V. CÁC NGUYÊN TẮC CỦA HÓA HỌC XANH
V.10 Nguyên tắc 10 – Thiết kế hóa chất và sản phẩm để có thể phân rã sau sử dụng
MIT trên thời báo Nature Nanotechnology thì điểm khác biệt ở đây chính là hệ thống của họ lại dựa vào sinh học, sử dụng ánh sáng mặt trời để trực tiếp hổ trợ phản ứng thay vì dùng điện.
Nghiên cứu trên đã chứng minh rằng cách tốt nhất là tái tạo các quá trình vốn có bên trong thực vật hơn là chỉ đơn giản vay mượn một số thành tố của cây và tái hợp chúng. Trong thực vật, chất diệp lục hấp thụ ánh sáng mặt trời trong khi đó, các chất xúc tác xúc tiến phản ứng phân tách nước. Để thực hiện quá trình này, các nhà khoa học đã quyết định bố trí một virus M13 đóng vai trò là dây dẫn giúp chia tách hữu hiệu oxy từ phân tử nước.
Virus M13 làm việc tương tự chất diệp lục bằng cách hấp thụ ánh sáng, sau đó truyền năng lượng này từ trên xuống dưới dọc theo chiều dài của virus như một dây dẫn. Cấu trúc dây dẫn của các virus M13 cũng cho phép các sắc tố ánh sáng hấp thụ và các chất xúc tác liên kết với nhau theo một sư sắp đặt thích hợp để gây nên phản ứng chia tách nước, qua đó nâng cao hiệu suất hệ thống.
Tuy nhiên, theo giáo sư vật liệu hóa học và vật lý Thomas Mallouk, hệ thống quang hợp nhân tạo có thể rất hữu ích để áp dụng thực hành chuyển đổi năng lượng nhưng vẫn có một vấn đề đặt ra đối với hệ thống này: Để cạnh tranh về giá với các công nghệ năng lượng khác như năng lượng mặt trời, hệ thống phải đảm bảo hoạt động hiệu quả hơn ít nhất là 10 lần so với quá trình quang hợp tự nhiên của thực vật, có khả năng lặp lại phản ứng gần như vô hạn và phải được chế tạo từ các vật liệu rẻ hơn. Do đó, các thiết bị hiện thời của MIT cần phải tiến thêm một bước lớn để giải quyết vấn đề trên. Trong hệ thống hiện tại, các nguyên tử hydro từ nước bị chia tách thành 2 thành phần là proton và electron. Tuy nhiên, phần còn lại của hệ thống mà nhóm nghiên cứu hy vọng sẽ phát triển trong vòng 2 năm nữa sẽ có thể kết hợp 2 thành tố này trở lại hydro nguyên tử và phân tử. Từ đây, hydro có thể vừa được sản xuất vừa được lưu trữ phục vụ cho các mục đích khác.
V.10 Nguyên tắc 10 – Thiết kế hóa chất và sản phẩm để có thể phân rã sau sửdụng dụng
“Sản phẩm hóa học nên được thiết kế để đến thời điểm cuối cùng của vòng đời sản phẩm chúng không tồn dư bền vững trong môi trường mà có thể phân rã thành những sản phẩm phân hủy không mang độc tính”
Hóa chất bền vững hay chất tích lũy sinh học bền vững. Những tích lũy này gây hại cho sinh vật chủ thông qua tác động gây độc trực tiếp hay gián tiếp (thông qua chuỗi thức ăn và lưới thức ăn).
Thiết kế hóa chất có thể mang tính phân hủy sinh học phải đánh giá những hợp chất có trong sản phẩm ban đầu dùng để sản xuất
Bản thân sản phẩm chứa đựng độc chất hay tiềm tàng những nguy cơ cần phải được đánh giá vì nếu thiết kế để chúng dễ phân hủy sinh học thi hiệu quả HHX coi như không đạt được.
Ví dụ 1:Ngành sản xuất chất dẻo
Chất dẻo sinh học – chính là chất dẻo có nguồn gốc từ thực vật, sử dụng chất dẻo sinh học giúp giảm thiểu các vấn đề ô nhiễm lâu dài thường gây ra bởi chất dẻo thông thường. Tuy nhiên, giá cả của chất dẻo sinh học vẫn còn rất cao và có vẻ như chúng không được thân thiện với môi trường như ta nghĩ.
Sự khác biệt giữa chất dẻo thường và chất dẻo sinh học là gì? Hầu hết chất dẻo được tạo thành thông qua quá trình hóa dầu. Nói cách khác họ bắt đầu từ các sản phẩm phụ hóa học của dầu tinh chế, biến thành một loạt các loại chất dẻo thông qua các quá trình hóa học hình thành nên chuỗi phân tử được gọi là polyme. Các polyme này đinh hình nên cấu trúc. Chất dẻo sinh học thì lại có nguồn gốc từ thực vật. Nó có thể được chế tạo ra từ đường, ngô hoặc từ các loại vỏ cây. Cỏ switch cũng là một nguồn nhiên liệu phổ biến để sản xuất, nó có ở khắp mọi nơi với sức sinh trưởng mạnh. Hơn hết là sử dụng nó làm nguyên liệu sẽ không ảnh hưởng tới giá lương thực.
