Bảo vệ môi trường và phát triển bền vững có tầm quan trọng đặc biệt trong từng quốc gia, trong tất cả các ngành kinh tế và đặc biệt trong ngành hóa chất – một trong các ngành gây ô nhiễm lớn nhất do tính độc, tính oxy hóa, tính cháy nổ của các hóa chất.
Các nhà hoạt động môi trường, các tổ chức, các đảng hoạt động với tôn chỉ bảo vệ môi trường, giữ gìn sự xanh, sạch, đẹp của trái đất đều chọn màu xanh là biểu tượng của mình như đảng Xanh hoặc nhóm Hòa bình Xanh. Màu xanh cũng được các nhà hóa học chọn lựa làm biểu tượng cho hóa học bền vững dưới tên gọi hóa học xanh. Hóa học xanh nghĩa là thiết kế, phát triển và ứng dụng các sản phẩm hóa chất cũng như các quá trình sản xuất, tổng hợp hóa chất nhằm giảm thiểu hoặc loại trừ việc sử dụng các chất gây nguy hại tới sức khỏe cộng đồng và môi trường.
Dưới đây là những nét chính liên quan đến khái niệm, tình hình phát triển, hiệu quả và khả năng áp dụng hóa học xanh trong các lĩnh vực sản xuất, nghiên cứu, giáo dục, đào tạo cũng như sử dụng hóa chất.
Mục tiêu của hóa học xanh là mục tiêu có tính chất khoa học hướng tới sự phát triển bền vững. Khái niệm phát triển bền vững thu hút được sự quan tâm rộng rãi của các quốc gia khi năm 1987 Liên hợp quốc công bố bản báo cáo “Tương lai của chúng ta ”; trong báo cáo này sự phát triển bền vững được định nghĩa là “sự phát triển đáp ứng những yêu cầu của hiện tại nhưng không gây trở ngại cho việc đáp ứng nhu cầu của thế hệ mai sau ”. Như thế, phát triển bền vững đòi hỏi phải đạt tới hai mặt được coi là mâu thuẫn với nhau, một mặt phải phát triển để đáp ứng ngày càng tốt hơn những nhu cầu về vật chất và tinh thần của con người và nhằm thỏa mãn sự tăng dân số thế giới, mặt khác tính bền vững trong phát triển đòi hỏi phải giới hạn và thay đổi cách sử dụng các nguồn tài nguyên và sinh thái để không những bảo tồn mà còn cải thiện tài nguyên và môi trường cho thế hệ tương lai. Môi trường là nơi chúng ta sinh sống, còn phát triển là cái mà chúng ta cố gắng làm để cho mọi thứ ngày càng tốt hơn trong môi trường đó.
Tại Mỹ, hóa học xanh bắt đầu thu hút sự quan tâm từ năm 1990 khi Luật ngăn ngừa ô nhiễm ra đời, khái niệm hóa học xanh được nhà hóa học hữu cơ Paul T. Anastas, định nghĩa lần đầu tiên. Năm 1991 Chương trình Hóa học xanh bắt đầu được triển khai thực hiện ở qui mô rộng rãi và phổ biến hơn. để tuyên truyền và phổ biến áp dụng hóa học xanh, rất nhiều quốc gia đã thành lập Giải thưởng Hóa học xanh như tại Anh, ôxtrâylia, Italia, đức,…. Hạt nhân quan trọng nhất của hóa học xanh là mười hai nguyên tắc hóa học xanh do ông Anastas và GS. John C. Warner của Trường đại học Massachusetts, Boston đề xuất. Mười hai nguyên tắc của hóa học xanh có thể được tóm tắt như sau:
1. Ngăn ngừa: Tốt nhất là ngăn ngừa sự phát sinh của chất thải hơn là là xử lý hay làm sạch chúng.
2. Tính kinh tế: Các phương pháp tổng hợp phải được thiết kế sao cho các nguyên liệu tham gia vào quá trình tổng hợp có mặt tới mức tối đa trong sản phẩm cuối cùng.
