Seminar Những tiến bộ trong hóa học xanh CO2 siêu tới hạn (Supercritical CO2)

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC

BÁO CÁO SEMINAR NHỮNG TIẾN BỘ TRONG HÓA HỌC XANH

Chủ đề: CO2 SIÊU TỚI HẠN GVHD: PGS.TS Phan Thanh Sơn Nam TPHCM, tháng 4 năm 2017

www.daykemquynhon.ucoz.com

Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú # Google.com/+DạyKèmQuyNhơn

NỘI DUNG

KHÁI QUÁT CHUNG

TÍNH CHẤT CỦA CO2 SIÊU TỚI HẠN SẢN XUẤT VÀ ĐIỀU CHẾ ỨNG DỤNG 2

www.daykemquynhon.ucoz.com

Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú # Google.com/+DạyKèmQuyNhơn

KHÁI QUÁT CHUNG - Thay thế dung môi hiện tại bằng dung môi xanh hơn.

- Tăng cường quá trình truyền khối trong hệ phản ứng.

- Cải tiến hiệu suất, cải tiến độ chọn lọc cho phản ứng, kết hợp hạn chế

đến mức thấp nhất năng lượng sử dụng.

- Đồng thời sử dụng CO2 làm tác chất cho phản ứng.

3

www.daykemquynhon.ucoz.com

Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú # Google.com/+DạyKèmQuyNhơn

KHÁI QUÁT CHUNG - Sức căng bề mặt thấp

- Độ linh động cao - Độ nhớt thấp, khả năng khuếch tán cao - Tỷ trọng xấp xỉ tỷ trọng của chất lỏng - Khả năng hoà tan dễ điều chỉnh bằng nhiệt độ và áp suất - Phân riêng sản phẩm, kéo dài tuổi thọ xúc tác, thu hồi và tái sử dụng xúc tác….

4

www.daykemquynhon.ucoz.com

Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú # Google.com/+DạyKèmQuyNhơn

KHÁI QUÁT CHUNG - Dễ kiếm, rẻ tiền

- Trơ, ít phản ứng với các chất cần tách - Không bắt lửa, không duy trì sự cháy

- Không làm ô nhiễm môi trường - Không độc với cơ thể, không ăn mòn thiết bị

- Hoà tan tốt các chất hữu cơ rắn, lỏng - Hoá hơi không để lại cặn độc hại 5

www.daykemquynhon.ucoz.com

Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú # Google.com/+DạyKèmQuyNhơn

KHÁI QUÁT CHUNG Hạn chế của SCO2

- Phải thực hiện ở áp suất cao do đó nâng cao giá thành - CO2 không phân cực, không thể sử dụng chiết tách những

chất phân cực

6

www.daykemquynhon.ucoz.com

Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú # Google.com/+DạyKèmQuyNhơn

KHÁI QUÁT CHUNG

- Aldehyde, Ketone, Ester, Alcohol - Các chất khí như H2, O2, CO… - Các halogen-cacbon có phân tử lượng nhỏ và trung bình - Các hydrocacbon mạch thẳng không phân cực, phân tử lượng thấp và có mạch cacbon dưới 20.

- Các hydrocacbon thơm có phân tử lượng nhỏ 7

www.daykemquynhon.ucoz.com

Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú # Google.com/+DạyKèmQuyNhơn

TÍNH CHẤT CỦA CO2 SIÊU TỚI HẠN

o Tc = 31oC o Pc = 73,75 bar o rc = 0,47g/mL Thấp so với các dung môi khác

Giản đồ pha nhiệt độ - áp suất của CO8 2

www.daykemquynhon.ucoz.com

Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú # Google.com/+DạyKèmQuyNhơn

TÍNH CHẤT CỦA CO2 SIÊU TỚI HẠN Tên gọi

Carbon dioxide

Công thức hóa học

CO2 (cấu trúc phân tử: O=C=O)

Khối lượng phân tử

MCO2 = 44,011 kg/kmol

Thể tích ở điều kiện chuẩn

Vmn = 22,263 m3/kmol

Hằng số khí

RCO2 = 0,1889 kJ/(kg.K)

Khối lượng riêng khí ở 273,15Kvà 1,013 bar

ρn = 1,977 kg/m3

Nhiệt độ tới hạn

Tc = 304,15 K

Áp suất tới hạn

Pc = 73,83 bar

Khối lượng riêng tới hạn

ρc = 466 kg/m3

Nhiệt độ thăng hoa

Ts = 194,25 K; Ps = 0,981 bar

Điểm ba

TT = 216,55 K; PT = 5,18 bar

Nhiệt độ phân hủy

>1473,15 K

9

www.daykemquynhon.ucoz.com

Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú # Google.com/+DạyKèmQuyNhơn

