan trọng của các chất lỏng ion là chúng có thể có độc tính Tuynhiên, các nhà nghiên cứu cho rằng họ có thể vượt qua vấn đề này bằng cách sử dụngcholin làm cation – đây là thành phần đã được biết là có độc tính thấp

1.1.6 2.3 Quá trình xanh:

Quá trình xanh là các quy trình công nghệ có thể giảm thiểu tác động của sản xuấttới môi trường ở mức cao nhất và tạo ra sản phẩm sạch, an toàn, thân thiện với môi trường

và chất lượng tốt hơn Các quy trình công nghệ xanh được đánh giá bằng chỉ số môi trường

E (Environmental factor) Giá trị E thể hiện lượng chất thải sinh ra trong quá trình, kể cả

dung môi hao hụt

Trong ngành hóa học, quá trình xanh áp dụng đối với tất cả các lĩnh vực: hóa hữu

cơ, vô cơ, sinh hóa, hóa phân tích và hóa lý và bao hàm:

- Quá trình tổng hợp xanh (Green synthesis)

- Quá trình sinh tổng hợp hoặc mô phỏng quá trình sinh học (Bio-inspired processes)

- Thiết kế ngành hóa chất an toàn hơn (Designing safer chemical)

9 Hình 2.3 a) Sơ đồ xử lí khí thải công nghiệp

Hình 2.3 b) Dùng cây xanh tăng cảnh quan và điều hòa môi trường

Quá trình tổng hợp xanh hướng chúng ta tìm ra những sản phẩm mới nhằm tạo ra tối

đa sản phẩm mong muốn và tối thiểu các sản phẩm phụ, thiết kế các sơ đồ và thiết bị phảnứng sao cho đơn giản hóa quá trình sản xuất, tìm kiếm sử dụng dung môi thân thiện hơnvới môi trường sinh thái Khi thiết kế một phản ứng hóa học theo nguyên tắc của ngànhhóa chất xanh, các nhà hóa học phải đặc biệt chú ý đến những mối nguy hại mà một hóachất có thể gây ra cho sức khỏe hay cho môi trường trước khi quyết định sử dụng trongphản ứng, hay tạo ra nó như một sản phẩm hóa học Nói cách khác, họ cần phải coi mốinguy hại mà một chất có thể gây ra như một thuộc tính cần được xem xét bên cạnh cácthuộc tính hóa lý khác, và phải lựa chọn những chất nào gây ra mức nguy hại tối thiểu Vớibất kỳ quá trình chuyển hóa hóa học nào, cần phải đánh giá được tính độc hại của tất cả cáchợp chất sản sinh ra cũng như của tất cả các nguyên liệu ban đầu và các chất tham gia phản

ứng Đó là nội dung áp dụng chất phản ứng sạch và cơ chế tổng hợp sạch của quá trình

xanh trong ngành công nghiệp hóa chất

1.1.7 2.4 Sản phẩm xanh:

Sản phẩm xanh là sản phẩm ít tác động đến môi trường hoặc ít có hại cho sức khỏecon người Sản phẩm xanh có thể được hình thành hoặc hình thành một phần từ các thànhphần tái chế, được sản xuất theo cách tiết kiệm năng lượng hơn Nói cách khác, sản phẩmxanh là sản phẩm thân thiện với môi trường Chúng chỉ có thể tạo ra bằng:

- Kỹ thuật xanh (Green engineering)

- Khoa học nano (Nanoscience)

- Thiết kế sản phẩm bền vững (Sustainable product design)

Trong đó, việc áp dụng kỹ thuật xanh trong ngành công nghiệp hóa chất là quan trọng vàcần đáp ứng 12 nguyên tắc của Anastas

1.1.8 2.4.1 Kỹ thuật xanh

Là sự phát triển và thương mại hóa các quy trình công nghiệp có tính khả thi về

kinh tế và giảm nguy cơ ô nhiễm cho sức khỏe con người và môi trường

Có thể kể đến 2 phương pháp điển hình:

 Phương pháp vi sóng–siêu âm

Hóa học xanh ứng dụng siêu âm-vi sóng đóng vai trò quan trọng trong các quy trìnhhóa học Chiếu xạ vi sóng-siêu âm làm tăng hiệu suất phản ứng và rút ngắn thời gian, giảm

sử dụng năng lượng tiêu tốn và không thải các khí độc hại Để xác định hàm lượng N trongmẫu sữa bò, phương pháp Kieldahl cổ điển phải mất 180 phút trong khi phương pháp siêuâm-vi sóng chỉ mất 10 phút.

