Dung môi xanh

(10/01/2014)

Dung môi là bạn tốt của các nhà hóa học. Nhờ nhiệt dung của dung môi, chúng giúp kiểm soát nhiệt độ, cung cấp sự truyền khối, tạo sự phân tách chất này ra khỏi chất khác. Liệu chúng ta có còn biết ơn chúng khi có cái nhìn thứ hai về dung môi dưới cái nhìn bình phẩm?

Chất thải tạo ra từ việc rửa, trích, và sản xuất hóa chất liên quan chủ yếu đến dung môi thải.

Bên cạnh chi phí cao do sự hủy bỏ dung môi thải, dung môi còn gây ra các hậu quả về môi trường trong quá trình sử dụng như sương mù, sự ấm lên toàn cầu, lổ thủng tầng ozone, sự xuất hiện ozone tầng thấp. Các nguy hại sức khỏe như tính dễ cháy, gây ung thư, độc tính, biến đổi gen, và một số nguyên căn gây bịnh khác. Làm sao chúng ta có thể ngổi yên hưởng lợi từ việc sử dụng các dung môi này mà quên mất các vấn để rắc rối mà chúng gây ra?

Dung môi xanh là những loại dung môi ít gây hại đến sức khỏe và môi trường hơn những loại dung môi truyền thống. Thế thì những dung môi này cần có những đặc tính gì thì mới có thể được coi là dung môi xanh? Nhưng có lẽ sẽ dễ hơn nếu chúng ta nêu ra những đặc tính mà dung môi xanh không nên có. Dung môi xanh không có tính dễ cháy, không độc với bất kỳ dạng sống nào, không có tính chất gây ung thư, không có khả năng tạo sương, hay gây hủy hoại tầng ozone hoặc là nguồn dinh dưỡng cho nước tự nhiên. Dung môi xanh cũng không đòi hỏi nguồn năng lượng lớn để sản xuất ra chúng hoặc tách loại chúng ra khỏi các chất tan hoặc sản phẩm. Dung môi xanh là loại có thể được sản xuất từ các nguồn nguyên liệu có thể tái tạo lại được. Cuối cùng thì dung môi xanh không có mắc tiền hoặc dể dùng ngay. Bên cạnh việc tránhc ác yếu tố tiêu cực, dung môi xanh cần phải có các tính chất vật lý hợp lý để vận hành tốt trong các ứng dụng có chủ đích. Khôn gmay mắn thay, như các bạn có thể đoán, hiện tại không có bất kỳ dung môi xanh đáp ứng hoàn hảo và hoàn toàn tất cả các tiêu chí trên. Tuy vậy, chúng ta vẫn có những dung môi rõ ràng là xanh hơn so với các dung môi khác. Trong mục đích sử dụng làm môi trường cho phản ứng, một số dung môi được coi là xanh hơn sẽ lần lượt được trình bày dưới đây.

Dung môi xanh nhất thường thường được coi như là cái gì đó không cần dung môi mà là tự nó là dung môi. Một số phản ứng và phân tách chất trong các chất lỏng nguyên chất không cần thêm vào dung môi nào khác là một sự kỳ vọng rõ rệt trong giới kỹ nghệ vì nó không tạo ra bất kỳ một thể tích dung môi thải nào. Tuy nhiên , ngay cả trong cái cách này cũng có tiềm tàng nhược điểm như độ nhớt cao, sự truyền khối yếu, sự kiểm soát nhiệt độ kém. Năng lượng đòi hỏi cho việc khuấy , nghiền hỗn hợp phi dung môi có thể gây ra tác động môi trường xấu nhiều hơn là khi sử dụng dung môi.

Dung môi xanh bay hơi được

Hầu hết dung môi xanh hay ngược lại khi dùng trong công nghiệp sản xuất thường là loại dung môi bay hơi. Sự cần thiết về dùng những loại này là rõ ràng. Dung môi bay hơi có thể dễ dàng loại bỏ sau khi dùng. Tuy nhiên, nó đêm đến cho môi trường cái giá phải trả. Bỏ qua các trường hợp ngoại lệ, hầu hết các dung môi bay hơi là dễ cháy, dễ phát thải dạng hơi trong không khí tạo ra sường mù và thâm nhập vào cơ thể con người qua đường hô hấp. Các dung môi xanh loại này cần có những đặc trưng cho mức tối thiểu các tính chất gây tác dụng ngược hoặc gỉam thiểu sự gây hại sau khi nó phát thải trong không khí hoặc thâm nhập vào cơ thể người.

