HÓA HỌC XANH TS. LÊ THỊ THANH HƯƠNG (2016)

HÓA HỌC XANH TS. Lê Thị Thanh Hương 1.2016

Nội dung 1. Giới thiệu môn học 2. Phương pháp giảng dạy & Đánh giá môn học

3. Kế hoạch giảng dạy 4. Nội dung môn học 5. Tài liệu tham khảo

1. Giới thiệu môn học  Mục tiêu của môn học: − Trình bày, phân tích, giải thích được:  Vấn đề môi trường ảnh hưởng đến phát triển bền vững  Định nghĩa lịch sử phát triển của hóa học xanh  Những nguyên lý, nguyên tắc của hóa học xanh

− Vận dụng được XANH trong lãnh vực nghiên cứu và sản xuất:     

Xúc tác Phương pháp tổng hợp Dung môi Năng lượng Thiết kế sản phẩm hay dây chuyền công nghệ, ….

2. Phương pháp giảng dạy & đánh giá  Giảng bài  Đọc bài trước ở nhà  Dịch tài liệu  Dự lớp: trên 80%

 Thảo luận theo nhóm, làm bài tập  Kiểm tra thường xuyên: viết 02 bài tiểu luận

 Thi giữa học phần: tự luận  Thi kết thúc học phần: tự luận

3. Kế hoạch giảng dạy Tuần

Nội dung Giới thiệu môn học & phương pháp giảng dạy

1

2

3 4 5

Tiết dạy

Thời gian

1 2/8/2016

Chương 1: Lịch sử và quá trình phát triển của hóa học xanh

2

Chương 1: Lịch sử và quá trình phát triển của hóa học xanh

1

Chương 2: Nguyên lý và nguyên tắc của hóa học xanh

2

Chương 2: Nguyên lý và nguyên tắc của hóa học xanh

3

Chương 2: Nguyên lý và nguyên tắc của hóa học xanh

2

9/8/2016

16/8/2016 23/8/2016

Kiểm tra thường kỳ

1

Chương 2: Nguyên lý và nguyên tắc của kỹ thuật xanh

3

30/8/2016

3. Kế hoạch giảng dạy

Tuần

Nội dung

Tiết dạy

Thời gian

6

Chương 2: Nguyên lý và nguyên tắc của kỹ thuật xanh

3

6/9/2016

7

Chương 2: Nguyên lý và nguyên tắc của kỹ thuật xanh

3

13/9/2016

THI GIỮA KỲ

20/9/2016

8

Chương 3: Đánh giá các tác động đến môi trường (LCA)

3

27/9/2016

9

Chương 3: Đánh giá các tác động đến môi trường (LCA)

3

4/10/2016

10

Chương 3: Đánh giá các tác động đến môi trường (LCA)

3

11/10/2016

3. Kế hoạch giảng dạy Nội dung

Tiết dạy

Chương 4: Các lãnh vực xanh trong công nghệ hóa học

2

Tuần 11

Thời gian 18/10/2016

Kiểm tra thường kỳ

1

12

Chương 4: Các lãnh vực xanh trong công nghệ hóa học:

3

25/10/2016

13

Chương 4: Các lãnh vực xanh trong công nghệ hóa học

3

1/11/2016

14

Chương 4: Các lãnh vực xanh trong công nghệ hóa học

3

8/11/2016

15

Chương 4: Các lãnh vực xanh trong công nghệ hóa học

3

15/11/2016

1

22/11/2016

THI CUỐI KỲ

4. Nội dung môn học

1. Chương 1: Lịch sử và quá trình phát triển của hóa học xanh 2. Chương 2: Nguyên lý và nguyên tắc của HHX và KTX 3. Chương 3: Đánh giá tác động của sản phẩm đến môi trường (LCA)