TÍNH CHẤT CỦA CO2 SIÊU TỚI HẠN Các hình chụp thể hiện sự biến mất dần về mặt phânchia pha của CO2 khi tăng nhiệt độ và áp suất

a) Bề mặt phân chia pha lỏng – khí còn rõ rang b) Bề mặt phân chia pha mờ dần

c) CO2 ở trạng thái siêu tới hạn đồng nhất 10

Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú # Google.com/+DạyKèmQuyNhơn

www.daykemquynhon.ucoz.com

TÍNH CHẤT CỦA CO2 SIÊU TỚI HẠN

Đường phân chia 2 pha lỏng khí rõ ràng 11

Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú # Google.com/+DạyKèmQuyNhơn

www.daykemquynhon.ucoz.com

TÍNH CHẤT CỦA CO2 SIÊU TỚI HẠN

Khi tăng nhiệt độ đường phân chia 2 pha mờ dần 12

Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú # Google.com/+DạyKèmQuyNhơn

www.daykemquynhon.ucoz.com

TÍNH CHẤT CỦA CO2 SIÊU TỚI HẠN

Tăng nhiệt độ cao hơn nữa sẽ làm cho tỉ trọng chất lỏng và khí gần nhau hơn, đường phân cách 2 pha vẫn tồn tại nhưng khó quan sát 13

Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú # Google.com/+DạyKèmQuyNhơn

www.daykemquynhon.ucoz.com

TÍNH CHẤT CỦA CO2 SIÊU TỚI HẠN

Khi đã đạt tới nhiệt độ và áp suất tới hạn thì không còn phân biệt được 2 pha nữa, đường phân cách cũng không còn, tạo 1 pha đồng nhất.

14

Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú # Google.com/+DạyKèmQuyNhơn

www.daykemquynhon.ucoz.com

TÍNH CHẤT CỦA CO2 SIÊU TỚI HẠN

Ảnh hưởng của nhiệt độ và áp suất lên tỷ trọng CO2 15

Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú # Google.com/+DạyKèmQuyNhơn

www.daykemquynhon.ucoz.com

TÍNH CHẤT CỦA CO2 SIÊU TỚI HẠN

Sự phụ thuộc độ tan phần mol của benzoic acid trong SCO2 theo nhiệt độ và áp suất

16

Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú # Google.com/+DạyKèmQuyNhơn

www.daykemquynhon.ucoz.com

SẢN XUẤT VÀ ĐIỀU CHẾ

Sự biến đổi trạng thái của CO2

17

Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú # Google.com/+DạyKèmQuyNhơn

www.daykemquynhon.ucoz.com

SẢN XUẤT VÀ ĐIỀU CHẾ

18

Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú # Google.com/+DạyKèmQuyNhơn

www.daykemquynhon.ucoz.com

SẢN XUẤT VÀ ĐIỀU CHẾ

19

Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú # Google.com/+DạyKèmQuyNhơn

SẢN XUẤT VÀ ĐIỀU CHẾ

www.daykemquynhon.ucoz.com

Kỹ thuật phân riêng

Kĩ thuật giãn nở nhanh của lưu chất siêu tới hạn Jennifer Jung, M.P ., Particle design using supercritical fluids: Literature and patent survey . The Journal of Supercritical Fluids, 2001. 20: p. 179-219.

20

www.daykemquynhon.ucoz.com

Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú # Google.com/+DạyKèmQuyNhơn

SẢN XUẤT VÀ ĐIỀU CHẾ

Kỹ thuật phân riêng Ưu điểm: Sản phẩm rắn hình thành có độ phân bố kích thước hẹp Xảy ra nhanh không cần điều kiện chân không Ổn định các phức cơ kim.

Nhược điểm:

Chỉ áp dụng cho các chất có khả năng tan trong dung môi siêu tới hạn. Đối với các chất rắn ít tan trong dm siêu tới hạn, dùng nhiều dm.

Chi phí cao.

Jennifer Jung, M.P ., Particle design using supercritical fluids: Literature and patent survey . The Journal of Supercritical Fluids, 2001. 20: p. 179-219.

