Bài 1: Một số lý luận về Hoá học Xanh

Hóa học xanh đã được ghi nhận về giảm thiểu lượng chất thải hóa học thải ra môi trường

Hóa học xanh đã tồn tại được hai thập kỷ và nó đã tạo ra sự khác biệt thực sự trong thế giới của chúng ta. Thị trường toàn cầu về hóa học xanh được dự đoán sẽ tăng theo cấp số nhân trong những năm tới, đạt 98,5 tỷ đô la vào năm 2020. Đã có hàng ngàn bài báo khoa học viết về chuyên ngành non trẻ này. Tại hơn 30 quốc gia trên thế giới đều đã hình thành những mạng lưới nghiên cứu về hóa học xanh với ít nhất bốn tạp chí khoa học quốc tế mới.

Hóa học xanh đã được ghi nhận về giảm thiểu lượng chất thải hóa học thải ra môi trường và tạo nên các lĩnh vực nghiên cứu mới như: dung môi xanh, sự chuyển đổi và vật liệu dựa trên sinh học, năng lượng thay thế, tự lắp ráp phân tử, thiết kế xúc tác thế hệ tiếp theo và thiết kế phân tử nhằm giảm rủi ro. Một số báo cáo về ngành công nghiệp đã dự báo hóa học xanh là tương lai của tất cả ngành hóa học.

1.1 Khái niệm và mục đích của hóa học xanh

Hóa học xanh là thiết kế các sản phẩm và quy trình hóa học nhằm giảm thiểu hoặc loại bỏ việc sử dụng hoặc phát sinh các chất độc hại. Hóa học xanh áp dụng cho suốt vòng đời của một sản phẩm hóa học; sử dụng nhiều hơn các nguyên liệu tái tạo và bền vững, sử dụng và xử lý sản phẩm thải bỏ sau sử dụng. Do vậy, hóa học xanh cũng có thể được coi là hóa học bền vững.

Mục tiêu của hóa học xanh là giảm nguồn ô nhiễm do ngăn ngừa sự phát sinh ô nhiễm; giảm tác động tiêu cực của các sản phẩm và quy trình hóa học đối với sức khỏe con người và môi trường; giảm bớt hoặc loại bỏ rủi ro của các sản phẩm và quy trình hiện có; giảm thiểu các mối rủi ro nội tại của chúng. Hóa học xanh ngăn ngừa ô nhiễm ở cấp độ phân tử, nó không phải là một bộ môn hóa học duy nhất mà là một triết lý áp dụng cho tất cả các lĩnh vực hóa học. Hóa học xanh áp dụng các phát minh mới nhất, ưu việt nhất về thiết kế các sản phẩm và quy trình hóa học nhằm đạt được việc sử dụng tiết kiệm nguồn tài nguyên, bảo tồn năng lượng và giảm thiểu sử dụng các tác nhân hóa học tham gia phản ứng và chất thải độc hại; áp dụng các giải pháp khoa học sáng tạo mới nhất về các vấn đề môi trường trong thế giới thực, tạo ra các sản phẩm không ảnh hưởng đến sức khỏe con người và thân thiện môi trường.

Như vậy hóa học xanh là động lực thúc đẩy các nhà nghiên cứu khoa học, các kỹ sư công nghệ nỗ lực trong công tác nghiên cứu nhằm tìm ra các giải pháp tối ưu cũng như đổi mới trong thiết kế, phát triển các sản phẩm mới, các quá trình hóa học như: thay thế các tác nhân phản ứng hóa học độc hại bằng các tác nhân dễ phân hủy, thân thiện môi trường; tổng hợp các hợp chất xúc tác kiểu mới nhằm nâng cao hiệu xuất phản ứng, giảm thiểu sản phẩm phụ và tiết kiệm năng lượng; nghiên cứu tìm kiếm các quá trình sinh hóa sử dụng xúc tác sinh học (enzyme) thay thế các quá trình hóa học thuần túy…

Hóa học xanh có thể được đánh giá thông qua việc sử dụng các số liệu. Hiện tại chưa có một bộ số liệu thống nhất, nhưng cũng đã có nhiều đề xuất để định lượng các quá trình và sản phẩm xanh hơn như: các số liệu về khối lượng, năng lượng; giảm hoặc loại bỏ chất độc hại và các tác động môi trường trong suốt vòng đời sản phẩm.