4. Chương 4: Các lãnh vực xanh trong công nghệ hóa học

5. Tài liệu tham khảo SÁCH: 1. Phan Thanh Sơn Nam, Hóa học xanh, NXB ĐHQG TPHCM, 2014.

2. Mike Lancaster, Green Chemistry: An Introductory Text, The Royal Society of Chemistry, 2012 3. Mukesh Doble, Anil Kumar Kruthiventi, Green Chemistry and Processes, Elsevier, 2007 4. James Clark, Duncan Macquarrie, Handbook of Green Chemistry And Technology, Backwell, 2002 5. J. A. Linthorst, An overview: origins and development of Green Chemistry, Found Chem 6. S. Armenta, S. Garrigues, M. de la Guardia, Green Analytical Chemistry, Trends in Analytical Chemistry, Vol. 27, No. 6, 2008 7. M. De La Guardia, S. Armenta (Ed), Green Analytical Chemistry: Theory & Practice, Elsevier, 2011 8. Gadi Rothenberg, Catalysis: Concepts and Green Applications, Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KgaA, 2008.

5. Tài liệu tham khảo KEY WORDS: − Hóa học xanh − Green Chemistry − Green Chemistry Engineering

− Green Technology − Green Analytical Chemistry − Green Catalyst

− Green Solvent

Liên hệ: 0903 880 245 lethithanhhuong@iuh.edu.vn

Chương 1: Lịch sử và quá trình phát triển của hóa học xanh

1.1. Các vấn đề về môi trường  5 yếu tố chính của môi trường: − Liên quan, tương tác chặt chẽ với nhau − Trao đổi chất và năng lượng

 Hoạt động của con người sẽ có tác động mạnh mẽ ảnh hưởng đến các mối quan hệ trên − − − − − − − − −

Nuôi trồng Đánh bắt hải sản Săn bắn Khai thác nước ngầm Khai thác dầu khoáng, khoáng sản Sản xuất công nghiệp Sinh hoạt Giao thông …..

Environmental issues are any such issues created due to human activities and cause harm to the environment.

 Ô nhiễm − − − −

Nước Không khí Đất Tiếng ồn

 Thảm họa: − − − − −

Công nghiệp Lụt lội Hạn hán Tiếng ồn Đói

 Biến đổi khí hậu

 Ảnh hưởng của ô nhiễm tiếng ồn: − Lo lắng − Căng thẳng − Rối loạn giấc ngủ − Tăng áp lực máu − Giảm thính giác − Mù màu

 Ảnh hưởng của ô nhiễm không khí (air pollution): − Môi trường sống − Động vật, thực vật − Sức khỏe con người − Mưa acid − Biến đổi khí hậu − Thảm họa

Tháp Eiffel 1 tuần không có giao thông 2004

Ô nhiễm báo động ở Bắc Kinh vì ô nhiễm từ chất thải nhiệt điện và công trình xây dựng  Wangjing Soho, khu trung tâm thương mại nổi tiếng Bắc Kinh, chìm trong màu xám ảm đạm  Ánh đèn phát ra từ điện thoại di động còn sáng hơn cả màu trời Bắc Kinh  Mặc áo trùm khăn kín mặt khi đi ngoài đường. Bắc Kinh khuyến cáo người dân không nên ra khỏi nhà  Ảnh của NASA cho thấy một vùng trắng bao phủ Bắc Kinh và lan rộng khắp các tỉnh miền Bắc Trung Quốc

 1 nghệ sĩ Trung Quốc đã dùng máy hút bụi để hút 'mù khô' ở Bắc Kinh trong 100 ngày và dùng bụi đó để làm 1 viên gạch.  Anh ấy nói 'còn có thể làm được nhiều gạch nữa'  Cái giá của việc chạy theo GDP, có tiền mà không có không khí sạch để thở

 Ai nín thở đếm tiền được

Khảo sát độ pH nước mưa của Mỹ

Khảo sát độ pH nước mưa của Mỹ

Mưa axit ở châu Âu

 Ảnh hưởng của ô nhiễm nước (water pollution): − Nước trên bề mặt − Nguồn nước ngầm − Sức khỏe con người − Phân bố hệ sinh thái  Chất lượng của nước: − DO − Khuẩn − Chất vô cơ và hữu cơ

 Ảnh hưởng của ô nhiễm đất (land pollution): − Đất trồng − Sức khỏe con người − Nguồn nước ngầm − Mất cân bằng sinh thái − Sa mạc hóa tăng

