HOA_HOC_XANH_CHUONG_2_9.2016.pdf - PDFCOFFEE.COM

1. Home
2. HOA_HOC_XANH_CHUONG_2_9.2016.pdf

HOA_HOC_XANH_CHUONG_2_9.2016.pdf

• Author / Uploaded
• Trần Văn Sông

Chương 2: Các nguyên tắc của hóa học xanh & kỹ thuật xanh TS. Lê Thị Thanh Hương Nội dung 1. Các thông số đánh giá mức

Views 460 Downloads 73 File size 9MB

Report DMCA / Copyright

DOWNLOAD FILE

Citation preview

Chương 2: Các nguyên tắc của hóa học xanh & kỹ thuật xanh TS. Lê Thị Thanh Hương Nội dung 1. Các thông số đánh giá mức độ xanh  Tiết kiệm nguyên tử A.E  E-factor  Hiệu suất khối lượng phản ứng  Hiệu suất khối lượng hiệu dụng 2. 12 nguyên tắc của hóa học xanh 3. 12 nguyên tắc của kỹ thuật xanh This was the biggest moment of Leonardo DiCaprio's career, and he didn't use it to talk about himself, he used his speech to address climate change  1998: Paul Anastas và John C. Warner đưa ra 12 nguyên tắc trong cuốn “Green Chemistry, Principles and Practice“: − Giảm rủi ro (Reducing Risk): an toàn trong sử dụng hóa chất và dung môi, thiết kế sản phẩm và phản ứng, phòng tránh tai nạn − Tối thiểu dấu vết môi trường (Minimizing the Environmental Footprint): giảm thiểu chất thải và ô nhiễm, tăng hiệu quả của phản ứng và năng lượng, sử dụng xúc tác và nguyên liệu tái tạo, giảm sử dụng các chất hỗ trợ, … .  2000: Neil Winterton đưa ra 12 nguyên tắc trong cuốn “Green Chemistry” theo hướng: − Tối thiểu số đơn vị vận hành − Tối ưu hóa thời gian và không gian  2008: Samantha và Richard Smith viết lại ở dạng khẩu hiệu PRODUCTIVITY (hiệu quả), ngắn gọn trong 1 trang slide, dễ nhớ Paul Anastas, US Cha đẻ của hóa học xanh Neil Winterton, UK 2.1. Các thông số đánh giá mức độ xanh 2.1.1. Tiết kiệm nguyên tử A.E ̵ Được đề nghị bởi GS. Barry M.Trost (Stanford University, 1991) ̵ Đánh giá hiệu quả vốn có của phản ứng ̵ Dựa vào A.E để thiết kế, lựa chọn phương pháp, tác chất, dung môi, xúc tác có hiệu quả cao, ít chất thải khối lượng phân tử của sản phẩm % tiết kiệm nguyên tử A. E = x 100 khối lượng phân tử của tất cả tác chất Percent atom economy of a reaction = molecular weight of desired product divided by molecular weight of all products (or reactants), times 100 − Ý nghĩa A.E: đo hiệu quả của phản ứng (bao nhiêu nguyên tử kết hợp với nhau trong sản phẩm và bao nhiêu nguyên tử bị bỏ đi) − Phản ứng có hiệu suất cao nhưng A.E thấp thì có nhiều chất thải − Thiết kế quy trình hóa học phải tính hiệu suất và A.E của phản ứng CaCO3(r) → CaO(r) 100 56 Ca C O O O → Ca O + CO2 (k) 44 C O O → Lãng phí 1C và 2 O 56, g/mol % A. E = x100 100g/mol % A. E = 56 %  Phản ứng cộng: A.E = 100% Br R R H + HBr H R R CH3  Phản ứng chuyển vị: A.E = 100% O O 200oC Phenyl allyl eter H OH  Phản ứng khử: H H H3C C C CH3 Br H 136 t-BuOK 122 -HBr H3C CH CH CH2 KBr 56 56 % A. E = 100𝑥𝑥 = 21,7% 136 + 122 t-BuO-K+ H CH3 CH3 + t-BuOH + KBr Br 42 %A. E = . 100 = 17,9% (112 + 122) t-BuOK  Phản ứng thế: CH3 CH3 H 3C OH + HCl H 3C CH3 CH3 74 g/mol (CH2)4 CH2 H3C 102 Cl + H2O 36,5 g/mol 92,5 g/mol 92,5 %A. E = . 100 = 83,7% (74 + 36,5) OH + SOCl2 119 (CH2)4 H3C CH2 Cl + SO2 + HCl 120.5 120,5 % A. E = 100𝑥𝑥 = 54,5% 102 + 119 64 36.5 Độc H3C CH2 + 2HOCl + 2Ca(OH)2 H H3C 2 H CH2 + CaCl2 + 2H2O O 2.58 % A. E = 100𝑥𝑥 = 39,3 % 42 + 105 + 148 Ít độc hơn H3C Xt CH2 + H Không độc H3C CH2 + H2 O 2 H O 58 % A. E = 100𝑥𝑥 = 76,3 % 34 + 42 H 2O 2.1.2. E-factor − Chất thải từ quá trình bao gồm dung môi bị mất đi và chất thải − Chưa tính đến dung môi thông dụng là nước hoặc dung dịch chất vô cơ thân thiện với môi trường − Giúp nhanh chóng đánh giá mức độ vấn đề chất thải − E-factor càng thấp thì lượng chất thải ra môi trường càng thấp khối lượng chất thải sinh ra kg E − factor = khối lượng sản phẩm kg khối lượng (nguyên liệu − sản phẩm) kg E − factor = khối lượng sản phẩm kg Ví dụ quy trình tổng hợp 