Tiểu luận hóa học môi trường

Tiểu luận hóa học xanh môi trường, trình bày khái niệm hóa học xanh, an toàn và phòng ngừa tai nạn. Nguyên lý và nguyên tắc của hóa học xanh, ứng dụng của hóa học xanh trong hiện đại, 12 nguyên tắc của hóa học xanh

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

***

TIỂU LUẬN MÔN HỌC

Đề tài: An toàn và phòng ngừa tai nạn

Học phần: Hóa học môi trường

Mã học phần: EV6101

GVHD: PGS.TS Hoàng Thị Thu Hương Học viên: Trần Văn Quyền

Mã học viên: 20202438M

***

Hà Nội, 3/2021

MỤC LỤC

I Tổng quan 1

II Nguyên lý và nguyên tắc của hóa học xanh 2

III An toàn và phòng ngừa tai nạn 3

IV Kết luận 7

I Tổng quan

Trong khoảng hai thế kỷ qua, hóa học đang ngày càng phát triển Những thành quả của hóa học đã góp phần nâng cao đời sống tinh thần, vật chất và sức khỏe con người thông qua việc phát triển sản xuất các ngành công nghiệp dược phẩm, phân bón, y khoa, điện tử, hàng không, xây dựng, vật liệu mới, tăng năng suất trong sản xuất nông nghiệp Cùng với các thành tựu vượt bậc của các ngành khoa học kỹ thuật khác, hóa học và ngành công nghiệp hóa chất đã tạo ra những giá trị làm tăng chất lượng cuộc sống con người Bên cạnh sự phát triển vượt bậc của khoa học kỹ thuật phục vụ đời sống con người trong những năm qua, vấn đề ô nhiễm môi trường, cạn kiệt tài nguyên, sự nóng lên của Trái Đất, các sinh vật sống kể cả con người từ sự phát thải các chất độc hại, không có khả năng phân hủy, khai thác phá hủy rừng, sử dụng các nguyên liệu không có khả năng tái tạo

Sản xuất các ngành công nghiệp hóa chất chiếm 7% thu nhập và 9% thương mại và 80% sản lượng công nghiệp thế giới Tại Hoa Kỳ, các ngành công nghiệp hóa học đóng góp 5% của GDP và tăng them 12% giá trị GDP Điều này nói lên tầm quan trọng của ngành công nghiệp hóa học trong cuộc sống hàng ngày của con người và trong việc hỗ trợ nền kinh tế quốc gia Tuy nhiên, ngành công nghiệp hóa chất cũng như các ngành công nghiệp khác là một trong những nguyên nhân gây ra các vấn đề môi trường toàn cầu như cạn kiệt nhiên liệu không thể tái tạo, ô nhiễm môi trường, xả chất thải độc hại, gây ảnh hưởng đến môi trường sinh thái và con người Quá trình sản xuất lý tưởng yêu cầu đơn giản, một giai đoạn an toàn, sử dụng năng lượng tái tạo, thân thiện với môi trường, không rác thải, hiệu suất cao, giai đoạn tách đơn giản Sản phẩm lý tưởng đòi hỏi năng lượng sản xuất và bao bì tối thiểu, an toàn, phân hủy sinh học 100% và có thể tái chế Phạm vi của các sản phẩm hóa chất ngày nay rất lớn, đóng góp vô giá cho chất lượng cuộc sống như thiết kế và sản xuất các dược phẩm chữa các bệnh nan y, chất bảo vệ thực vật và tăng trưởng cho phép tăng sản lượng lương thực của chúng ta một cách đáng kể Hóa học đã đóng góp

và tiếp tục giữ một vai trò cơ bản trong hầu hết mọi khía cạnh của xã hôi hiện đại, trong lĩnh vực chăm sóc sức khỏe, thực phẩm, chỗ ở, phương tiện giao thông và hàng hóa tiêu dùng,… do đó nhu cầu về hóa chất của các ngành công nghiệp sẽ vẫn tiếp tục tăng cao