 Ảnh hưởng của ô nhiễm ánh sáng (light pollution): − Tâm lý, lo lắng − Tăng huyết áp − Tăng khả năng ung thư vú

 Ảnh hưởng của ô nhiễm phóng xạ (radioactive pollution): − Gây ra ung thư da, xương, máu − Các bệnh về mắt

Sự thay đổi phân bố các loài hệ sinh thái

 Thảm họa do con người − Nổ hạt nhân: − Nổ nhà máy hóa chất: − Cháy nổ dầu khí: − Rò rỉ khí, hóa chất: − Ô nhiễm hóa chất:

 Thảm họa thiên nhiên − Lũ lụt: − Hạn hán: − Động đất: − Cháy rừng: − Lốc xoáy:

1969: Cháy vệt dầu loang ở Ohio

Trung tâm công nghiệp Widnes ở Tây Bắc nước Anh cuối thế kỷ 19

Widnes 120 năm sau: môi trường sống đã được cải thiện

1984: Thảm họa công nghiệp lớn nhất thế giới − Pesticide Plant in Bhopal − Rò rỉ 40 tấn khí Metyl Isocyanat (MIC) s − Làm chết 2,500 - 5,000 người chỉ trong 1 giờ

3. 2005: Nổ nhà máy lọc dầu của BP ở Texas

7.1988: Cháy đường ống dẫn dầu Alpha (UK)

11. 2005: Cháy kho xăng dầu của Buncefield UK

1976: Rò rỉ hóa chất có dioxin, Ý

Thảm họa lũ lụt

Thảm họa hạn hán

Sa mแบกc hรณa

Sa mแบกc hรณa

 Biến đổi khí hậu Dự báo của NASA về độ tăng nhiệt độ toàn cầu

pH nước biển giảm làm ảnh hưởng đến hệ sinh thái biển

Ảnh hưởng đến nền kinh tế − 8/12/2015 ở Bắc Kinh: chỉ số PM2.5 là 291 mg/m3 so với mức an toàn của Tổ chức Y tế Thế giới là 25 mg/m3 − Bụi mù bao trùm Bắc kinh − Một số khu vực có tầm nhìn chỉ 200m − Bắc Kinh phải ban hành báo động cam (mức cao thứ 2/4) Ảnh Bắc Kinh trước và sau 1 ngày

− 5/1/2016 tại thị trấn Pác Miều, Bảo Lâm, Cao Bằng: vỡ bể chứa, hàng trăm nghìn m3 nước và bùn thải chì, kẽm tràn ra ngoài, chảy xuống sông Gấm

Ảnh Bắc Kinh trước và sau 1 ngày

− Khu khai thác mỏ quặng bô xít Tân Rai: Bùn đỏ tràn ra đường Hồ chứa bùn đỏ

Lớp bùn đỏ sau 10 ngày

Thảm họa bùn đỏ ở Hungary  Bùn đỏ là hỗn hợp gồm Fe, Mn, Al, NaOH dư, …  Bùn đỏ là chất thải rất độc hại “bùn bẩn, bom bẩn”, pH = 13 do đó có thể tiêu diệt thảm thực vật, hư hại diện tích đất canh tác, làm chết mọi sinh vật như tôm, cá...

 4/10/2010: Bể chứa bùn mới được kiểm tra cách 2 tuần đã bị vỡ khiến biển bùn đỏ tràn ngập các khu dân cư là thảm họa sinh thái lớn nhất trong lịch sử chế biến Al  1.000.000 m3 bùn ngập 40 km2 khu dân cư  Biện pháp xử lý là dẫn bùn đỏ vào đất canh tác sau đó thay đất và hoàn thổ