1.2 Quá trình hình thành và phát triển hóa học xanh

Hóa học xanh được khởi xướng vào những năm 1990 và được xây dựng dựa trên nền tảng của những tiến bộ khoa học kỹ thuật trong các lĩnh vực và chuyên ngành hóa đã sẵn có trước đây như: xúc tác, tổng hợp tiết kiệm nguyên tử, các vật liệu có khả năng dễ phân hủy và dung môi thay thế. Ngay từ khi hóa học xanh mới được thành lập, đã có nhiều mối quan ngại về các tác động bất lợi tiềm ẩn đối với sức khỏe con người và môi trường từ các quy trình, sản phẩm phụ, chất thải, ô nhiễm và hóa chất công nghiệp trong hoạt động sống hàng ngày của con người. Các thành viên của cộng đồng hóa học đã thống nhất xung quanh một mục tiêu chung về thiết kế các sản phẩm hóa học và quy trình nhằm giảm thiểu hoặc loại bỏ việc sử dụng và tạo ra các chất độc hại.

Vào những năm 1990, Hoa Kỳ đã thông qua một Đạo luật Phòng ngừa Ô nhiễm, đánh dấu sự thay đổi về chính sách điều tiết: từ kiểm soát ô nhiễm sang phòng ngừa ô nhiễm, đây là một chiến lược hiệu quả nhất đối với việc xử lý các vấn đề môi trường và đã được Quốc hội tuyên bố là chính sách quốc gia của Hoa Kỳ. Theo Đạo luật này thì “Giảm nguồn ô nhiễm” là giảm lượng chất độc hại, chất gây ô nhiễm hoặc chất gây ô nhiễm xâm nhập vào bất kỳ dòng chất thải nào hoặc thải ra môi trường (bao gồm cả khí thải) trước khi tái chế, xử lý hoặc thải bỏ; giảm thiểu các mối nguy hại đối với sức khỏe cộng đồng và môi trường liên quan đến việc giải phóng chất ô nhiễm hoặc chất gây ô nhiễm.

"Giảm nguồn ô nhiễm" cũng còn được hiểu là: sửa đổi thiết bị hoặc công nghệ; sửa đổi quy trình hoặc thủ tục; sửa đổi, cải tổ hoặc thiết kế lại sản phẩm; thay thế nguyên liệu; những cải tiến trong công tác vệ sinh, bảo trì, đào tạo hoặc kiểm soát hàng tồn kho. Một hệ thống phân cấp phòng ngừa ô nhiễm được thiết lập theo đó thì ô nhiễm nên được ngăn chặn hoặc giảm thiểu tại nguồn ô nhiễm, nếu không thể ngăn chặn được thì nên được tái chế theo cách an toàn với môi trường; việc xử lý hoặc thải ra môi trường chỉ nên được sử dụng như là phương sách cuối cùng và nên được thực hiện theo cách an toàn với môi trường.

Như vậy, hóa học xanh nhằm mục đích thiết kế và sản xuất các sản phẩm và quy trình hóa học cạnh tranh chi phí đạt mức cao nhất trong hệ thống phân cấp phòng ngừa ô nhiễm bằng cách giảm nguồn ô nhiễm. Hệ thống phân cấp phòng ngừa ô nhiễm trong tạo dựng và sử dụng hóa học xanh gồm:

- Giảm thiểu nguồn ô nhiễm và phòng ngừa các rủi ro hóa học: thiết kế các sản phẩm hóa học ít nguy hiểm cho sức khỏe con người và môi trường; sản xuất các sản phẩm hóa học từ nguyên liệu, các tác nhân phản ứng và dung môi ít gây tác hại cho sức khỏe con người và môi trường; thiết kế tổng hợp và các quá trình khác với giảm thiểu hoặc thậm chí không có chất thải hóa học, sử dụng ít năng lượng hơn hoặc ít nước hơn; sử dụng nguyên liệu có nguồn gốc từ tài nguyên tái tạo hàng năm hoặc từ nguồn chất thải dồi dào; thiết kế các sản phẩm hóa học để tái sử dụng hoặc tái chế và tái sử dụng hoặc tái chế hóa chất.