Khái niệm hóa học xanh xuất phát từ kiến nghị của Hiệp ước Phòng chống ô nhiễm được Quốc hội Hoa Kỳ thông qua vào năm 1990 Ý tưởng về cách tốt nhất để giảm chi phí do ô nhiễm

là kiểm soát ngay tại nguồn hơn là giải quyết các vấn đề liên quan đến việc thải chất độc vào môi trường Hóa học xanh kết hợp cách tiếp cận mới đối với các quá trình tổng hợp, chế biến và sử dụng các hóa chất để giảm thiểu mối đe dọa đối với sức khỏe con người và môi trường Bất kỳ quá trình hóa học nào đều phải đáp ứng được 12 tiêu chuẩn của hóa học xanh mới được xem là thực sự bền vững, không gây tác động xấu tới môi trường Hóa học xanh là khái niệm về phát triển hóa học một cách bền vững, qua đó khuyến khích phát triển các phương pháp và quá trình tạo ra sản phẩm nhằm hạn chế sản xuất và sử dụng các hóa chất độc hại Hóa học xanh tìm cách giảm thiểu và ngăn ngừa ô nhiễm tại nguồn phát sinh Những năm gần đây, hóa học xanh đóng vai trò chủ đạo trong việc phát triển, nhận biết những vấn đề liên quan đến môi trường Vai trò của hóa học xanh trong phát triển bền vững là hết sức cần thiết đồng thời đáp ứng được cả những nhu cầu về phát triển kinh tế về các mục tiêu về môi trường

1

II Nguyên lý và nguyên tắc của hóa học xanh

Mục đích quan trọng nhất của hóa học xanh được xác định trong 12 nguyên tắc, bao gồm những nguyên tắc cơ bản để giảm hoặc loại bỏ ô nhiễm môi trường Tập trung vào các vấn đề như tìm kiếm các hóa chất có thể thay thế và thân thiện môi trường, tăng tốc độ phản ứng, hạ nhiệt độ phản ứng để tiết kiệm năng lượng, hiệu quả phản ứng, sử dụng các dung môi ít độc hại hơn, giảm thiểu nguyên liệu sử dụng và sản phẩm độc hại, giảm chất thải Những nguyên tắc của hóa học xanh được chia thành các nhóm:

- Ít sử dụng hóa chất, dung môi và năng lượng

- An toàn: sử dụng nguyên liệu, quá trình và dung môi an toàn

- Qúa trình: quá trình hiệu quả không chất thải, không sử dụng dẫn xuất và sử dụng xúc tác

- Chất thải: chất thải phát sinh phải được theo dõi trong thời gian thực tế và phải phân hủy

- Bền vững: hóa chất, nguyên liệu và năng lượng phải tái tạo được và bền

Các nguyên tắc của hóa học xanh:

- Phòng ngừa: phòng ngừa sự phát sinh chất thải thì tốt hơn là xử lý hay làm sạch khi chúng được tạo ra trong quá trình Điều này được dựa trên các khái niệm về ngăn chặn tại nguồn

- Nguyên lý kinh tế Antom: các bước tổng hợp hoặc phản ứng nên được thiết kế để tối đa hóa sự kết hợp của tất cả các nguyên liệu được sử dụng trong quá trình vào sản phẩm cuối cùng thay vì tạo ra sản phẩm vô dụng hoặc không mong muốn

- Giảm tổng hợp hóa học: phương pháp tổng hợp nên được thiết kế để sử dụng và tạo ra các chất ít hoặc không có độc hại đối với môi trường và công cộng

- Thiết kế hóa chất an toàn: sản phẩm hóa chất nên được thiết kế để không chỉ thực hiện chức năng thiết kế của mình mà còn phải ít độc hại trong ngắn hạn và dài hạn

- Dung môi và chất trợ tạo an toàn hơn: sử dụng các chất phụ trợ như dung môi hoặc chất tách khi thật cần thiết và nếu dùng nên sử dụng các chất không có tính độc hại

- Thiết kế cho hiệu suất năng lượng: các quá trình hóa học phải được tính toán để tác động năng lượng đối với kinh tế và môi trường thấp nhất Nếu có thể, tất cả các phản ứng nên được tiến hành ở nhiệt độ và áp suất bình thường