1: OH 6 + 2CrO3 + 3H2SO4 Ph CH3 Công thức các chất Nguyên tử hữu dụng C6H5(CH)OHCH3 6(8C10H1O) O 6 Ph + Cr2(SO4)3 + 6H2O CH3 Khối lượng nguyên Nguyên tử không tử hữu dụng hữu dụng Khối lượng nguyên tử không hữu dụng 732 CrO3 2(1Cr3O) 200 H2SO4 3(2H1S4O) 294 Cr2(SO4)3 2Cr3S12O 392 H2O 6(2H1O) 108 C6H5(CH)OCH3 6(8C9H1O) 731 731 % A. E = 100% = 59,6% 732 + 200 + 294 732 + 200 + 294 − 731 E − factor = = 0,677 731 Ví dụ quy trình tổng hợp 2: OH 6 Ph + 1,5O2 CH3 Công thức các chất Nguyên tử hữu dụng C6H5(CH)OHCH3 6(8C10H1O) Xt Khối lượng nguyên tử hữu dụng 6(8C9H1O) CH3 Nguyên tử không hữu dụng Khối lượng nguyên tử không hữu dụng 732 1,5(2O) 48 6(2H1O) 108 731 H 2O 731 % A. E = 100% = 93,7 % 732 + 48 + 3H2O 6 Ph O2 C6H5(CH)OCH3 O 732 + 48 − 731 E − factor = = 0,06 731 Kết luận phản ứng 2:  Hiệu quả cao hơn  Ít chất thải hơn và không độc  Sử dụng tác chất không độc hại Bài tập: H2C CH2 + Cl2 + H2O Cl (CH2)2 OH + Ca(OH)2 Cl (CH2)2 OH + HCl H 2C O CH2 + CaCl2 + 2H2O 44 % A. E = 100𝑥𝑥 = 23 % 28 + 71 + 18 + 74 191 − 44 E − factor = = 3,34 44 Kết luận: phản ứng có  Hiệu quả phản ứng thấp  Chất thải ra môi trường nhiều và độc 2.1.3. Hiệu suất khối lượng hiệu dụng − − Effective mass yield (EMY) Khi A.E và E-factor không xác định đúng về sự bền vững của phản ứng thì dùng EMY để phân biệt phản ứng thân thiện với môi trường − EMY tập trung vào chất thải và đánh giá mức độ độc của các chất trong phản ứng − EMY phụ thuộc vào việc phân loại các chất nguy hiểm − EMY đơn giản thường sử dụng để đánh giá mức độ xanh khối lượng sản phẩm kg EMY = . 100% khối lượng các chất nguy hiểm kg 37g butanol, 60 g acetic acid băng và 3 giọt H2SO4 được trộn lẫn với nhau. Hỗn hợp sau phản ứng được rót vào 250 mL nước. Lớp hữu cơ được tách ra và rửa lần lượt với 100 mL nước, 25 mL NaHCO3 bảo hòa và 25 mL nước. Este thô được làm khô với 5g Na2SO4 khan sau đó chưng cất thu được 40 g este tinh khiết. Tính các thông số xanh của phản ứng và nhận xét. O + H2O OH + CH3CO2H O 74 g/mol 60 g/mol 116 g/mol 18 g/mol Thông số Giá trị Độ xanh Hiệu suất 69,9 % Trung bình A.E 86,57 % Sản phẩm phụ là nước E-factor EMY 37 + 60 + 250 + 100 + 25 + 25 + 5 − 40 = 11,55 40 40 . 100 = 108% 37 Trung bình Rất tốt Bài tập: Anhydric maleic có thể điều chế bằng 2 cách: + 4,5O2 O O O + 3O2 O O + 2CO2 + 2 H2O O + 3H2O Quy trình đi từ benzen có hiệu suất 65%, đi từ but-1-en có hiệu suất 55%. Giả định phản ứng chỉ xảy ra ở pha khí. Tính A.E, E – factor và EMY cả 2 phản ứng giả định O2, CO2 và H2O không độc. Quy trình nào nên được lựa chọn cho sản xuất công nghiệp và giải thích 2.2. 12 nguyên tắc của hóa học xanh 1. Ngăn ngừa: − Ngăn ngừa chất thải tốt hơn là xử lý hay làm sạch Prevention of Waste: It is better to prevent waste than to treat or cleanup waste after it is formed − Chi phí xử lý ô nhiểm và rác thải rất lớn − Giải pháp: o Không có rác thải o Giảm ô nhiễm tại nguồn o Tái sử dụng rác thực phẩm: phân bón, nhiên liệu, thức ăn gia súc o Giảm rác thực phẩm: ăn ít lại (eat your leftover) Phân loại rác thải ở Mỹ 2007 Ưu tiên tái sử dụng rác thải ở Ohio, Mỹ Khí phát thải toàn cầu 2014 Nguồn khí phát thải toàn cầu 2014 Thời gian tồn tại của các khí nhà kính trong khí quyển GHG Công thức Thời gian tồn tại trong khí quyển (năm) Nguồn do hoạt động của con người Tiểm năng làm nóng ấm khí hậu toàn cầu Dioxid Cacbon CO2 50 -200 Đốt nhiên liệu, sử dụng đất đai, sản xuất xi măng 1 Metan CH4 12 Nhiên liệu hóa thạch, rác, chăn nuôi, … 21 310 Oxid nitric N2O 120 Phân bón, quá trình đốt cháy trong sản xuất công nghiệp CFC-12 CCl2F2 102 Chất tạo bọt, chất làm lạnh 6.200 – 7.100 HCFC-22 CHClF2 12 Chất tạo bọt, chất làm lạnh 1.300 – 1.400 Perfluorometan CF4 50.000 Sản xuất nhôm 6.500 Sulphur hexa-fluorid SF6 3.200 Dung dịch điện môi 23.900 Tổ chức IPCC (Intergovernmental Panel