21

www.daykemquynhon.ucoz.com

Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú # Google.com/+DạyKèmQuyNhơn

SẢN XUẤT VÀ ĐIỀU CHẾ

Kỹ thuật phân riêng Ứng dụng chiết một số chất bằng hệ thống RESS

Jennifer Jung, M.P ., Particle design using supercritical fluids: Literature and patent survey . The Journal of Supercritical Fluids, 2001. 20: p. 179-219.

22

www.daykemquynhon.ucoz.com

Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú # Google.com/+DạyKèmQuyNhơn

SẢN XUẤT VÀ ĐIỀU CHẾ

Kỹ thuật phân riêng • Tương tự như phương pháp kết tủa, kết tinh

truyền thống, sử dụng dm hc có độ phân cực khác hoàn toàn với độ phân cực của dm có trong một hệ dd nào đó

• Ưu điểm: Điều khiển được nhiệt độ, tỷ trọng, lưu lượng SCO2

Khống chế được dạng thù hình, kích thước hạt rắn.

23

Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú # Google.com/+DạyKèmQuyNhơn

SẢN XUẤT VÀ ĐIỀU CHẾ

www.daykemquynhon.ucoz.com

Kỹ thuật phân riêng

24

Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú # Google.com/+DạyKèmQuyNhơn

www.daykemquynhon.ucoz.com

SẢN XUẤT VÀ ĐIỀU CHẾ Kỹ thuật phân riêng

Kĩ thuật sử dụng lưu chất siêu tới hạn làm dung môi ít tan Jennifer Jung, M.P ., Particle design using supercritical fluids: Literature and patent survey . The Journal of Supercritical Fluids, 2001. 20: p. 179-219. 25

Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú # Google.com/+DạyKèmQuyNhơn

www.daykemquynhon.ucoz.com

SẢN XUẤT VÀ ĐIỀU CHẾ Kỹ thuật phân riêng

B.Gupta, R., Nanoparticle Technology for Drug Delivery, in Drug and The Phamaceutical sciences, U.B.K., Editor . 2006, Taylor & Francis Group: New York.26 p. 51-82..

www.daykemquynhon.ucoz.com

Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú # Google.com/+DạyKèmQuyNhơn

SẢN XUẤT VÀ ĐIỀU CHẾ

Kỹ thuật phân riêng

Kỹ thuật phun phân tán (atomization/nebulization)

• Phân tán các thành phần hầu như không tan trong SCO2 • SCO2 được tạo nhũ trong pha lưu chất sau đó giảm áp, CO2 thoát ra khỏi hỗn hợp=> lưu chất còn lại được phân tán thành những giọt nhỏ.

• Được sử dụng trong công nghệ vật liệu vô cơ: tạo hạt, tạo lớp phủ, phẩm màu dạng pigment.

27

Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú # Google.com/+DạyKèmQuyNhơn

www.daykemquynhon.ucoz.com

SẢN XUẤT VÀ ĐIỀU CHẾ Kỹ thuật phân riêng

Kĩ thuật tạo hạt từ quá trình phân tán của SCO2 Jennifer Jung, M.P ., Particle design using supercritical fluids: Literature and patent survey . The Journal of Supercritical Fluids, 2001. 20: p. 179-219.

28

Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú # Google.com/+DạyKèmQuyNhơn

SẢN XUẤT VÀ ĐIỀU CHẾ

www.daykemquynhon.ucoz.com

Ứng dụng sử dụng kỹ thuật phân riêng

Zeljko Knez, E.W., Particles formation and particle design using supercritical fluids. Current Opinion in Solid State and Materials Science, 2003. 7: p. 353-361.

29

Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú # Google.com/+DạyKèmQuyNhơn

ỨNG DỤNG CỦA SCO2

www.daykemquynhon.ucoz.com

Là quá trình tách một thành phần (chất chiết suất) từ một hỗn hợp (chất nền rắn hoặc hỗn hợp lỏng) bằng chất lỏng ở trạng thái siêu tới hạn

30

Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú # Google.com/+DạyKèmQuyNhơn

ỨNG DỤNG CỦA SCO2

www.daykemquynhon.ucoz.com

CHIẾT SIÊU TỚI HẠN (SFE)

Sơ đồ chiết sử dụng SCO2

31

www.daykemquynhon.ucoz.com

Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú # Google.com/+DạyKèmQuyNhơn

ỨNG DỤNG CỦA SCO2 SIÊU liệu: TỚI HẠN (SFE) Dùng CO2 siêu tới hạn (SCO2CHIẾT ) ly trích hương

SCO2 từ compressor qua extractor cuốn

theo hương liệu, -> giảm áp suất để hương liệu kết tụ lại -> qua separator hương liệu được giữ lại. CO2 được nén tại compressor tiếp tục quy trình.