- Sử dụng nguồn nguyên liệu tái sinh: nguyên liệu dùng cho các quá trình hóa học nên tái sử dụng hơn là loại bỏ khi đáp ứng được về mặt kinh tế và kỹ thuật

- Giảm các chất phát sinh: cần phải giảm thiểu hoặc tránh sử dụng các dẫn xuất không cần thiết vì các bước đó cần chất phụ gia hoặc tạo ra chất thải

- Sử dụng xúc tác: xúc tác tốt hơn các chất trong phương trình tỷ lượng, sự có mặt của xúc tác sẽ giảm lượng hóa chất cần sử dụng

- Thiết kế để phân hủy: thiết kế sản phẩm để sau sử dụng có thể phân hủy hoặc không tồn tại trong môi trường

- 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 trong quá trình

- An toàn và phòng ngừa tai nạn: 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

III An toàn và phòng ngừa tai nạn.

Hiện nay, các hợp chất hóa học ngày càng được ứng dụng rộng rãi, vì vậy việc tạo ra các hợp chất thân thiện môi trường luôn được ưu tiên trên toàn thế giới Các hợp chất phải đáp ứng được các yêu cầu khắt khe về an toàn và phòng ngừa tai nạn Trước đây, các hợp chất chống cháy

có chứa các dẫn xuất của halogen gây độc hại cho sức khỏe con người và môi trường Vì vậy, các chất này dần được hay thế bằng các hóa chất không độc hại

Công ty Solberg đã nghiên cứu thành công bọt chữa cháy tốt hơn và thân thiện với môi trường có tên RE-HEALING bằng cách pha trộn chất hoạt động bề mặt với đường so với bọt chống cháy truyền thống làm từ bọt có nồng độ cao của flo Thành công này đã loại bỏ chất hoạt động bề mặt đã flo hóa trong bọt chống cháy có khả năng phân hủy thấp, tích tụ sinh học và độc hại, hay chất hoạt động bề mặt đã flo hóa ít độc hại nhưng vẫn tồn tại lâu trong môi trường Hợp chất này đã được chứng nhận đáp ứng tất cả các tiêu chí thực hiện chữa cháy cần thiết Các hợp chất chống cháy được ứng dụng rộng rãi trong các ngành: sản xuất vỏ, dây cáp điện, quần áo tiêu dùng, ngành hàng dệt kỹ thuật, trong các bo mạch điện tử, đồ nội thất, thảm trải sàn ghế, kết cấu nhựa trong giao thông đường sắt, đường bộ, hàng hải,… Mặc dù các hợp chất chống cháy không chứa halogen không độc hại với môi trường và con người, nhưng nó yêu cầu hàm lượng cao để đạt hiệu quả (chỉ số oxy giới hạn cao LOI, UL94…), đặc biệt là vật liệu vô cơ ATH / MDH, dẫn đến hiệu suất cơ học kém và các vấn đề xử lý khác

Chất chống cháy trên cơ sở Photpho là tăng trưởng nhanh nhất Alumina Trihydrat (ATH)

là chất chống cháy sử dụng rộng rãi nhất trên thế giới trong năm 2013, chiếm gần một phần ba số tiêu thụ toàn cầu Các chất chống cháy halogen hóa, đại diện bởi các sản phẩm bromine và chlorine đang được loại bỏ trên toàn cầu do các rủi ro về sức khỏe và môi trường, tạo cơ hội cho các nhà cung cấp chất chống cháy thay thế để thay thế chúng

Chất chống cháy là chất có thể gây trì hoãn hoặc ức chế khả năng lây lan của ngọn lửa bằng cách ngăn cản các phản ứng hóa học tạo ra sự cháy hoặc do hình thành một lớp bảo vệ trên

bề mặt của vật liệu Các chất chống cháy có hiệu quả phải đạt được một trong những mục tiêu sau đây:

 Tăng nhiệt độ bắt cháy của vật liệu

 Làm giảm tỷ lệ giải phóng nhiệt

 Làm giảm sự phát triển của ngọn lửa

 Làm giảm lượng khói sinh ra

Các phụ gia chống cháy có nhiệm vụ chính là ngăn cản và dập tắt quá trình cháy thông qua các

cơ chế sau:

3

- Tạo lớp bảo vệ trên bề mặt pha rắn: Các phụ gia chống cháy sẽ giúp hình thành lên một lớp bảo vệ bằng cacbon, lớp bảo vệ này sẽ hình thành một lớp cách nhiệt và ngăn cản sự tiếp xúc của

bề mặt polymer với oxi

- Dập tắt gốc tự do hoạt động trên pha khí: Trong quá trình cháy, các phần polymer sẽ tương tác với oxi và các chất nhạy phản ứng dể tạo ra các gốc tự do của oxi, hydroxy và hydro Những phụ gia có chứa halogen và photpho có thể tác dụng với các gốc tự do này để tạo ra các chất ít hoạt động nhằm ngăn cản quá trình cháy

Phân loại chất chống cháy:

- Chất chống cháy halogen: Là chất chống cháy có chứa clo hoặc brom, đây là nhóm chất có thị trường lớn nhất hiện nay xét trên giá trị Các chất chống halogen làm gián đoạn khả năng duy trì ngọn lửa bằng các axit như HCl hay HBr ở dạng khí Một số chất chống cháy phổ biến như Decabromodiphenyl oxit (DECA), Tetrabromobisphenol A (TBBA), Hexabromocyclododecane (HBCD), TBBA-bis-(2,3-dibromopropyl ete)…

- Chất chống cháy hydrat kim loại: Nhóm sản phẩm này không mang lại rủi ro về sức khỏe, môi trường, vì vậy có thể gọi là chất chống cháy thân thiện môi trường Chất chống cháy hydrate kim loại bao gồm trihydroxit nhôm (ATH) (loại này ứng dụng cho nhiều loại nhựa nhiệt dẻo và nhiệt rắn

- Chất chống cháy photpho: Là loại chất chống cháy có chứa photpho bao gồm polyphotphat amoni (APP), photpho đỏ, photphat hữu cơ và photphonat, choroaliphatic Chúng làm chậm quá trình lây lan của ngọn lửa Các hợp chất này có cơ chế chống cháy khá phức tạp, gần như mang cả tính chất của chất chống cháy halogen với các hoạt động ức chế ngọn lửa bằng pha khí và cơ chế của hydrate kim loại với khả năng ngưng tụ hơi dập ngọn lửa hoặc tạo lớp tinh thể bảo vệ vật liệu nền Khối lượng lớn nhất của chất phụ gia chống cháy phopho là photphat este, ngoài ra cũng phải kể đến resorcinol diphotphat (RDP) và bisphenol A diphotphat (BDP), chúng được sử dụng rộng rãi trong PVC, ABS/PC và PPO Dưới đây là biểu đồ thể hiện nhu cầu của thị trường đối với chất chống cháy:

Hợp chất photpho

Hợp chất photpho đang ngày càng phổ biến để lựa chọn thay thế cho các chất chống cháy halogen hóa trong các sản phẩm điện Bao gồm:

 Phosphine oxide

 Triphenyl phosphine oxide

 Inorganic phosphates

 Aryl phosphates such as bisphenol A bis (diphenyl phosphate)

 The organophosphates

 Phosphinates and phosphonates

 Halophosphates and halophosphonates

Cơ chế chống cháy: Hình thành một lớp bề mặt rắn là hợp chất của photpho, và trong một số trường hợp đặc biệt đã làm gián đoạn chuỗi gốc tự do trong pha khí

Chất chống cháy có chứa photpho chủ yếu hoạt động trong pha rắn của polyme Các chất chống cháy chuyển thành axit photphoric bởi quá trình phân hủy nhiệt, và nước được giải phóng

từ các chất nền trong pha rắn

Một lớp bảo vệ được phát triển bởi axit polyphotphoric hình thành và than hóa sau đó Các lớp bảo vệ bao gồm mạng lưới của cacbon và oxitphotpho