3. Phương pháp tổng hợp ít nguy hại: Các phương pháp tổng hợp được thiết kế nhằm sử dụng và tái sinh các chất ít hoặc không gây nguy hại tới sức khỏe con người và cộng đồng.
4. Hóa chất an toàn hơn: Sản phẩm hóa chất được thiết kế, tính toán sao cho có thể đồng thời thực hiện được chức năng đòi hỏi của sản phẩm nhưng lại giảm thiểu được tính độc hại.
5. Dung môi và các chất phụ trợ an toàn hơn: Trong mọi trường hợp có thể nên dùng các dung môi, các chất tham gia vào quá trình tách và các chất phụ trợ khác không có tính độc hại.
6. Thiết kế nhằm sử dụng hiệu quả năng lượng: Các phương pháp tổng hợp được tính toán sao cho năng lượng sử dụng cho các quá trình hóa học ở mức thấp nhất. Nếu như có thể, phương pháp tổng hợp nên được tiến hành ở nhiệt độ và áp suất bình thường.
7. Sử dụng nguyên liệu có thể tái sinh: Nguyên liệu dùng cho các quá trình hóa học có thể tái sử dụng thay cho việc loại bỏ.
8. Giảm thiểu dẫn xuất: Vì các quá trình tổng hợp dẫn xuất đòi hỏi thêm các hóa chất khác và thường tạo thêm chất thải.
9. Xúc tác: Tác nhân xúc tác nên dùng ở mức cao hơn so với đương lượng các chất phản ứng.
10. Tính toán, thiết kế để sản phẩm có thể phân hủy sau sử dụng: Các sản phẩm hóa chất được tính toán và thiết kế sao cho khi thải bỏ chúng có thể bị phân huỷ trong môi trường.
11. Phân tích thời gian hữu ích để ngăn ngừa ô nhiễm: Phát triển các phương pháp phân tích cho phép quan sát và kiểm soát việc tạo thành các chất thải nguy hại.
12. Hóa học an toàn hơn để đề phòng các sự cố: Các hợp chất và quá trình tạo thành các hợp chất sử dụng trong các quá trình hóa học cần được chọn lựa sao cho có thể hạn chế tới mức thấp nhất mối nguy hiểm có thể xẩy ra do các tai nạn, kể cả việc thải bỏ, nổ hay cháy, hóa chất.
Rất nhiều các nguyên tắc và các vấn đề của hóa học xanh không chỉ là vấn đề của quốc gia hay khu vực mà đã trở thành vấn đề toàn cầu. Chúng không chỉ đơn thuần đóng khung trong phòng thí nghiệm hay các dự án nghiên cứu riêng lẻ mà liên quan đến các vấn đề lớn hơn nhiều như thay đổi khí hậu toàn cầu, sử dụng hiệu quả năng lượng, quản lý nguồn tài nguyên thiên nhiên, nguồn tài nguyên nước. Nguyên nhân chính làm cho hóa học xanh được sự hưởng ứng và áp dụng rộng rãi trên toàn thế giới vì đây là con đường dẫn đến sự phát triển kinh tế và bảo vệ môi trường. Anastas cho rằng “Hóa học xanh là một công cụ hữu hiệu vì nó bắt đầu ở qui mô phân tử nhưng lại cung cấp các sản phẩm và các quá trình thân thiện hơn với môi trường. Hóa học xanh không yêu cầu gì đặc biệt trừ một nền khoa học có chất lượng cao với một tầm nhìn lớn nhất và xa nhất có thể ”.
