Green Chemistry (Hóa Học Xanh)

Một thế giới không hóa chất và không công nghiệp hóa học có lẽ sẽ đỡ bị ô nhiễm hơn, nhưng như thế cũng có nghĩa là một thế giới không thuốc men, không ô -tô, xe đạp (do thiếu xăng hoặc bánh xe…), không giấy cũng không mực, không vật liệu tổng hợp, tức là không điện thoại, không máy tính, cũng chẳng phim ảnh (vì không có nhựa…). Danh sách sẽ còn tiếp tục kéo dài. Vì vậy, đã từ khá lâu rồi, người ta nuôi tham vọng gìn giữ hoặc phát triển những yếu tố tích cực nhất của ngành hóa học trong khi tìm cách giảm dần hoặc loại bỏ những yếu tố “tiêu cực” của nó.

Theo phương hướng đó, vào cuối những năm chín mươi, nhà hóa học Mỹ Paul Anastas đã đề xuất 12 nguyên tắc chính của công nghiệp hóa học “xanh” green chemistry mà ngày nay được cả thế giới biết đến. Có thể tóm tắt các nguyên tắc đó trong việc hạn chế từ gốc việc gây ô nhiễm môi trường, sử dụng những phương pháp sản xuất ít nguy hiểm, tiết kiệm năng lượng, giảm sinh ra chất thải, tăng cường sử dụng những nguyên liệu có khả năng tái chế được, sản xuất ra những sản phẩm mới, có ít hoặc không có tính độc hại với năng suất và giá thành tương đương, có quy trình kiểm soát toàn bộ “vòng đời” của sản phẩm hóa học trước khi nó được đưa ra thị trường…

Để tưởng thưởng những xí nghiệp công nghiệp có những đổi mới theo hướng tích cực đó, nước Pháp mới đây đã lập ra giải thưởng mang tên Pierre -Potier (để kỷ niệm người đã phát minh ra loại thuốc Taxotère có tác dụng chống ung thư chế từ một loại cây thông có tên tiếng Pháp là “if” (cây if thường được trồng làm hàng rào, có thể cao tới 15 mét, trái nhỏ màu đỏ). Một trong số các xí nghiệp được trao giải thưởng đã sáng chế ra một loại nước sơn mới dùng để kẻ các tín hiệu trên các trục đường giao thông, là một hỗn hợp bao gồm chất thải của công nghiệp làm giấy, nhựa thông và dầu thực vật, thay thế cho loại sơn cũ vốn được chế từ nhựa dầu mỏ. Các xí nghiệp khác thì cho ra loại sơn nước không cần dung dịch hòa tan; quy trình tổng hợp nylon không chất thải; nhựa có khả năng tái chế được làm từ dầu hạt cây trẩu (ricin) dùng trong các ống dẫn khí đốt thiên nhiên…

 Ngày nay, hóa xúc tác là một lĩnh vực nghiên cứu đầy hứa hẹn, có tác dụng đẩy nhanh tốc độ của các phản ứng hóa học, kết quả là giảm được việc sinh ra những sản phẩm phụ không cần thiết hoặc giảm lượng chất thải độc hại, và nhờ vậy tiết kiệm được nguyên liệu và năng lượng… ở Pháp có khoảng 25 trung tâm nghiên cứu thí nghiệm chuyên về chất xúc tác. Một cực nghiên cứu nữa là việc sử dụng các sản phẩm nông nghiệp hoặc sinh khối (biomasse) vào những ứng dụng không phải là thực phẩm. Trong lĩnh vực này, Viện nghiên cứu Nông nghiệp quốc gia Pháp (INRA) đã cho ra đời nhiều sản phẩm “xanh” như hoạt chất tẩy rửa làm từ cây cải hạt dầu (colza), màu thực phẩm làm từ trái táo, nhựa làm từ tinh bột các loại ngũ cốc (bioplastique)…