Có lẽ bạn đã nghe nói rằng chất dẻo sinh học có thể phân hủy nhưng điều này không hoàn toàn chính xác. Một số loại chất dẻo sinh học có thể phân hủy, một số thì không. Trong thực tế, nhiều loại chất dẻo sinh học vẫn không khác gì chất dẻo thường. Vậy tương lai của chất dẻo sinh học sẽ như thế nào ?
Tiềm năng của chất dẻo sinh học
Chúng được sử dụng thường xuyên trong bao bì dù rằng có thể sử dụng trong nhiều lĩnh vực khác giống như chất dẻo thường.
Một vài công ty sẽ sử dụng chất dẻo sinh học như Coca-Cola với dự án PlantBotle - làm vỏ chai với 30% nguyên liệu từ thực vật. Các chai sẽ được làm từ polyethylene terephthalate (PET) – cùng một loại chất dẻo chiết xuất từ quá trình hóa dầu trong đó có 30% từ đường ethanol Brazil. Tất nhiên, các chai này không bị phân hủy sinh học. PET cũng được Toyota sử dụng trong việc sản xuất các phụ tùng nội thất và được nhà sản xuất di động AT & T sử dụng để làm vỏ điện thoại và các linh kiện.
Một dạng khác của chất dẻo sinh học cũng được sử dụng khá phổ biến được tạo ra từ polyactic acid(PLA) trong các sản phẩm bao bì và quần áo.
Những thách thức phải đối mặt
Chất dẻo sinh học hiện tại có giá thành cao hơn so với chất dẻo thông thường từ 20% cho đến 100%. Quá trình sản xuất chất dẻo hóa dầu đã được công nghiệp hóa trong nhiều thập kỉ nên đạt hiệu suất cao hơn so với sản xuất chất dẻo sinh học. Mặt khác, quá trình sản xuất chất dẻo sinh học cũng tồn tại những vấn đề như chất thải trong sản xuất hay việc sử dụng phân bón, thuốc trừ sâu và việc chuyển đổi từ rừng sang nông nghiệp gây mất cân bằng về lợi nhuận. Bạn cũng cần phải phân chia các loại chất dẻo có nguồn gốc khác nhau để giảm thiểu thiệt hại trong quá trình sản xuất : nếu kết hợp một ít PLA với PET sẽ tạo ra sản phẩm có chất lượng thấp
Khả năng phân hủy và tái chế cũng là một thách thức lớn. Vấn đề đầu tiên đó là có rất nhiều dạng phân hủy sinh học. Một số phân hủy dưới tác động của oxy và tia cực tím do đó chỉ cần để dưới ánh nắng mặt trời nhưng quá trình này cũng phải mất nhiều năm và giải phóng ra các hóa chất độc hại. Số khác lại đòi hỏi người dùng phải nắm rõ được cách thức phân hủy. Tệ hơn cả, quá trình phân hủy sẽ giải phóng ra khí mê-tan – nguy cơ gây hiệu ứng nhà kính còn cao hơn so với khí carbon.
Thị trường chất dẻo sinh học hiện tại phát triển chậm nhưng đều đặn và là một thị trường vô cùng tiềm năng nhưng nhìn chung ngành sản xuất chất dẻo sinh học vẫn còn nhiều vấn đề cần phải giải quyết trước khi có thể thu được lợi nhuận từ chất dẻo sinh học
Ví dụ 2:
Một loại chất dẻo mới phân hủy nhờ vi khuẩn có tốc độ phân hủy nhanh hơn các loại nhựa hiện thời và an toàn với môi trường. Chất liệu mới này là một dạng biến đổi của plastic mang tên polyhydroxybutyrate hoặc PHB. Hợp chất do vi khuẩn sản sinh hiện diện trong rất nhiều sản phẩm từ chai nước ngọt đến cấy ghép y học và được xem là một vật liệu sạch thay thế cho các loại chất dẻo gốc dầu dùng trong các ứng dụng sản xuất bao bì, nông nghiệp và y sinh.
Mặc dù PHB đã được thương mại hóa từ những năm 80 thế kỷ trước, nó vẫn không được sử dụng rộng rãi vì tính dễ vỡ và độ phân hủy sinh học không xác định. Hiện nay các nhà khoa học thuộc Đại học Cornell, New York, đã chế tạo một dạng plastic mới bền hơn và phân hủy nhanh hơn.