 Vi bình phản ứng (micro reactor)

“Vi bình phản ứng – phòng thí nghiệm trên chip” là những hệ thống phản ứng hóahọc ở quy mô cực nhỏ nhưng hiệu quả cao Nhờ vi bình phản ứng có thể tổng hợp số lượnglớn các dược phẩm mới trong một thời gian ngắn để tiến hành các phân tích thử hoạt tínhsinh học Phản ứng tổng hợp dipeptid được thực hiện trong vi bình phản ứng, hiệu suất100% chỉ trong 20 phút (quy trình thông thường là 50% trong 24 giờ)

1.1.9 2.4.2 Khoa học nano

Là ngành nghiên cứu tạo ra các sản phẩm nano (kích thước dưới 100 nanomet).Các tính chất độc đáo của vật liệu nano sẽ rất có lợi trong việc khắc phục, phòng ngừa ônhiễm và sử dụng hiệu quả tài nguyên Tuy nhiên, đóng góp lớn nhất đối với Hóa học xanh

có thể sẽ là chiến lược sản xuất mới thông qua khoa học nano để tạo ra những quy trình,sản phẩm xanh hơn

11 Hình 2.4.2 Công nghệ Nano Bạc trong kháng sinh

1.1.10. 2.4.2.1 Vật liệu siêu nhuận từ và ứng dụng y sinh học.

Khi kích thước các hạt của vật liệu từ tính giảm đến giá trị nào đó (khoảng vài chụcnanomet) sẽ trở thành vật liệu siêu nhuận từ, sẽ có những tính chất đặc biệt cho các ứngdụng y sinh học

Trong tự nhiên, sắt là vật liệu thường được dùng để nghiên cứu làm hạt nano từ tính.Các hạt nano từ tính dùng trong y sinh học thường có dạng chất lỏng từ, còn gọi là nước từ,gồm 3 phần: hạt nano từ tính, chất hoạt hóa bề mặt và dung môi Trong đó hạt nano từ tính

là thành phần duy nhất quyết định tính chất từ của chất lỏng từ Các chất hoạt hóa bề mặtlàm hạt nano phân tán trong dung môi, tránh kết tụ và có tác dụng che phủ hạt nano khỏi sựphát hiện của hệ thống bảo vệ cơ thể, tạo các liên kết hóa học

Hạt nano từ tính có các ứng dụng cả ngoài cơ thể và trong cơ thể Phân tách và chọnlọc tế bào bằng việc sử dụng hạt nano từ tính là một phương pháp tiên tiến Các thực thểsinh học cần nghiên cứu sẽ được đánh dấu thông qua các hạt nano từ tính Các hạt từ tínhđược bao phủ bởi các chất hoạt hóa, tương tự các phân tử trong hệ miễn dịch, có thể tạo racác liên kết với các tế bào hồng cầu, tế bào ung thư, vi khuẩn Một từ trường bên ngoài sẽtạo lực hút các hạt từ tính có mang các tế bào được đánh dấu và giữ chúng lại, các tế bàokhông được đánh dấu sẽ thoát ra ngoài

Dẫn truyền thuốc bằng các hạt từ tính đã phát triển từ những năm 1970 Đó là việc

sử dụng hạt từ tính như các hạt mang thuốc đến vị trí cần thiết trong cơ thể, giúp thu hẹpphạm vi phân bố của các thuốc trong cơ thể làm giảm tác dụng phụ của thuốc và giảmlượng thuốc điều trị

Hệ thuốc/hạt từ tính tạo ra chất lỏng mang từ tính đưa vào cơ thể thông qua hệ tuầnhoàn Khi các hạt này đi vào mạch máu, người ta dùng một từ tính mạnh để tập trung cáchạt vào một vị trí nào đó trên cơ thể Phương pháp này rất thuận lợi trong điều trị u não vìviệc dẫn truyền thuốc vào u não rất khó khăn Nhờ sự trợ giúp của hạt nano, việc dẫntruyền thuốc hiệu quả hơn rất nhiều