Một số lĩnh vực hóa học nữa cũng đang phát triển mạnh mẽ là công nghệ nano, động cơ siêu nhỏ (micro-réacteur), hóa phân tích và ngành écotoxicologie (nghiên cứu các yếu tố độc hại đối với môi trường). Theo dự báo, trong 10 năm tới, hóa học xanh sẽ chiếm tới 30% sản lượng công nghiệp hóa chất của nước Pháp, so với 10% hiện nay…

Tiếp theo là bài viết của Giáo sư James Clark (University of York) bàn về xu hướng phát triển của Hóa học trong tương lai sắp đến. Bài báo được đăng trên Nature chemistry số tháng 4 năm 2009 và Shindo mạn phép dịch lại để giới thiệu với mọi người Thập niên 90 của thế kỷ trước là thời điểm các nghiên cứu về việc phát triển các quy trình thân thiện với môi trường thay cho việc sử dụng các hóa chất độc hại từ đó đã làm xuất hiện một khái niệm mới là Hóa học xanh. Điều này càng được thúc đẩy do nhận thức của con người về tác hại của rác thải công nghiệp ngày càng tăng lên và việc cần thiết phải xử lý các chất thải hóa học của chính phủ. Thông qua việc kết hợp giữa việc siết chặt luật pháp, mục tiêu nghiên cứu và nhận thức về cách vận hành quy trình tốt nhất thì lĩnh vực Hóa học xanh đã có những bước tiến nhanh chóng và giúp có được một nhận thức rõ ràng hơn về công nghệ sạch. Chẳng hạn sự phân tách các chất thải hiện đã được thực hiện dễ dàng bằng cách dùng cacbon dioxit siêu tới hạn, các dung môi hữu cơ độc hại dễ bay hơi nay đã được thay thế bằng các dung môi là chất lỏng ion khó bay hơi cùng với việc đưa vào sử dụng các tác nhân và xúc tác dị thể để tránh việc sử dụng các quá trình hòa tan vốn độc hại, gây khó khăn cho việc tách và tinh chế.

Sự quan trọng của việc giới thiệu các chuẩn mới để xác định độ “xanh” của một quy trình (nhất là trong ngành công nghiệp dược) cũng đã bắt đầu được tiến hành. Một trong số những chỉ số xưa nhất và được dùng nhiều nhất – nhân tố E (E factor) – thể hiện tỉ lệ giữa chất thải trên tổng lượng sản phẩm đã cho thấy rõ sự lãng phí hóa chất trong các quá trình hóa học. Những sự đánh giá gần đây hơn cho thấy sự cần thiết của việc khảo sát một tập hợp rộng lớn hơn các số liệu qua một chu trình sống của sản phẩm.

Các quy định về lập pháp, kinh tế và xu hướng phát triển xã hội đã ảnh hưởng đến toàn bộ các giai đoạn trong chu trình sống của một sản phẩm của ngành công nghiệp hóa học. Với dầu, hóa chất thô quan trọng của ngành công nghiệp hóa học hiện đã bắt đầu tiến hành giảm dần trữ lượng và đánh dấu các biến động giá cả, tuy nhiên trong thế giới thực thì phải đối diện với các vấn đề phức tạp hơn. Việc khai thác đến cạn kiệt các nguồn tài nguyên quan trọng cùng với việc giá cả tăng lên đã ảnh hưởng đến sự tồn vong của ngành công nghiệp hóa học. Ở một phía khác của chu trình sống thì áp lực từ công chúng cũng như từ các tổ chức phi chính phủ đã dẫn đến sự tăng theo hàm mũ sự tập trung của hiến pháp đến các sản phẩm (đáng kể nhất là ở châu Âu, nơi có các ủy ban đăng ký, đánh giá, ủy quyền và giới hạn các hóa chất hay gọi tắt là REACH) và mức độ tiêu dùng đang bị đe dọa nếu cứ sử dụng hóa chất một cách vô tội vạ. Các thách thức này chỉ có thể được chấp nhận với một sự kết hợp tốt giữa các nghiên cứu thuần về việc phát hiện ra định hướng nghiên cứu, khảo sát ứng dụng.