 Nguyên nhân biến đổi khí hậu • Thành phần khí nhà kính trong tự nhiên: – – – –

Hơi nước : 36 ÷ 70% CO2 : 9 ÷ 26% CH4 : 4 ÷ 9% O3 : 3 ÷ 7%

• Khí nhà kính nhân tạo: do công nghiệp hoặc con người • Hiệu ứng nhà kính –

Bức xạ mặt trời là dải ánh sáng có bước sóng khác nhau

– – – –

Tia sóng ngắn bị phản xạ thành sóng dài Tia UV: bị O3 hấp thu Tia IR: CO2 và hơi nước hấp thu và lưu giữ Ánh sáng nhìn thấy: o Bị hấp thu bởi nước, cây, đất: sinh ra IR o Một phần IR bị giữ bởi các khí nhà kính • Lượng khí nhà kính tăng do hoạt động của con người  IR giữ lại nhiều  nhiệt độ Trái đất tăng • Tầng ozon bị mỏng hoặc thùng  Tia UV chiếu trực tiếp đến Trái đất

− − −

Lớp CO2 : giữ nhiệt lượng của Trái Đất 0,036 % CO2 làm nhiệt độ tăng khoảng 30 oC Không có hiệu ứng nhà kính: nhiệt độ Trái Đất khoảng – 15 oC

Lượng khí nhà kính tăng Khí

Dự báo

Hiện nay

CO2

280 ppm

387 ppm

CH4

700 ppb

1,745 ppb

NOx

270 ppb

314 ppb

CFCs

0

533 ppt

Mức độ các nguồn gây ra khí nhà kính ở Mỹ (1990 – 2004)

Tại sao tầng ozon bị thủng?????

X + O3 → XO + O2 XO + O → X + O2 X: NO, OH, Cl, Br

o CFCs: Chlorofluorocarbons

o CFCl3, CF2Cl2, CF3CCl3, CHF2Cl

CFCs + hγ → Cl. Cl. + O3 → ClO + O2 ClO + O → Cl + O2

1.2. Ảnh hưởng của các vấn đề về môi trường  Sức khỏe con người

 Giảm chất lượng cuộc sống − Ảnh hưởng đến chăn nuôi, trồng trọt − Môi trường sống: chất lượng nguồn nước, không khí, …  Thiệt hại về kinh tế − Chi phí chữa khám, phòng, chữa bệnh − Chi phí cải thiện môi trường − Việt Nam (5,5 % GDP): 3,9 tỷ USD/2007, 4,2 tỷ USD/2008 − Châu Âu: 100 tỷ EU/năm − Trung Quốc: 100 – 300 tỷ USD/2014  Phát triển không bền vững

1.3. Sự phát triển bền vững  Thế nào là sự phát triển bền vững? Định nghĩa của “The World Commission on Environment and Development‟s” 1987: Phát triển bền vững là phát triển đáp ứng những nhu cầu hiện tại nhưng không làm tổn hại đến những nhu cầu của các thế hệ tương lai “Development that meets the needs of the present without compromising the ability of future generations to meet their own needs”

 Mục tiêu phát triển bền vững

 Mô hình phát triển bền vững − Cân bằng 3 yếu tố: o Môi trường thiên nhiên tồn tại độc lập và phát triển o Xã hội chia sẻ o Kinh tế no đủ − Môi trường + kinh tế: kinh tế bền vững − Môi trường + xã hội: môi trường tự nhiên bền vững − Xã hội + kinh tế: xã hội công bằng Kinh tế bền vững

+ Môi trường tự nhiên bền vững

+ Xã hội công bằng

=

Phát triển bền vững

 Hóa học xanh và phát triển bền vững − Là công cụ kỹ thuật giải quyết phát triển bền vững môi trường và kinh tế hiệu quả − Liên quan trực tiếp đến môi trường và tài nguyên thiên nhiên Phát triển bền vững Công bằng xã hội

    

Điều kiện sống Công bằng Xã hội gắn kết Hợp tác quốc tế Ổn định thu nhập

Kinh tế hiệu quả

     

Phát triển kinh tế Cạnh tranh và hiệu quả Bền vững và ổn định Sản xuất/tiêu dùng Việc làm Thương mại quốc tế

Trách nhiệm với môi trường

     

Khai thác tài nguyên Nguyên liệu Chất thải Rủi ro Tốc độ thay đổi Văn hóa

1.4. Định nghĩa Hóa học xanh  Hóa học xanh xuất phát từ các kiến nghị của Hiệp ước Phòng chống ô nhiễm được Quốc hội Hoa Kỳ thông qua vào 1990

 Định nghĩa: Hóa học xanh là một loạt những nguyên tắc hiệu quả nhằm giảm thiểu hoặc hạn chế việc sử dụng hoặc tạo ra các chất độc hại trong thiết kế, sản xuất và ứng dụng các sản phẩm hóa học “Green Chemistry is the utilization of a set of principles that reduces or eliminates the use or generation of hazardous substances in the design, manufacture and applications of chemical products”

“Green chemistry, also known as sustainable chemistry, is the design of chemical products and processes that reduce or eliminate the use or generation of hazardous substances.”