Một trong các vấn đề của hóa học xanh là làm thế nào để kết nối các nhà sinh học với các nhà hóa học và các nhà công nghệ. Hiện nay, Trung Quốc đang nghiên cứu việc sử dụng động cơ sử dụng 100% metanol từ nguồn khí sinh học và sử dụng khí sinh học trong quá trình sản xuất giấy, vì enzym phân hủy xenluloza nhanh hơn quá trình xử lý bằng hóa học hay cơ học.
Môi trường phản ứng là một trong những lĩnh vực quan trọng có thể áp dụng hóa học xanh, đây chính là cơ sở của công nghệ hóa học sạch hơn. Thay vì sử dụng các loại dung môi hữu cơ, trong nhiều trường hợp người ta có thể sử dụng CO2 ở trạng thái siêu tới hạn (31,1oC, 73 atm), nước ở trạng thái siêu tới hạn (374oC, 218 atm) hay chất lỏng ở dạng ion tại nhiệt độ phòng, hệ hai pha, hệ thống không có dung môi sử dụng bề mặt bên trong của đất sét, zeolit, silic oxit và nhôm,…. Việc sử dụng dung môi siêu tới hạn cho phép thu hồi một cách dễ dàng sản phẩm cũng như tách xúc tác. Phân xưởng sản xuất CO2 siêu tới hạn công suất 1000 tấn/năm đã được đưa vào vận hành tại Consett, Anh. Theo một nghiên cứu được Hãng DuPont tài trợ thì một số phản ứng xẩy ra trong dung môi clofloetylen có thể tiến hành trong CO2 siêu tới hạn, thí dụ quá trình polyme hóa tetrafluoroetylen trong CO2 siêu tới hạn sử dụng chất khơi mào flo hóa. Ở Việt Nam, các nghiên cứu ban đầu về việc sử dụng CO2 siêu tới hạn để tách các loại tinh dầu quí đã được tiến hành tại Viện Hóa học Công nghiệp, Viện Dược liệu. Một thí dụ khác về sử dụng dung môi siêu tới hạn: nồi phản ứng liên tục dùng cho phản ứng oxy hóa một phần các hợp chất hữu cơ sử dụng xúc tác đồng thể trong nước siêu tới hạn.
Một phản ứng khác đang trong quá trình nghiên cứu là phản ứng oxy hóa p-xylen thành axit tereptalic, từ đó sản xuất polyetylen tereptalat và sợi polyeste. Theo phương pháp tổng hợp truyền thống thì axit tereptalic được tổng hợp từ p-xylen và không khí, sử dụng axit axetic làm dung môi và hệ xúc tác Mn/Co ở 190oC và áp suất 20 atm. Theo phương pháp tổng hợp này, axit tereptalic không hòa tan trong axit axetic, khoảng 10% axit axetic bị oxy hóa trong quá trình phản ứng. Trong khi đó ngược lại, nếu áp dụng phương pháp mới thì toàn bộ p-xylen, oxy, axit tereptalic hòa tan trong nước ở trạng thái siêu tới hạn. Nhóm các nhà công nghệ của Nottingham đã phát triển phương pháp sử dụng MnBr2 1.000 ppm làm chất xúc tác.
Chất lỏng ion hóa được nghiên cứu để có thể sử dụng rộng rãi cho các phản ứng và quá trình hóa học kể cả phản ứng hyđro hóa, phản ứng xúc tác sinh học và các phản ứng điện hóa. Ngoài ra, người ta có thể sử dụng chất lỏng ion hóa cho quá trình tách các sản phẩm chế tạo qua con đường sinh học (lên men) như etanol, axeton hay butanol. đặc trưng của chất lỏng ion hóa thường được tạo thành từ cation hữu cơ chứa N hoặc P và các anion vô cơ. GS. Seddon của Trường đại học Belfast cho rằng có một số lượng không hạn chế các chất lỏng ion hóa tạo thành từ tổ hợp của các cation và anion khác nhau. GS. Seddon đã phối hợp với nhiều hãng hóa chất nhằm chuyển các kết quả nghiên cứu về chất lỏng ion hóa từ phòng thí nghiệm sang qui mô pilot. ông đã phối hợp với BP để sản xuất hỗn hợp isome hóa từ LAB trong dung dịch ion hóa. Mục tiêu của công việc này là tránh sử dụng dung môi hữu cơ và xúc tác H2SO4/AlCl3. Trong phản ứng alkyl hóa, chất lỏng ion hóa cho kết quả tốt hơn việc sử dụng xúc tác H2SO4/AlCl3, trong khi đó lại có thể tái sử dụng hoặc tái thu hồi. Công việc này đã cho những kết quả khả quan trong phòng thí nghiệm nhưng hiện chưa sử dụng được ở qui mô công nghiệp vì vấn đề giá cả.