32

Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú # Google.com/+DạyKèmQuyNhơn

ỨNG DỤNG CỦA SCO2

www.daykemquynhon.ucoz.com

CHIẾT SIÊU TỚI HẠN (SFE) Tách caffeine trong cafe và chè:

33

www.daykemquynhon.ucoz.com

Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú # Google.com/+DạyKèmQuyNhơn

ỨNG DỤNG CỦA SCO2 Đặc điểm chiết tách của SCO2 + Hòa tan ít chlorophyl, sáp, carotenoid.

+ Không hòa tan đường, protein, thuốc trừ sâu, acid amin,tannin.

Vì vậy, SCO2 khi ly trích caffein trong hạt cafe thì nó sẽ không làm mất mùi vị của caffein, hiệu suất cũng cao từ 97-99 % và ko để lại cặn bã.

34

www.daykemquynhon.ucoz.com

Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú # Google.com/+DạyKèmQuyNhơn

ỨNG DỤNG CỦA SCO2 Mạ - Lớp mạ sáng, bóng, nhẵn hơn nhiều so với phương pháp mạ truyền thống.

Thậm chí khi với cả lớp mạ có độ dày lớn hơn nhiều lần (hình dưới); - Kích thước độ hạt có thể đạt đến dưới 10nm;

35

www.daykemquynhon.ucoz.com

Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú # Google.com/+DạyKèmQuyNhơn

ỨNG DỤNG CỦA SCO2 Mạpháp mạ SCO2 là có thể thực Một trong những ưu điểm nổi trội của phương hiện quá trình mạ ở trong các khe hở/lỗ chỉ hàng chục nanomet. Kết quả đạt được

là nhờ khả năng khuếch tán của dung dịch mạ trong môi trường SCO2 cao hơn nhiều so với điều kiện mạ truyền thống.

36

www.daykemquynhon.ucoz.com

Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú # Google.com/+DạyKèmQuyNhơn

ỨNG DỤNG CỦA SCO2 Mạ

- Công nghệ mạ sau siêu tới hạn CO2 cho thấy độ cứng của lớp mạ cao hơn hẳn độ cứng của lớp mạ truyền thống.

- Quá trình mạ sau siêu tới hạn CO2 cũng không sử dụng bất kỳ một chất phụ gia nào.

- Cả lớp mạ siêu tới hạn CO2 và sau siêu tới hạn CO2 đều được phát hiện là có chứa hàm lượng Carbon. Đây có thể là yếu tố làm tăng độ cứng của lớp mạ nickel.

37

www.daykemquynhon.ucoz.com

Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú # Google.com/+DạyKèmQuyNhơn

TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Jennifer Jung, M.P ., Particle design using supercritical fluids: Literature and patent survey .

The Journal of Supercritical Fluids, 2001. 20: p. 179-219 2. Zeljko Knez, E.W., Particles formation and particle design using supercritical fluids. Current Opinion in Solid State and Materials Science, 2003. 7: p. 353-361.

3. B.Gupta, R., Nanoparticle Technology for Drug Delivery, in Drug and The Phamaceutical sciences, U.B.K., Editor . 2006, Taylor & Francis Group: New York. p. 51-82.

4. Nam, P. T. S. (2008). Hóa học xanh. Việt Nam, Đại học quốc gia tpHCM.

5. Dũng, N. V. (2012). Tạo hạt submicro acid salicylic sử dụng lưu chất siêu tới hạn, ĐHBK HCM. 6. Minh, N. C. (2010). Nghiên cứu chiết tách caffeine từ lá trà bằng CO2 lỏng ở trạng thái siêu tới hạn, ĐHBK HCM. 7. Phụng, L. T. K. (2009). Ứng dụng kĩ thuật lưu chất siêu tới hạn trong tạo hạt dược phẩm. ĐHBK HCM.

8. Bhardwaj, L. "A review on methodology and application of supercritical fuild technology in pharmaceutical industry."

9. Dvoyashkin, M. "Introduction to supercriticalfluids."

38

www.daykemquynhon.ucoz.com

Sưu tầm bởi GV. Nguyễn Thanh Tú # Google.com/+DạyKèmQuyNhơn

THANK YOU!

39