 Đặc trưng của hóa học xanh: − Hóa học phát triển bền vững − Giảm thiểu chi phí, chất thải, nguyên vật liệu, năng lượng, rủi ro và độc hại − Ngăn ngừa ô nhiễm tại nguồn − Áp dụng cho cả chu kỳ sống của sản phẩm: thiết kế, sản xuất và sử dụng

 Ví dụ của hóa học xanh: tổng hợp PLA − 1997: Cargill Dow Polymers LLC − Acid lactic → polylactid (PLA): polyeste béo nhựa nhiệt dẻo − Làm bao bì (thay cho PET), màng gói thực phẩm, sợi và các vật liệu không dệt, (đồ lót, áo khoác ngoài), công nghiệp (xây dựng, nông nghiệp, lâm nghiệp, giấy), y tế. − Có thể phân hủy sinh học − Có nguồn gốc từ nguồn tái tạo: tinh bột ngô, rễ sắn, khoai tây, tinh bột, mía. − 2010: PLA tiêu thụ thứ hai trong chất dẻo sinh học − Phản ứng tổng hợp xanh: o Nguyên liệu từ sản phẩm nông nghiệp o Không tạo ra muối thải và sản phẩm phụ o Sản phẩm không độc, dễ bị phân huỷ sinh học o Sản phẩm bị thuỷ phân thành etanol và acid lactic (dùng trong thực phẩm)

Phân hủy PLA

 Phương pháp tổng hợp PLA: − Truyền thống từ sản phẩm dầu hỏa − Nguồn sinh khối  2002, Cargill Dow (Natureworks) được trao giải “Điều kiện phản ứng xanh hơn” Greener Reaction Conditions Award

 Chu trình tổng hợp xanh

Các lãnh vực ứng dụng của PLA được sản xuất từ nguồn tái tạo

2020

2013 Packaging Catering Technical material Agriculture Consumer goods Construction materials others

1.5. Các giai đoạn phát triển của Hóa học xanh  1991: P.T. Anastas đề cập đến sự phát triển bền vững của hóa học và kỹ thuật hóa học trước chính phủ, các nhà nghiên cứu và giới công nghiệp  1995: công bố giải thưởng Hóa học xanh hằng năm của Tổng thống ở Mỹ và các nước châu Âu  1996: Hiệp hội Hóa học xanh ra đời ở châu Âu  1998, Paul T. Anastas và John C. Warner thuộc Cơ quan bảo vệ môi trường Mỹ (EPA) đã đề ra 12 nguyên tắc nền tảng cho Hóa học xanh  2001, Winterton giới thiệu 12 nguyên tắc khác

 2005, Tang, Smith và Poliakoff rút gọn 12 nguyên tắc lại thành thuật ngữ PRODUCTIVELY để dễ nhớ

Tốc độ tăng trưởng của các ngành Công nghệ hóa học bền vững 10.0 9.0 Biochemical fuelcells