Chìa khóa cho sự cải tiến này là một loại “đất sét” có đường kính chỉ có vài nanomét – một phần tỉ của mét – được gắn vào các phân tử. Những phân tử “vi đất sét” này làm các phân tử PHB cứng lại và gia tăng độ bền. Các phân tử này cũng đóng vai trò làm chất xúc tác giúp quá trình phân hủy diễn ra nhanh hơn. Các nhà khoa học nhận thấy hợp chất PHB này có thể phân hủy hoàn toàn trong môi trường phân compost kín sau 7 tuần. Thử nghiệm trên các loại plastic hiện nay cho thấy chúng gần như không phân hủy trong môi trường này. Các nhà khoa học có thể điều chỉnh tốc độ phân hủy bằng việc gia giảm số lượng các phân tử vi đất sét. Các nhà nghiên cứu cho rằng công trình của họ có thể làm cho chất PHB phổ biến hơn. Hợp chất plastic này có thể tái sinh vì chúng được tạo ra từ vi khuẩn. Nhà khoa học vật liệu thuộc Đại học Cornell Emmanuel Giannelis phát biểu với LiveScience rằng: “Đây là điều rất quan trọng vì chúng ta có thể ngừng sử dụng các loại plastic gốc dầu.” Giannelis và cộng sự cho đăng tải công trình của họ trên ấn bản tháng 11 của tập san Biomacromolecules.
Ví dụ 3: Dùng etanol để thay thế nhiên liệu xăng pha chì.
Ttrị số octan của xăng nâng cao là nhờ bổ sung các chất phụ gia. Chất phụ gia kinh điển nhất và có khả năng nâng trị số octan mạnh nhất chính là tetraethyl chì. Chất này có tác dụng ngăn cản các quá trình oxy hóa bằng cách phá hủy các peroxide và hdroperoxide. Do đó, làm giảm khả năng kích nổ của nhiên liệu. Hệ quả là trị số octan tăng lên. Tuy nhiên, loại phụ gia chứa chì khi cháy tạo ra các hợp chất rất độc hại nên cấm sử dụng.
Thay vào đó người ta sẽ dùng các chất phụ gia không chứa các hợp chất của kim loại nhưng vẫn có tác dụng làm tăng trị số octan là những chất chứa oxy như: Methanol, Ethanol, Ter-butanol (TBA), Methyl Ter-butyl ethe (MTBE), Ethyl ter- butyl ethe (ETBE), methanol +TBA (50/50), Ter-amyl methyl ethe (TAME). Nói chung các hợp chất chứa oxy khi cháy thải ra các chất có khả năng gây độc hại ít hơn nhiều so với các hợp chất của kim loại. Trong số này thì MTBE là phụ gia thông dụng nhất. Hợp chất này được sản xuất từ methanol và isobutylene là sản phẩm phụ trong nhà máy lọc dầu (quá trình cracking xúc tác). Tuy nhiên, theo một số nghiên cứu gần đây, MTBE có khả năng gây ra bệnh cho người và động vật như ung thư tuyến giáp, tinh hoàn và thận ở chuột, đối với người thì chưa rõ khả năng gây ung thư, nhưng gây ra các bệnh về đường hô hấp thì đã được chứng minh. MTBE đã bị cấm sử dụng.
Etanol là chất được điều chế từ mía, bắp, các loại ngũ cốc…tại các quốc gia phát triển. Etanol là nhiên liệu sinh học mới đã và đang phát triển nhằm thay thế dần các chất phụ gia trên.
Ví dụ 4: Ngành sản xuất giấy và bột giấy
Trước đây, trong công đoạn tẩy trắng người ta hay dùng chlorine trong vòng 30-60 phút. Phần lignin tồn dư được chuyển vào nước và kiềm, sản phẩm phân hủy có thể được phân hủy bằng chlorine. Có những bằng chứng cho thấy rằng việc sử dụng chlorine đã sản sinh chất chlorine hữu cơ trong dòng thải là một mối nguy hại cần
được phòng ngừa. Một số chất như chlorinated phenols được biết là tiền thân của polychlorinated dibenzo-p-dioxins và dibenzofurans. Do đó sự phát hiện chlorinated phenols trong dung dịch tẩy cho thấy các nhà máy này là nguồn thải của các chất độc tính và mức tích lũy sinh học cao. Ngoài ra, còn có pentachlorophenol cũng đóng góp vào tải lượng dioxin tổng cổng thải vào nguồn tiếp nhận.
Ngày nay, người ta đã nghiên cứu công nghệ tẩy trắng bằng hydrogen peroxide và ozon để thay thế chlorine. Các chất này được dùng trong quy trình totally chlorine free (TCF). Quy trình này được coi là hệ thống sẽ dùng trong tương lai. Những nghiên cứu về cách thức tối ưu của việc dùng ozon đang được tiếp tục. Và chắc chắn rằng dòng thải của các tác nhân này sau khi thải ra môi trường sẽ có độc độc thấp hơn và khả năng tích lũy sinh học thấp hơn chlorine.