Cụ thể, các chất chống cháy photpho như photphinat kim loại cũng có thể hoạt động trong pha khí bởi sự hình thành của gốc tự do P* và PO* làm gián đoạn các cơ chế chuỗi gốc tự do của quá trình cháy

Một số chất chống cháy chứa photpho:

5

- Resorcinol bis (diphenyl phosphate) (RDP): được sử dụng chủ yếu để chống cháy cho

blend PC/ABS

- Triaryl phosphates: được sử dụng cho một số ứng dụng trong nhựa nhiệt dẻo

- 9,10-Dihydro-9-oxa-10-phosphaphenanthrene-10-oxide (DOPO): được sử dụng trong sợi polyeste và trong các bo mạch in

- Trischloropropyl phosphate (TCCP): được sử dụng chủ yếu trong xốp dẻo polyuretan

- Ammonium polyphosphate (APP): được ứng dụng trong Sản phẩm sơn chống cháy, PP và nhựa nhiệt rắn như PEKN

- Photpho đỏ: được sử dụng hầu hết trong polyamit

Aluminium Trihydroxit (Alumina Trihyrat, ATH):

Hydroxit kim loại là hợp chất thay thế quan trọng cho chất chống cháy halogen hóa ATH

là chất chống cháy được sử dụng phổ biến nhất cho chất dẻo ATH phân hủy khi nung ở 1900C theo phản ứng:

ATH ức chế quá trình cháy bằng cách loại bỏ nhiệt từ hệ thống Các phản ứng phân hủy là thu nhiệt, nó cũng tạo ra hơi nước làm loãng khí dễ cháy sinh ra bởi sự phân hủy của polymer Cơ chế thứ ba là sự hình thành oxit nhôm hấp thụ một số chất khí dễ cháy, dễ bay hơi, giảm khói ATH chỉ có hiệu quả chống cháy và ức chế khói khi dùng với lượng lớn (thường là 50% nhưng đôi khi hơn 100 phần khối lượng) Nó đã được sử dụng thành công với acrylic nhiệt rắn, epoxy và PEKN, copolymer etylen trong vỏ bọc cáp, PVC, LDPE, EVA và cao su khác nhau, bao gồm cả EPDM, kẽm borat làm tăng thêm hiệu quả của nó ATH hoạt động tốt với các polyme phân cực nhưng không bám dính tốt với PP, do đó cần biến tính bề mặt với silan hoặc với muối titanat Một cách khác là chức hóa PP bằng cách ghép một monome acrylic lên đó

Magie Hydroxit:

Magie Hydroxit (MGH) được biết đến như là một chất chống cháy kể từ năm 1964, nhưng chỉ được sử dụng lượng lớn trong thương mại kể từ 10 năm trở lại đây Nó bị phân hủy khi gia nhiệt đến 3400C, tạo ra hơi nước và cũng được sử dụng theo cách giống như ATH với một lượng lớn Mặc dù nhiệt độ phân hủy của nó cao hơn cho phép sử dụng trong những polymer không phù hợp với ATH, nhưng nó bị hút ẩm và hấp thụ cacbondioxit từ không hí tạo thành một lớp bề mặt của magie cacbonat

Borat:

Borat và axit boric đã được sử dụng như chất chống cháy trong nhiều năm trong gỗ, giấy

và xốp polyuretan Kẽm borat đã được sử dụng trong ngành công nghiệp nhựa để thay thế cho trioxit antimon như một chất hỗ trợ trong 25 năm qua Khi kết hợp với ATH nó có kết quả có lợi việc giảm khói phát sinh có thể đạt được bằng cách sử dụng kẽm borat để thay thế antimon trioxit trong một số trường hợp Nó bắt đầu bị mất nước ở 1900C Một loại kẽm borat khan có thể dùng trong nhựa nhiệt độ cao Cơ chế hoạt động của kẽm borat bao gồm:

 Phản ứng khử nước thu nhiệt

 Hình thành lớp bảo vệ trong polyme halogen hóa với việc sinh ra axit boric

 Ổn định lớp bảo vệ trong polyme halogen hóa

 Hình thành một lớp cách nhiệt khi sử dụng kết hợp với ATH

Kẽm borat có thể được kết hợp với graphit tróc lớp để giảm khói phát sinh trong polyolefin