8.0 7.0 6.0

Green plastics

5.0 4.0 ALL CHEMISTRY 3.0 2.0 ALL SECTORS

1.0 2007

2006

2005

2004

2003

2002

2001

2000

1999

1998

1997

1996

1995

1994

1993

1992

1991

1990

1989

1988

0.0

Tốc độ tăng trưởng của các ngành Công nghệ hóa học bền vững 1.4 1.2

Selected White Biotech

1.0

Aqueous Solvents

0.8 0.6

ALL CHEMISTRY

0.4 0.2

ALL SECTORS

1988 1989 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007

0.0

Tốc độ tăng trưởng của các ngành Công nghệ hóa học bền vững 3.5 3.0

TCF

2.5

Biodegradable packaging

2.0

ALL CHEMISTRY

1.5

ALL SECTORS

1.0

0.5

1988 1989 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007

0.0

1.6. Kỹ thuật xanh (green engineering)  Định nghĩa: Kỹ thuật xanh là những thái độ, giá trị và những nguyên tắc có nhận thức về môi trường kết hợp với thực tế của khoa học, kỹ thuật và công nghệ hướng trực tiếp đến việc cải thiện chất lượng môi trường toàn cầu và khu vực Green Engineering can be defined as environmentally conscious attitudes, values, and principles, combined with science, technology, and engineering practice, all directed toward improving local and global environmental quality  EPA, Office of Pollution Prevention and Toxics (US): GE là sự phát triển và thương mại hóa các quá trình công nghệ có tính khả thi về kinh tế và giảm thiểu các rủi ro cho sức khỏe con người và môi trường Green Engineering is the development and commercialization of industrial processes that are economically feasible and reduce the risk to human health and the environment.

 Thách thức của GE trong giải quyết các vấn đề môi trường − Ngăn chặn ô nhiễm − Giảm thiểu rủi ro − Khai thác cạn kiệt các nguồn tài nguyên − Tận dụng nguyên liệu hiệu quả − Độc tính trong các sản phẩm hóa chất − Các vấn đề về vòng đời sản phẩm − Tiêu thụ năng lượng: liên quan đến ô nhiễm & an ninh năng lượng o o o o

Sản xuất hóa chất và các sản phẩm liên quan Dầu khí Than đá Mỹ: 14% Giấy

năng lượng



GE trong công nghệ Hóa học − CNHH liên quan hầu hết các lãnh vực công nghiệp sản xuất tiêu dùng, quân sự, hàng không, .... − CNHH tham gia giải quyết các vấn đề môi trường − Sản phẩm CNHH đóng góp nâng cao chất lượng cuộc sống − CNHH tạo ra việc làm, chăm sóc và bảo vệ sức khỏe − Mỹ 2002: các ngành của CNHH o 1 triệu việc làm o 477.8 tỷ USD o 5% GDP o 57% khí độc giảm

 Mục tiêu của GE : Đảm bảo cân đối giữa phát triển kinh tế và bảo vệ môi trường từ giai đoạn thiết kế sản phẩm, hệ thống, quy trình

Thiết kế trước đây

Thiết kế hiện nay

 Các giai đoạn của kỹ thuật xanh: − 2001 tại Virginia (USA): hội nghị „Kỹ thuật xanh: kỹ thuật bền vững và kỹ thuật có nhận thức về môi trường‟ (Green Engineering: Sustainable and Environmetally Conscious Engineering − 2003 tại Floria (USA): o Hội nghị thảo luận về nguyên tắc xanh o Nguyên tắc kỹ thuật xanh do Paul Anastas và Julie Zimmermans đề nghị đã nhận được nhiều ủng hộ  Đặc trưng của kỹ thuật xanh: Tập trung vào việc thiết kế vật liệu, sản phẩm, quy trình, hệ thống mới thân thiện với môi trường và con người

 Vai trò của hóa học xanh và kỹ thuật xanh đối với phát triển bền vững:

Dựa vào việc nhận thức về vòng đời đưa đến các nguyên tắc nguyên lý để đạt được mục tiêu kinh tế và xã hội bền vững Green chemistry relies upon lifecycle thinking to bring their concepts to fruition; it serves to achieve the ultimate goal of a sustainable economy and society

US EFA Presidential green Chemistry Award 1. Alternative synthetic pathways 2. Alternative reaction conditions 3. Design of safer chemical 4. Small business 5. Academic investigator http://www.epa.gov/greenchemistry

Câu hỏi 1. Các vấn đề môi trường, nguyên nhân và hệ quả của nó 2. Định nghĩa, phân biệt hóa học xanh và kỹ thuật xanh 3. Vai trò của hóa học xanh và kỹ thuật xanh đối với phát triển bền vững