for Climate Change) cảnh báo nếu tiếp tục phát thải GHG thì nhiệt độ tiếp tục tăng và dẫn thay đổi trong các thành phần của hệ thống khí hậu  Ví dụ tổng hợp Ibuprofen bằng phương pháp xanh: ̵ ̵ ̵ Ibuprofen sử dụng trong dược phẩm làm thuốc giảm đau Thế giới tiêu thụ 13.5000 tấn/năm Phương pháp truyền thống của công ty Boots Company (Anh, 1960) có 6 giai đoạn và 60% chất thải O O (CH3CO)2O CHCO2C2H5 ClCH2COOC2H5 NaOC2H5 AlCl3 CH NOH CHO H+/H2O NH2OH AlCl3 C N COOH Ibuprofen  Tổng hợp XANH: công ty BHC 1991 ̵ Đạt giải thưởng Hóa học xanh của Tổng thống 1997 ̵ 3 giai đoạn ̵ Sử dụng xúc tác O ̵ 1% chất thải (CH3CO)2O 1. + CH3COOH HF O OH H2, xúc tác 2. OH COOH CO, Pd 3. O OH COOH + CH3COOH 2. Tiết kiệm nguyên tử: − Các phương pháp tổng hợp phải làm sao cho các nguyên liệu có mặt tới mức tối đa trong sản phẩm cuối cùng Maximize of Atom Economy: Synthetic methods should be designed to maximize the incorporation of all materials used in the process into the final product Ví dụ 1: phản ứng tổng hợp cyclohexen HC CH2 + HC CH2 Butadien CH2 CH2 Eten % A. E = 100 % Cyclohexen Ví dụ 1: phản ứng của melanie H CH3 O H 3C 134,22 g/mol O HF H 3C CH3 O O CH3 CH3 OH CH3 H 3C H2/Ni 2,02 g/mol CH3 H 3C 102,09 g/mol CH3 CH3 CO/Pd 28,01 g/mol OH H 3C 206,29 g/mol 206,29 g/mol % A. E = x 100 134,22 + 102,09 + 2,02 + 28,01 g/mol 206,29 g/mol % A. E = x100 266,34g/mol % A. E = 77 % O 3. Phương pháp tổng hợp ít độc hại: − Sử dụng và tạo ra các chất ít hoặc không nguy hại Less Hazardous Chemical Syntheses: synthetic methods should use and generate non toxic substances Ví dụ tổng hợp polycacbonat:  Phương pháp phosgen: truyền thống o CH2Cl2 độc, ăn mòn, sử dụng nhiều o Polycacbonat có lẫn clo CH3 HO O OH H2O/CH2Cl2 + O Cl CH3 O CH3 O Cl n CH3  Phương pháp xanh sử dụng diphenyl cacbonat: o Không sử dụng hợp chất Clo, diphenyl cacbonat là chất rắn o Hiệu suất phản ứng cao hơn CH3 OH + HO CH3 O CH3 O O O O O CH3 n Dialkyl carbonates green solvents paints, adhesives  Dimetyl carbonat ̵ Tác chất không độc hại Aliphatic polycarbonate diols Polyuretans Allylcarbonates Optical organic glasses Diphenyl carbonate Aromatic polycarbonates Methylisocianate production Oxoalcohol carbonates Synthetic lubricants Quaternarium ammoniumcompounds surfactants, softeners, electronics ̵ Sử dụng trong công nghiệp o o o o o Phenolic ethers, Pharmaceuticals, Flavours and Fragrances O H 3C ̵ Dung môi xanh O O CH3 Sản xuất polycarbonat: 53% Sơn và chất phủ: 28 % Các chất nông dược: 12% Dược phẩm, mỹ phẩm: 5% Dung môi điện phân: 2% 4. Thiết kế các hóa chất an toàn: − Sản phẩm được thiết kế có tính năng hiệu quả nhưng giảm thiểu tính độc hại Designing Safer Chemicals: chemical products should be designed to effect their desired function while minimizing toxicity − Ví dụ điều chế acid adipic là hóa chất dùng cho tổng hợp nylon và dầu nhờn: OH O Ni/Al2O3 Co/O2 120-140 psi 370-800 psi cyclohexen benzen HNO3 + cyclohexenon CO2H HO2C acid adipic cyclohexenol Tác chất là benzen và sản phẩm phụ là NO2 OH CO2H OH O OH OH OH CO2H E.coli E.coli O OH Pt, H2/50 psi CO2H HO2C HO2C OH D-gluco Tác chất đường gluco có thể tái tạo được acid adipic − Ví dụ: o DBSNa (dodecyl alkylbezen sunfonat Na): chất tẩy, tạo bọt trong chất tẩy rửa, dầu khí, nhuộm, …, rất khó phân hủy, sản xuất sử dụng SO3 độc o Thay thế bằng SDS (sodium dodecyl sunfat), sodium lauryl sulfate (SLS) CH3(CH2)11SO3Na có khả năng phân hủy C12H25 C12H25 SO3 OH- C12H25 + H 2O SO3H SO3H dodecylbenzen sunfonic acid (DBSA) C12H25 C12H25 + NaOH/Na2CO3 SO3H SO3Na dodecylbenzen sunfat sodium (DBSNa/LABNa) O O S H3C sodium lauryl sunfat (SLS) O O-Na Biomass - Nguyên liệu của tương lai cho sản xuất năng lượng 5. Dung môi và các chất phụ trợ an toàn hơn: − Chỉ dùng các dung môi, các chất phụ trợ khi thật cần