Hợp chất nito:

Hợp chất nito hiện tại không được ứng dụng rộng rãi làm chất chống cháy Được biết đến nhiều nhất là melamin Melamin photphat được sử dụng kết hợp với các hợp chất photpho Melamin diborat được sử dụng trong polyme epoxy và melamin xyanua trong polyamit Một số hợp chất có chứa cả nito và photpho hiện đang được nghiên cứu, chẳng hạn như các sản phẩm phản ứng từ tri(diethanolaminemethyl) melamine và axit ortophotphoric Melamin là một chất chống cháy tương đối rẻ và hoạt động theo cơ chế:

 Thăng hoa ở 350oC và quá trình này thu nhiệt mạnh

 Hơi melamin làm loãng hơi dễ cháy

 Khi melamin cháy nó tạo thành nito

 Melamin có thể phân ly trong pha hơi để tạo thành xianamit

 Cả melamin và xianamit có thể phân hủy để cung cấp amoniac, là chất không duy trì cháy

Một số hợp chất chống cháy chứa nito quan trọng: Melamine poly (zinc- or aluminum) phosphates: có tác dụng hỗ trợ với photphinat kim loại trong polyamit và PBT cũng như ATH và magie hydroxit trong các ứng dụng dây cáp Melamin xyanua(MC): được sử dụng trong polyamit

6 và 66; melamin: được sử dụng chính trong chống cháy cho xốp dẻo polyuretan để bọc nội thất gia đình cũng như bọ ghế ngồi trong tàu hỏa và máy bay; Melamine polyphosphate (MPP): được

sử dụng trong polyamit 6 và 66 gia cường bằng sợi thủy tinh Cùng với photphinat kim loại nó cho tác dụng hỗ trợ

Thiếc: Hợp chất của thiếc đã được sử dụng làm chất chống cháy trong 15 năm qua Có hơn

hàng chục chất dã được thử thành công, nhưng có 3 chất quan trọng nhất là zinc hydroxystannate, zinc stannate and kẽm oxit Tất cả chũng đều ít độc Kẽm stannat được sử dụng trong các polyme được gia công ở nhiệt độ hơn 1800C Ứng dụng chính là thay thế trioxit antimon như một chất hỗ trợ trong các hệ thống chứa halogen

IV Kết luận.

Các nguyên tắc hóa học đã được áp dụng trong nghiên cứu ứng dụng công nghiệp khác nhau đã rất thành công với mục tiêu giảm thiểu tiêu thụ năng lượng, sản phẩm ít độc hại và chất thải tối thiểu Những tiến bộ này đã góp phần quan trọng vào sự an toàn và sức khỏe của người lao động làm việc trực tiếp sản xuất trong các ngành công nghiệp hóa chất, những người tham gia

7

vận chuyển, phân phối các sản phẩm và người tiêu dùng Việc áp dụng hóa học xanh đã tìm thấy con đường cắt giảm tiêu thụ năng lượng, hoặc bằng cách thay đổi các quy trình, hoặc thông qua việc sử dụng các xúc tác mới Việc này không chỉ mang lại lợi ích kinh tế mà quan trọng là giảm các vấn đề môi trường

Hóa học xanh đặt vấn đề đổi mới trong thiết kế các sản phẩm công nghiệp đối với quá trình

sử dụng và sau chu kỳ sống hữu ích Đây là thay đổi rất quan trọng đối với mục tiêu phát triển bền vững Hóa học xanh thông qua việc thiết kế và lựa chọn các phương pháp tổng hợp tốt hơn làm cho kỹ thuật sản xuất sạch hơn và các sản phẩm tiêu dùng ít độc hơn từ thuốc trừ sâu, phân bón, chất đàn hồi, nhựa, thuốc chữa bệnh, thuốc thử phân tích và sản phẩm thương mại khác Các tập đoàn công nghiệp lớn hiện nay đều quan tâm tập trung cho sản xuất các sản phẩm an toàn, thân thiện hơn cho môi trường