Nước

Dung môi của tự nhiên có một sự lôi cuốn hấp dẫn đến các ngành công nghiệp. Nước rõ ràng không gây cháy, không độc, và khá rẻ. Nước có thể làm dung môi cho các phản ứng Grignard và các phản ứng trước đây được coi là không tương thích với môi trường nước. Với một số phản ứng, không cần thiết phải có tác chất tan trong nước. Chúng ta có phản ứng “ trên mặt nước” – là phản ứng mà các tác chất hữu cơ nổi trên mặt nước và phản ứng dễ dàng nhờ nước. Nhược điểm chính của việc dùng nước làm dung môi là tiêu tốn năng lượng và thời gian để tách loại nước ra khỏi sản phẩm.

Dung môi nước siêu tới hạn

Nước siêu tới hạn khác với nước thường là nó có thể hòa tan dễ dàng các hợp chất hữu cơ và khí. Tuy nhiên, nhược điểm của dung môi này là nó hỉ tồn tại ở nhiệt độ cao, lớn hơn cả nhiệt độ tới hạn 374ºC. Việc sử dụng nó chủ yếu cho ứng dụng là môi trường cho phản ứng phân hủy hoàn toàn các chất thải độc hại, vũ khí hóa học. Quá trình này thường được biết dưới cái tên quá trình oxy hóa trong nước siêu tới hạn (supercritical water oxidation process- SCWO).

Carbon Dioxide siêu tới hạn, scCO2

Nhiệt độ tới hạn của carbon dioxide là 31ºC. Do vậy, scCO2 siêu tới hạn có thể dùng trong tổng hợp hóa học. Ví dụ, quá trình tổng hợp fluoropolymer của Dupont. Hoặc nó được sử dụng trong chiết tách các sản phẩm thiên nhiên. Ví dụ tách cafeine từ hạt cà phê. Bên cạnh tính không độc, không cháy, scC02 còn có tính hổ trợ truyền khối cực tốt.Nó là dung môi lý tưởng cho những ứng dụng mà sự truyền khối bị giới hạn nếu dùng dung môi cổ điển.Ví dụ như quá trình biến tính cao su nhân tạo sử dụng xúc tác đồng thể tan trong scCO2. Nhược điểm chính trong việc sử dụng scCO2 là tiêu tốn năng lượng để nén khí CO2 và chi phí đầu tư thiết bị để vận hành dưới áp suất cao.

Dung môi nở có CO2 ( expended CO2 liquids)

Dưới áp suất 20bar, khí CO2 tan dễ dàng trong các chất lỏng hũu cơ.Điều này gây nên một sự giãn nở thể tích trong pha lỏng kèm với sự thay đổi các tính chất hóa lý khác của chất lỏng bao gồm tính acid tăng, giảm độ nhớt, giảm điểm nóng chảy, giảm tính phân cực. Sự giãn nở thể tích của các chất lỏng nhớt cao như chất lỏng polymer, chất lỏng ion, dầu thô thường là ít nhưng độ nhớt của chúng thì giảm rõ rệt. Do vậy, ứng dụng của dung môi nở CO2 chủ yếu trong quá trình thu hồi dầu. Người ta bơm CO2 vào các giếng dầu để tăng tốc độ truyền khối của dầu trong ống dẫn về các bể chứa. Trong kỹ thuật phản ứng và chiết tách, dung môi nở CO2 cho ích lợi như CO2 siêu tới hạn chỉ ở phần pha hơi có áp suất trong hệ.

Dung môi dẫn xuất từ sinh khối

Rượu ethanol đang được dùng rộng rãi như dung môi và cũng được coi là dung môi xanh vì nó có nguồn gốc là sản phẫm phân hủy sinh học và khả năng phân hủy sinh học của nó. Tuy nhiên tính dễ cháy là một nhược điểm của dung môi này. Các terpene như D-limonene ( từ trái cam ) hoặc α- và β-pinene ( từ nhựa cây thông) cũng đang được dùng hoặc ở dạng tinh khiết hoặc phối trộn với nước như là dung môi rửa trong công nghiệp.Chúng cũng đều là các dung môi có khả năng phân hủy sinh học và cho mùi dễ chịu. Tuy vậy, pinene có tính dễ cháy. Cả limonene và pinene thì có điểm sôi cao nên có phần nào khó khăn trong việc tách bỏ khỏi sản phẩm.

( còn tiếp)

Nguồn: Sưu tầm