thiết Safer Solvents and Auxiliaries: The use of auxiliary substances (e.g., solvents, separation agents, etc.) should be made unnecessary wherever possible and innocuous when use − Thay thế bằng: nước, không dung môi, không phụ trợ, nhiệt độ thấp, giảm tiêu dùng năng lượng, giảm chất thải, … Các ký hiệu tái sử dụng trên sản phẩm − Phản ứng hóa học luôn tạo ra chất thải. Nếu tác chất và dung môi được sử dụng lại thì sơ đồ quy trình dòng phản ứng sẽ khác nhau Thiết bị nấu bột giấy gián đoạn Thiết bị nấu bột giấy liên tục o Hình ảnh thường thấy ở các phòng TN của trường đại học và viện nghiên cứu o Áp dụng nguyên tắc 5S chưa? CFCs : chất lỏng dễ bay hơi, kém hoạt động, khả năng bắt cháy thấp, ít độc − Được sử dụng: o Dung môi làm sạch o Dung chất trong máy làm lạnh o Chất tạo bọt: kem cạo râu − Phải cấm sử dụng vì: o Phá hủy tầng ozon o 1 Cl• phá hủy 100.000 phân tử O3 CFCl3 → CFCl2 + Cl• Cl• + O3 → ClO + O2 ClO + O3 → Cl• + 2O2 ̵ ̵ Tái chế chất làm phồng giảm lượng chất thải Thay thế CFCs bằng CO2 trong sản xuất chất làm phồng (styrofoam) Tách cafein bằng môi trường CO2 siêu tới hạn thay vì bằng dung môi hữu cơ CH2Cl2, CH3CO2C2H5 6. Thiết kế cho năng lượng được sử dụng hiệu quả : − Tính toán sử dụng năng lượng cho các quá trình hóa học ở mức thấp nhất hoặc nên tiến hành ở nhiệt độ và áp suất bình thường Design for Energy Efficiency: Energy requirements should be recognized for their environmental and economic impacts and should be minimized. Synthetic methods should be conducted at ambient temperature and pressure − Các giải pháp bảo tồn năng lượng: o Sử dụng xúc tác: phản ứng ở nhiệt độ và áp suất thấp o Sử dụng vi sóng, siêu âm: hiệu quả hơn, thời gian ngắn hơn o Tổng hợp bằng phương pháp vi sinh: nhiệt độ và áp suất thường Hệ thống gia nhiệt thay thế nhanh trong sản xuất bột giấy (rapid displacement heating) BL: dịch đen WBL: dịch đen ấm HBL: dịch đen nóng HWL: dịch trắng nóng DIG: nồi nấu WF: nước rửa WW: nước ấm HW: nước nóng Hệ thống bay hơi nhiều cấp (Multiple-Effect Evaporation) o Nhiều nồi cô đặc nối tiếp nhau o Hơi thứ cấp từ nồi này là hơi cấp của nồi kế tiếp o Tiết kiệm hơi 7. Sử dụng nguyên liệu có thể tái tạo: − Nên dùng nguyên liệu đầu vào loại có thể tái tạo được Use of Renewable Feedstocks: A raw material or feedstock should be renewable rather than depleting whenever technically and economically practical  Sản xuất nhiên liệu hydro: điện phân H2O = H2 + O2 sử dụng năng lượng mặt trời làm xúc tác quang  Sản xuất pin hydro (hydro fuel cell) bằng phản ứng oxy hóa khử H2 + O2 = H2O Anod: 2H2O → 4H+ + O2 + 4eCatod: 4H2O + 4e- → 2H2 + 4OH6H2O → 2H2 + O2 + 4H+ + 4OHH2O Anod: H2 → 2H+ + 2eCatod: 1/2O2 + 2H+ + 2 e- → H2O H2O + 1/2O2 → H2O Pin nhiên liệu (fuel cell) Quy trình chuyển đổi hóa học của biodiesel thành các dạng nhiên liệu khác 8. Giảm thiểu dẫn xuất: − Không sử dụng các chất phụ trợ nếu không cần thiết Reduce Derivatives: Unnecessary derivatization (blocking group, protection/deprotection, temporary modification of physical/chemical processes) should be avoided whenever possible − Ví dụ sử dụng khí thiên nhiên CH4 tổng hợp các khí CH4(g) + H2O(g)  3H2(g) + CO(g) N2(g) + 3H2(g)  2NH3(g) 2H2(g) + CO(g)  CH3OH(g) CH3OH(g) + CO(g)  CH3COOH(g) − Ví dụ: Có nhiều con đường lựa chọn cho phản ứng thủy phân của các dẫn xuất acid hữu cơ − Ví dụ thu hồi hóa chất từ dịch đen trong nấu bột giấy o Thu hồi hóa chất và dịch nấu tinh khiết o Tận dụng nhiệt từ quá trình đốt cháy dịch đen o Quy trình  Dịch trắng − Dung dịch ban đầu được nạp vào nồi nấu − Thành phần: NaOH, Na2S, Na2SO4, Na2CO3, Na2S2O3  Dịch xanh − Dịch sinh ra từ thiết bị thu hồi khi đốt dịch đen − Các chất hữu cơ sẽ cháy hết − Chất vô cơ nóng chảy Na2CO3, Na2S hòa tan trong nước  Dịch đen − Dịch thoát ra từ thiết bị nấu cùng