Một thí dụ khác về hóa học xanh là phản ứng tổng hợp axit ađipic (nguyên liệu dùng để sản xuất nilon), theo phương pháp mới sẽ tránh được sử dụng nitơ oxit và sử dụng nước làm dung môi. Thay cho dung môi hữu cơ, Hãng Global Technologies đã sử dụng CO2 lỏng cho quá trình làm sạch.
Chính phủ Mỹ hiện đang tài trợ một nghiên cứu sử dụng quá trình làm sạch khô thay cho việc sử dụng pecloetylen vì chất này thường gây ô nhiễm và ảnh hưởng tới sức khỏe của người lao động.
BASF đã phát triển công nghệ điện phân ở qui mô công nghiệp khi sử dụng anot “xanh ” để sản xuất alđehyt mạch vòng.
Hóa học xanh bảo vệ môi trường không chỉ thông qua các biện pháp làm sạch mà còn bằng cách phát minh, áp dụng các chất mới, các quá trình hóa học mới không gây ô nhiễm. Các nhà khoa học tại Trung tâm Nghiên cứu Quốc gia Canađa đã thành công trong việc sử dụng enzym xylanaza cho công nghiệp giấy và bột giấy, nhằm giảm giá thành và lượng clo sử dụng tới 90%. Tại một vài nước, người ta đang nghiên cứu sử dụng túi chế tạo từ ngô thay cho túi polyme. Thay thế HNO3 bằng H2O2 sẽ tránh được quá trình tạo thành N2O.
Theo ý kiến của chúng tôi, một số những việc trước mắt có thể thực hiện để áp dụng hóa học xanh vào cuộc sống:
– Rất nhiều công nghệ thỏa mãn các nhu cầu của hóa học xanh đã và đang tồn tại, vì vậy phải tạo cơ hội để áp dụng chúng ngay, nhằm giảm thiểu ô nhiễm môi trường và nâng cao hiệu quả kinh tế.
– Việc đưa hóa học xanh và các lĩnh vực có liên quan vào giảng dạy trong các trường đại học, các trường dạy nghề hóa chất sẽ nâng cao hiệu quả đào tạo sinh viên.
– Chuyển giao các kết quả nghiên cứu trong phòng thí nghiệm và ở qui mô pilot của hóa học xanh do các viện, trrường tiến hành cho các doanh nghiệp tư nhân.
– Thành lập và mở rộng các trung tâm quốc gia về hóa học xanh. Các trung tâm này có trách nhiệm xây dựng và phát triển mạng hóa học xanh.
– Thành lập các quĩ và học bổng về hóa học xanh để dành cho các viện, trung tâm nghiên cứu, các doanh nghiệp sản xuất hóa chất.
– Thành lập các giải thưởng về hóa học xanh.
– Tăng cường khuyến khích thực hiện hóa học xanh thông qua hình thức hỗ trợ chính sách, vốn đầu tư,….
– Thực hiện các hình thức thông tin tuyên truyền cho công chúng, doanh nghiệp, các tổ chức môi trường về lợi ích của áp dụng hóa học xanh.
Hoahocngaynay.com/Hoahoc.info
Nguồn: Vinachem