Những hạt nano phát quang khi đi vào cơ thể và khu trú, tập trung tại các vùngbệnh, kết hợp với kỹ thuật thu nhận tín hiệu phản xạ quang học giúp con người có thể pháthiện các mầm bệnh và có biện pháp điều trị kịp thời

1.1.11. 2.4.2.2 Một vài ngành ứng dụng mới dựa trên công nghệ nano

Trong phẫu thuật thẩm mỹ, đang hình thành ngành Cosmetic Nano Surgery (tạmdịch Nano phẫu thuật thẩm mỹ) Các ứng dụng công nghệ nano đang phát triển trong viphẫu thuật thẩm mỹ để bóc mỡ thừa, căng da, xóa nếp nhăn, đổi màu tóc Các loại kembôi da chứa hạt nano giúp thay đổi màu da hay ngăn chặn tia tử ngoại dễ gây ung thư da.Ngành công nghệ mới có tên Nano-bio (tạm dịch là Sinh học nano) đang hình thành, sẽ tạo

ra những vật liệu mới tạo mô xương, các bộ phận thay thế y sinh học dùng cho con ngườinhư da, băng thông minh

Ngành phỏng sinh học nano hướng đến việc chế tạo những vật liệu mô phỏng cáckhả năng đặc biệt của các loài động thực vật trong tự nhiên Ví dụ hiện tượng lá sen luônsạch sẽ và không bao giờ ướt là do cấu trúc bề mặt có các cột nhỏ cỡ nanomet, cách nhaukhoảng vài micromet tạo nên bề mặt không thấm nước Từ đó các nhà khoa học đã sản xuất

ra vật liệu polyme mô phỏng cấu trúc của lá sen, có khả năng không thấm nước, mang lạinhiều ứng dụng trong y tế và đời sống

Ðiều trị ung thư

Từ lâu có hóa trị liệu ung thư, nhưng có nhược điểm: sau khi vào cơ thể, có chất bịgiữ lại ở gan không phát huy hiệu lực, có chất vào máu rồi vào cả tế bào ung thư lẫn tế bàolành, diệt luôn cả hai loại tế bào đó, làm giảm hiệu lực điều trị , tăng tác dụng phụ

PGS Sangeeta Bhatia và cộng sự tạo hạt nano bao gồm: phân tử có nhân ôxít sắt phủ mộtlớp polymer (đóng vai trò nam châm cực nhỏ) nối với đuôi DNA (phân tử vi sinh) bằng cầunối hydro và thuốc chống ung thư cũng nối với đuôi DNA bằng cầu nối hydro như vậy và

có thể nối một lúc nhiều thuốc phối hợp Tế bào vách của mạch máu đi vào mô lành có sựliên kết rất chặt chẽ, khác với tế bào vách của mạch máu đi vào khối ung thư thường cónhững kẽ hở có kích thước lớn hơn 4 và nhỏ hơn 400nm Nhờ thế, khi cho hạt nano có kích

cỡ phù hợp này vào máu thì chúng “lách” vào khối ung thư, nhưng không thể “rẽ” vào môlành được Dùng năng lượng xung bức xạ điện từ kích thích, làm cho phân tử ôxít sắt nónglên, phá vỡ cầu hydro, giải phóng ra phân tử ôxít sắt và phóng thích thuốc vào khối ungthư Theo dõi phân tử sắt ôxít bằng máy cộng hưởng từ (MRI) sẽ biết được tốc độ vậnchuyển và điều chỉnh cường độ xung bức xạ điện từ sẽ hiệu chỉnh được liều lượng thuốc

Lý thú của kỹ thuật trên là dùng hạt nano như một “chiếc xe tải 3 trong 1” đưa mộtthuốc hay phối hợp nhiều thuốc tới đích, theo liều lượng vừa đủ; không gây hại cho tế bàolành; khắc phục được trở ngại mà hóa trị liệu trước đó phải bó tay

13