với dăm gỗ mềm − Trong dịch này lưu hùynh bị oxy hóa thành SO42- và S2O32-  Đốt dịch đen: o Thu hồi, tái sinh hóa chất nấu bột H2S + 3/2 O2 → SO2 + H2O SO2 + ½ O2 → SO3 Na2S + 2O2 → Na2SO4 Na2CO3 + SO2 → CO2 + Na2SO3 Na2O + H2O → 2NaOH; Na2O + CO2 → Na2CO3 o Na2SO4 bổ sung: để tái tạo lại NaOH, Na2S Na2SO4 + 2C → Na2S + 2CO2 Na2SO4 + 4C → Na2S + 4CO Na2SO4 + C → Na2S + SO2 + CO  Phản ứng thu hồi kiềm: Ca(OH)2 + Na2CO3 = CaCO3 + 2 NaOH CaCO3 = CaO + CO2 Thành phần hóa học của dịch trắng, dịch đen và dịch xanh Hóa chất Dịch trắng Dịch đen Dịch xanh NaOH 53 6-7 8 Na2S 21 19 20 Na2CO3 15 36 60 Na2SO4 5 13 6 Na2S2O3 3 16 3 9. Xúc tác: − Xúc tác thì tốt hơn so với các chất trong phương trình tỷ lượng Catalysis: Catalytic reagents (as selective as possible) are superior to stoichiometric reagents Green chemistry using carbon dioxide, low-cost catalysts: New way of producing potent carbon–boron synthetic reagents (phương pháp truyền thống sử dụng xúc tác Cu) O OH + NaBH2 + 4H2O + NaOH + H3BO3 A.E = 81 % OH O Ví dụ xúc tác: + H2 Pd/C o Nâng hiệu quả của phản ứng o Không tạo ra chất thải A.E = 100 % OH O + 2CrO3 + 3H2SO4 + Cr2(SO4)3 + 6H2O A.E = 42 % O OH + 0,5 O2 + 6H2O A.E = 87 % 10. Thiết kế cho phân hủy: − Sản phẩm được thiết kế sao cho sau khi sử dụng có thể bị suy thoái hoặc không tồn tại trong môi trường Design for Degradation: Chemical products should be designed so that at the end of their function they do not persist in the environment and instead break down into innocuous degradation products − Ví dụ: biopolyme, biodiesel, biolubricant Kiểm tra khả năng phân hủy của mẫu vật polyme trong y khoa 11. Phân tích thời gian thực để ngăn ngừa ô nhiễm: − Phát triển các phương pháp phân tích để giám sát và kiểm soát việc tạo thành các chất thải nguy hại ngay trong quy trình Real-time analysis for Pollution Prevention: Analytical methodologies need to be further developed to allow for real-time, inprocess monitoring and control prior to the formation of hazardous substances Giám sát mức độ ô nhiễm không khí của Bắc King năm 2013 Giám sát mức độ ô nhiễm không khí của Deli (Ấn Độ) năm 2013-2014 Giám sát mức độ ô nhiễm SO2 của Thượng Hải năm 2000-2010 UC San Diego decision making using real-time observations for environmental sustainability − − − − Thiết bị hiện đại Phân tích trực tiếp Phát triển phương pháp xanh Xử lý số liệu thống kê 12. Hóa học an toàn hơn để đề phòng các sự cố: − Các chất sử dụng trong quá trình hóa học cần được chọn lựa để hạn chế tối đa khả năng gây ra tai nạn kể cả việc thoát ra môi trường, nổ hay cháy. Inherently Safer Chemistry for Accident Prevention: Substances and the form of a substance used in a chemical process should be chosen to minimize the potential for chemical accidents, including releases, explosions, and fires. o Hào bám vào tàu, thuyền trên biển o Chống bám: hợp chất hữu cơ của Sn độc cho môi trường biển R1 R4 Sn R2 R3 o Rohm và Haas sản xuất hợp chất Sea-NineTM không độc cho môi trường biển S Cl N C8H17 Cl O 4,5-dicloro-2-n-octyl-4-isothiazolin-3-on (DCOI) Mối quan hệ giữa các nguyên tắc hóa học xanh  Phân nhóm các nguyên tắc hóa học xanh o Safe: o Less: o Waste: o Process: o Sustainable renewable  Các lãnh vực của hóa học xanh  Đặc trưng của hóa học xanh GIẢM 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 Chất thải (wate) 12 Nguyên liệu (material) Chất thải Nguy hiểm Chất độc Tác động MT Năng lượng Chi phí HẠN CHẾ (REDUCE) Nguyên liệu Nguy hiểm (hazard) Chất độc (toxicity) Năng lượng (energy) Ảnh hưởng đến môi trường (envirnomental impact) Chi phí (cost)  Các nguyên tắc của Hóa học xanh có thể áp dụng cho toàn bộ ngành hóa  Luôn nghĩ về hướng thay thế “XANH”  Quan tâm đến chất thải, chất độc và năng lượng như là đối với độ tinh khiết và hiệu suất  Công nghiệp