- Xử lý hóa chất để làm cho chúng thành các hóa chất ít gây tác hại cho sức khỏe con người và môi trường trước khi thải bỏ như: các loại hóa chất ít gây độc hại hơn cho sinh vật, ít gây tổn hại đến hệ sinh thái, không liên tục hoặc tích lũy sinh học trong sinh vật hoặc môi trường, xử lý và sử dụng an toàn hơn vì chúng không dễ cháy hoặc nổ

- Thải bỏ hóa chất chưa được xử lý phải an toàn chỉ được phép khi các lựa chọn khác không khả thi.

Năm 1995, Cơ quan Bảo vệ Môi trường Hoa Kỳ (EPA) đã lập ra Giải thưởng Thử thách Hóa học Xanh của Tổng thống hàng năm là một nền tảng để thúc đẩy nhận thức về hóa học xanh.

Năm 1997, Đại học Massachusetts tại Boston đã thành lập chương trình đào tạo tiến sĩ đầu tiên về lĩnh vực hóa học xanh. Cũng vào năm này, Tiến sĩ Joe Breen và nhà hóa học Dennis Hjeresen hợp tác với EPA đồng sáng lập ra Viện Hóa học Xanh (GCI). Đây là một tổ chức phi lợi nhuận độc lập với một đội ngũ nhân viên cống hiến riêng cho hoạt động vì sự tiến bộ của hóa học xanh.

Năm 1998 Paul Anastas và John C. Warner là đồng tác giả của cuốn sách mang tính đột phá Hóa học xanh: Lý thuyết và thực hành trong đó đề xuất 12 nguyên tắc về Hóa học xanh, thúc đẩy các nhà khoa học lý thuyết và công nghiệp vào thời điểm đó và tiếp tục hướng dẫn phong trào hóa học xanh.

Năm 2005, phong trào Hóa học Xanh đã nổi tiếng khi ba nhà khoa học: Yves Chauvin của Pháp, Robert Grubbs và Richard Schrock của Hoa Kỳ được nhận giải thưởng hóa học Nobel do đơn giản hóa quá trình tổng hợp các hợp chất carbon.

Năm 2008, đã đánh dấu một cột mốc Hóa học Xanh khác, khi Thống đốc bang California, Arnold Schwarzenegger, ủng hộ luật pháp thắt chặt các hạn chế các hóa chất độc hại đối với hàng hóa gia dụng. Năm 2013 Luật về Sản phẩm tiêu dùng an toàn của tiểu bang có hiệu lực và năm 2014 bước đầu 164 hóa chất được nhằm mục tiêu để xem xét kỹ.

1.3 Những nguyên tắc chủ yếu về hóa học xanh

Những nguyên tắc này thể hiện bề rộng của khái niệm hóa học xanh:

i. Ngăn ngừa chất thải: Thiết kế tổng hợp hóa học để ngăn chặn chất thải. Không để lại chất thải để xử lý hoặc làm sạch.

ii. Tối ưu hóa tiết kiệm nguyên tử: phát triển tổng hợp sao cho sản phẩm cuối cùng chứa tỷ lệ tối đa của nguyên liệu ban đầu. Ít hoặc không lãng phí nguyên tử.

iii. Thiết kế các quá trình tổng hợp hóa học ít độc hại hơn: phát triển các quá trình tổng hợp để sử dụng và tạo ra các chất có ít hoặc không có độc tính đối với con người hoặc môi trường.

iv. Thiết kế các hóa chất và sản phẩm an toàn hơn: Phát triển các sản phẩm hóa học có hiệu quả cao nhưng có ít hoặc không có độc tính.

v. Sử dụng dung môi và điều kiện phản ứng an toàn hơn: tránh sử dụng dung môi, các hóa chất tách hoặc các hóa chất phụ trợ khác. Nếu cần phải sử dụng các hóa chất này thì phải sử dụng chúng một cách an toàn hơn.

vi. Tăng cường hiệu quả sử dụng năng lượng: thực hiện các phản ứng hóa học ở nhiệt độ và áp suất phòng bất cứ khi nào có thể.