dựa trên nền tảng môi trường và kinh tế Hóa học xanh KHÔNG phải là một giải pháp cho tất cả các vấn đề môi trường NHƯNG là hầu hết các phương pháp cơ bản để ngăn chặn ô nhiễm 12 nguyên tắc hóa học xanh do Samatha đề nghị (PRODUCTIVELY) P R O D U C T I V E L Y Prevent waste Renewable materials Omit derivatization steps Degradable chemical products Use safe synthetic methods Catalytic reagents Temperature, pressure ambient In-process monitoring Very few auxiliary substances E-factor, maximise feed in product Low toxicity of chemical products Yes, it is safe  Tổng hợp acrylamid + NH3 + 1,5O2 H 2C H 2C NH2 H 2O H 2C ̵ ̵ CN Cu/enzyme CN + H2O H 2C O Xúc tác enzyme: phương pháp xanh nhất và mới nhất Quá trình xanh, Sản phẩm không xanh 2.3. 12 nguyên tắc của của kỹ thuật xanh  1. Thuộc tính hơn là tình huống Inherent rather than circumstantial − Nguyên liệu và năng lượng được lựa chọn phải không độc hại với môi trường − Thuộc tính: có sẵn  2. Ngăn chặn hơn là xử lý Prevention rather than treatment − Xử lý hay làm sạch chất thải rất tốn kém − Cần ngăn chặn chất thải trước nó xảy ra − Định hướng quá trình và sản phẩm ngay từ đầu phải giảm thiểu chất thải  Tổng hợp NVF: quá trình BASF O + HCN H + CN O NH2 OH H CN H HN + H 2O O ̵ HCN: rất độc, chi phí tăng ̵ Sản phẩm xanh, quá trình không xanh NH O H  3. Thiết kế cho quá trình phân riêng Design for separation − Phương pháp truyền thống tiêu thụ rất nhiều năng lượng cho việc tách và làm sạch − Phải thiết kế việc tách và làm sạch sử dụng tối thiểu năng lượng − Tự tách: dựa vào các tính chất hóa lý của sản phẩm − Các quá trình tách: o Chưng cất (Distillation) o Hấp thụ (Absorption) o Chiết tách (Extraction) o Tẩy màu (Stripping) o Rửa (Washing) o Lọc (Leaching)  Ví dụ tách acetic acid và nước: ̵ Tách chiết lỏng lỏng (Liquid liquid extraction_LLE ) và chưng cất ̵ Tốn kém năng lượng để bay hơi toàn bộ nước ̵ Có nhiều giai đoạn ̵ Giải pháp đưa thêm cấu tử thứ 3 etyl acetat Tb = 77 °C ̵ Chưng cất hoàn lưu để tách có hiệu quả Khó tách vì nhiệt độ sôi Tb = 118.2 °C gần nhau Acetic Acid DHvap = 24.39 kJ/mol Nước Tb = 100 °C DHvap = 40.6 kJ/mol Đưa thêm cấu tử thứ 3 etyl acetat Tb = 77 °C ethyl acetate + acetic acid aqueous acetic acid distillation ethyl acetate acetic acid LLE ethyl acetate H 2O + ethyl acetate + acetic acid distillation ethyl acetate H2O + acetic acid  Kết hợp phản ứng và tách C 2H 6 C 2H 4 + H 2 H2 C2H6 C2H4 ̵ ̵ ̵ ̵ ̵ H2 Sử dụng màng vi xốp microporous membrane Chỉ cho H2 đi qua nhưng không cho C2H4 và C2H6 qua Phản ứng chuyển hóa 100% Giảm năng lượng cần thiết Quá trình tách C2H4 và H2 hiệu quả cao  Ví dụ phản ứng tổng hợp biodiesel từ dầu mỡ động thực vật ̵ Dùng dư metanol rất nhiều ??? ̵ Thu hồi sử dụng glycerin ???? Quy trình hoàn lưu metanol 12 nguyên tắc của kỹ thuật xanh 4 Tối đa hiệu quả về khối lượng, năng lượng, không gian và thời gian Maximize mass, energy, space, and time efficiency − Hiệu quả quan trọng trong sản xuất và có ý nghĩa kinh tế − Phải thiết kế tối đa hiệu quả: sản xuất quy mô lớn, bình phản ứng nhỏ, hoàn lưu nhiệt,… 5 Kéo đầu ra hơn là đẩy đầu vào Output-pulled versus input-pushed − Truyền thống thường áp dụng nguyên lý Le Châtelier để tăng hiệu suất − Có thể lấy sản phẩm từ hệ thống để giảm việc tăng nguyên liệu, năng lượng ở đầu vào − Sản xuất theo nguyên tắc Just in time: vừa đủ  Thiết kế “tăng cường tính quá trình (PI)”: Thiết bị/nhà máy nhỏ hơn Kết hợp thiết bị PI ? Độ chọn lọc cao hơn Ít chất thải/sản phẩm phụ hơn Vận hành tốt hơn Sản phẩm tinh khiết hơn Tiết kiệm chi phí  Lý thuyết do Colin Ramshaw đưa ra vào 1970s  Lợi ích của PI: ̵ Tiết kiệm năng lượng ̵ Giảm chi phí, giảm sử dụng đất đai ̵ Giảm sử dụng hóa chất ̵ An toàn môi trường 12 nguyên tắc của kỹ thuật xanh 6 Bảo tồn tính phức tạp Conserve complexity − Sản phẩm càng phức tạp thì sản xuất tiêu thụ càng nhiều vật tư, năng lượng và thời gian − Sản phẩm phức tạp nên sử dụng lại (reuse) − Sản phẩm ít phức tạp nên tái chế (recycle) hoặc chuyển đổi sử dụng cho có lợi 7 Bền hơn là bất tử Durability rather than immortality − Sản phẩm tồn tại quá lâu mong muốn của sản xuất thường liên quan đến ô nhiễm môi trường − Thiết kế sản xuất sản phẩm đủ bền phải tự phân hủy Ví dụ: CFC’s • • • • • • CxHyFzClq Không cháy Không độc Rẻ tiền Hiệu quả Bền • • • • • • CxHyFzClq Non-flammable Non-toxic Inexpensive Effective Stable Ví dụ: CFC’s • • • • • • CxHyFzClq Không cháy Không độc Rẻ tiền Hiệu quả Bền • Tuổi thọ dài, lưu giữ ở điều kiện thường • Có tác dụng phá huỷ tầng ozone Công bố của NASA về tầng ozon bị thủng Tại Hội nghị Montreal Protocol (1989), 140 nước đã đưa ra lộ trình để cắt giảm GHG và CFC Sản xuất và tiêu thụ CFCs của EU-27 (1986-2009) 12 nguyên tắc của kỹ thuật xanh 8 Đáp ứng yêu cầu, tối thiểu dư thừa Meet need, minimize excess − Dư năng lượng, nguyên liệu trong sản xuất để đạt hiệu quả tối đa gây ảnh hưởng đến chi phí và môi trường − Thiết kế phải đạt hiệu quả nhưng tối tiểu năng lượng và nguyên liệu 9 Tối thiểu tính đa dạng của nguyên liệu Minimize material diversity − Khó khăn cho các giải pháp thu hồi, tái sử dụng hoặc tái chế nguyên liệu − Tối thiểu sự đa dạng của nguyên liệu nhưng đảm bảo được chất lượng của sản phẩm − Phát triển vật liệu mới có nhiều tính năng Ví dụ:  Thiết kế điện thoại di động: sử dụng dạng vật liệu đơn hơn là hợp kim của kim loại và polyme  Chất phụ gia: tạo ra các chất phụ gia đa chức năng sẽ làm giảm số lượng chất phụ gia  Phẩm màu: − Có thể dịch chuyển “on” và “off” − Có thể thay đổi thành nhiều màu khác nhau Thiết bị rửa bột giấy dạng băng tải áp lực 2 trục Hệ thống rửa bột giấy liên tục theo dòng tăng hiệu quả rửa, giảm lượng nước sử dụng 12 nguyên tắc của kỹ thuật xanh 10 Kết hợp nguyên liệu tại chỗ và dòng năng lượng Integrate local material and energy flows − Sử dụng nguyên liệu tại chỗ và tận dụng năng lượng thoát ra − Hạn chế nhập khẩu hay vận chuyển năng lượng và nguyên liệu − Sản phẩm phụ của quy trình sản xuất này có thể là nguyên liệu của quy trình sản xuất khác 11 Thiết kế sản phẩm cả sau thời gian sử dụng Design for commercial afterlife − Các bộ phận còn giá trị sử dụng cần được thu hồi để tái sử dụng, giảm lượng chất thải − Thiết kế giảm nhu cầu sử dụng nguyên liệu mới − Thiết kế sản phẩm thế hệ sau dựa trên các bộ phận hay thành phần thu hồi có tính năng đã biết  Ví dụ: − Chuyển công năng nhà xưởng cũ thành nhà ở − Tháo rời các thiết bị để sử dụng lại các thành phần − Thu hồi thành phần nhựa của chai PET để tái sản xuất nhựa • • • • PET: polyetylen terephtalat DMT: dimetyl terephtalat TPA: terephtalic acid BHET: bis (hydroxyetyl) terephtalat • Hydrolysis: phản ứng thủy phân • Glycolysis: phản ứng thủy phân gluco (OHCH2CH2OH) • Methanolysis: phản ứng metanol phân (CH3OH) Các loại nhựa: thành phần hóa học & ứng dụng Các sản phẩm từ nhựa tái chế (recycling) 12 nguyên tắc của kỹ thuật xanh 12 Tái tạo hơn là cạn kiệt Renewable rather than depleting − Tài nguyên thì không vô tận − Công nghiệp khai thác ảnh hưởng xấu đến môi trường và cạn kiệt tài nguyên − Sử dụng nguyên liệu sinh học, có thể tái tạo nhưng đáp ứng yêu cầu thay thế − NL tái tạo: gió, mặt trời, thủy triều, biomass, hydro Các nguồn năng lượng tái tạo  Mô hình lý tưởng cho phản ứng hóa học, sản phẩm và người sử dụng Nguyên liệu tái tạo Thân thiện môi trường An toàn Một giai đoạn Phản ứng lý tưởng Tách đơn giản Hiệu suất 100% Không chất thải A.E Đóng gói nhỏ nhất Năng lượng thấp nhất Sản phẩm lý tưởng Tái sinh Tái sử dụng Người sử dụng lý tưởng In the end, Green Engineering Principles…  Create a universal language between designers at all scales leading to… – Inherent: thuộc tính – Innovative: sáng tạo – Integrated: kết hợp – Interdisciplinary: liên quan đến nhiều ngành  Systematic designs that consider environmental, economic, and social criteria…  The goal of sustainability Đối chiếu các nguyên tắc Kỹ thuật xanh và Hóa học xanh Hóa học xanh Kỹ thuật xanh Prevention wastes Inherent rather than circumstantial Atom Econοmy Prevention rather than treatment Less hazardous chemical syntheses Design for separation Designing safer chemicals Maximize mass, energy, space, time efficiency Safer solvents and auxiliaries Output-pulled versus input-pushed Design for energy efficiency Conserve complexity Use of renewable feedstocks Durability rather than immortality Reduce derivatives Meet need, minimize excess Catalysis Minimize material diversity Design products which degrade easily Integrate local material and energy flows Real- time analysis for pollution prevention Design for commercial afterlife Inherently safer chemistry for accident prevention Renewable rather than depleting Phân nhóm các nguyên tắc Hóa học xanh 1. Prevention wastes 2. Atom Econοmy 8. Reduce derivatives Atom Econοmy 9. Catalysis 11. Real- time analysis for pollution prevention Reduced Hazard Energy Footprint Holistic Design Kỹ thuật xanh 2. Prevention rather than treatment 4. Maximize mass, energy, space, time efficiency 5. Output-pulled versus input-pushed 3. Less hazardous chemical syntheses 4. Designing safer chemicals 5. Safer solvents and auxiliaries 12. Inherently safer chemistry for accident prevention 1. Inherently safer chemistry for accident prevention 7. Durability rather than immortality 6. Design for energy efficiency 3. Design for separation 10. Integrate local material and energy flows 7. Use of renewable feedstocks 10.Design products which degrade easily 6. Conserve complexity 8. Meet need, minimize excess 9. Minimize material diversity 11. Design for commercial afterlife 12. Renewable rather than depleting Phân nhóm các nguyên tắc Hóa học xanh Econοmic 1. Prevention wastes 2. Atom Econοmy 6. Design for energy efficiency 8. Reduce derivatives 9. Catalysis Kỹ thuật xanh 2. Prevention rather than treatment 3. Design for separation 4. Maximize mass, energy, space, time efficiency 5. Output-pulled versus input-pushed 6. Conserve complexity 7. Durability rather than immortality 8. Meet need, minimize excess 10. Integrate local material and energy flows 3. Less hazardous chemical syntheses 5. Safer solvents and auxiliaries Personal safety 11. Real- time analysis for pollution prevention 12. Inherently safer chemistry for accident prevention 1. Inherently safer chemistry for accident prevention Feedstock 7. Use of renewable feedstocks 12. Renewable rather than depleting Holistic Design 4. Designing safer chemicals 10.Design products which degrade easily 9. Minimize material diversity 11. Design for commercial afterlife 2.4. Những thành tựu nghiên cứu và ứng dụng  Sản xuất bo mạch máy tính từ lông gà  Dược phẩm: tổng hợp lovastatin là thành phần của thuốc Simvastatin điều trị cholesterol cao − Phương pháp truyền thống: hiệu suất thấp, cả nguyên liệu và chất thải đều độc hại − GS Yi Tang (ĐH California) đã nghiên cứu thành công xúc tác enzyme quy trình đơn giản, hiệu suất cao, phản ứng điều kiện thường, không sử dụng nguyên liệu độc hại và dung môi, giảm chất thải  Màng plastic sinh học Câu hỏi

×

Report "HOA_HOC_XANH_CHUONG_2_9.2016.pdf"

Your name Email Reason -Select Reason- Pornographic Defamatory Illegal/Unlawful Spam Other Terms Of Service Violation File a copyright complaint Description Close Submit Our partners will collect data and use cookies for ad personalization and measurement. Learn how we and our ad partner Google, collect and use data. Agree & close