vii. Sử dụng nguyên liệu có khả năng tái tạo: Sử dụng nguyên liệu ban đầu (còn được gọi là nguyên liệu) có khả năng tái tạo thay vì làm cạn kiệt. Nguồn nguyên liệu tái tạo thường là nông sản hoặc chất thải của các quá trình khác; nguồn nguyên liệu thô cạn kiệt thường là nhiên liệu hóa thạch (dầu mỏ, khí đốt tự nhiên hoặc than đá) hoặc các hoạt động khai thác mỏ.

vii. Tránh phát sinh các hóa chất phụ. Tránh sử dụng các nhóm chặn hoặc bảo vệ hoặc bất kỳ cải biến tạm thời nào nếu có thể. Các dẫn xuất sử dụng các chất phản ứng bổ sung và tạo ra chất thải.

ix. Sử dụng chất xúc tác, không phải các chất phản ứng cân bằng hóa học: Giảm thiểu chất thải bằng cách sử dụng các phản ứng xúc tác. Chất xúc tác có hiệu quả với lượng nhỏ và có thể thực hiện nhiều lần cho cùng một phản ứng. Chúng thích hợp hơn là các chất phản ứng cân bằng hóa học, được sử dụng dư và chỉ thực hiện một lần cho một phản ứng.

x. Phát triển các hóa chất và sản phẩm có thể phân hủy sau khi sử dụng: phát triển các sản phẩm hóa học có thể phân hủy thành các chất vô hại sau khi sử dụng để chúng không được tích tụ trong môi trường.

xi. Phân tích theo thời gian thực tế để ngăn ngừa ô nhiễm: Bao gồm theo dõi, kiểm soát quá trình tổng hợp trong quá trình, theo thời gian thực tế để giảm thiểu hoặc loại bỏ sự hình thành các sản phẩm phụ.

xii. Giảm thiểu tiềm năng xảy ra tai nạn: Phát triển các hóa chất và các dạng vật lý của chúng (rắn, lỏng hoặc khí) để giảm thiểu khả năng xảy ra tai nạn hóa học bao gồm nổ, cháy và thải ra môi trường.

1.4 Sự khác biệt giữa Hóa học xanh khác với làm sạch ô nhiễm

Các tiêu chí về Hóa học Xanh là giảm ô nhiễm tại nguồn bằng cách giảm thiểu hoặc loại bỏ các mối nguy hại từ nguyên liệu hóa học, chất phản ứng, dung môi và sản phẩm.

Điều này không giống như làm sạch ô nhiễm (còn gọi là khắc phục), bao gồm xử lý các dòng chất thải (xử lý cuối đường ống) hoặc dọn sạch các sự cố tràn môi trường và các bản phát thải khác. Khắc phục có thể bao gồm tách hóa chất độc hại khỏi các vật liệu khác, sau đó xử lý chúng để chúng không còn nguy hại hoặc cô đặc chúng để xử lý an toàn. Hầu hết các hoạt động khắc phục không liên quan đến hóa học xanh. Khắc phục loại bỏ các vật liệu nguy hiểm khỏi môi trường; mặt khác, hóa học xanh giữ các vật liệu nguy hại không phát thải ra khỏi môi trường ngay từ đầu.

Nếu một công nghệ làm giảm hoặc loại bỏ các hóa chất độc hại được sử dụng để làm sạch các chất gây ô nhiễm môi trường, công nghệ này sẽ đủ điều kiện là công nghệ hóa học xanh. Thí dụ, thay thế một chất hấp thụ hóa học nguy hiểm được sử dụng để thu thủy ngân từ không khí để xử lý an toàn bằng một chất hấp thụ hiệu quả, nhưng không gây hại. Sử dụng chất hấp thụ không gây hại có nghĩa là không sản xuất ra các chất hấp thụ nguy hiểm và vì vậy công nghệ khắc phục đáp ứng tiêu chí của hóa học xanh.

TS. Trần Hữu Bưu - Phó TBT Tạp chí Công nghiệp môi trường

Nguồn: www.epa.gov/greenindustry; www.acs.org; Quyết định số 1393/QĐ-TTg ngày 25 tháng 09 năm 2012 Phê duyệt “Chiến lược quốc gia về tăng trưởng xanh thời kỳ 2011- 2020 và tầm nhìn đến năm 2050”.