Sự hợp tác giữa các nhà hóa học, sinh học và các kỹ sư sẽ hiểu ra được cách làm thế nào để sử dụng nguồn cacbon bền vững nhất: sinh khối không bắt nguồn từ thực phẩm với một hiệu quả cao nhất. Các sinh khối này bao gồm các chất thải nông nghiệp, lâm nghiệp và công nghiệp thực phẩm cũng như các sản phẩm phụ trong các quá trình quy mô lớn như sản xuất nhiên liệu sinh học. Lượng lớn các chất tiêu thụ và các chất thải công nghiệp như dòng điện thải và các dụng cụ điện có thể được khai thác bằng cách sử dụng các công nghệ ít gây tác động mạnh đến môi trường vốn chỉ được xuất hiện vào những năm 90. Đây không chỉ là một bước tiến lớn hướng đến việc tạo thành một kỷ nguyên mới của hóa học xanh và hóa học bền vững mà còn giúp giải quyết được những vấn đề leo thang chất thải trong xã hội hiện đại.

Đặc biệt, có thể tạo ra được nhiều sản phẩm từ các sản phẩm sinh khối như xenlulô, chitin hay tinh bột có thể đóng vai trò như các phân tử nhỏ nhưng khi cần thiết chúng có thể đóng vai trò nền tảng để chế tạo các vật liệu mới cao phân tử. Các hợp chất như etanol, axit lactic, axit sucxinic hay glyxerol có thể thay thế, hay ít nhất là giảm thiểu sự phụ thuộc của chúng ta vào các nhiên liệu hóa thạch như eten, propen, butadien hay benzen. Do đó các công cụ của Hóa học xanh tương lai cần phải đa năng, linh hoạt cũng như phải sạch, an toàn và hiệu quả.

Ở đây sự kết hợp giữa hóa học – sinh học và giữa hóa học – công nghệ sinh học là một vấn đề quan trọng: Chúng ta cần phải phát triển các con đường tổng hợp bắt nguồn từ các dẫn xuất chứa oxy và các phân tử ưa nước vốn được tạo thành từ các chuyển hóa sinh khối. Điều này cũng có nghĩa là chúng ta không thể ước tính được sự lãng phí và giá thành trước khi tiến hành tổng hợp. Ở đây các kết quả nghiên cứu về các quá trình hóa học trong nước sẽ đắc dụng (và thường làm cho quá trình trở nên an toàn hơn) cũng như sự phát triển tiếp tục trong tương lai của các phương pháp tổng hợp quan trọng chẳng hạn giảm thiểu các bước tiến hành bằng các hệ thống phản ứng lồng vào nhau để có thể đưa nhiều phản ứng trở thành một bước duy nhất. Về sự kết hợp giữa hóa học – công nghệ thì các hệ thống màng xúc tác, các kỹ thuật tiến hành phản ứng chuyên sâu và các hệ thống phản ứng tiết kiệm năng lượng ngày càng trở nên quan trọng. Kỹ thuật lên men sẽ đóng vai trò quan trọng trong việc phân giải các sinh khối có cấu trúc phức tạp về các phân tử nhỏ với sự kiểm soát chặt chẽ hơn về năng lượng sử dụng để nhiệt phân bằng cách sử dụng xúc tác hay các phương pháp mới (chẳng hạn vi sóng) thì chúng ta có khả năng xây dựng các quy trình song song để tạo thành các phân tử khác nhau, điều này dẫn đến việc tạo thành nhiều chất cơ bản hơn. Việc tìm ra con đường mới phát triển bền vững với giá thành hợp lý để tạo thành các chất thơm là đặc biệt khó khăn: chúng ta cần phải có những cách thức tốt hơn để khai thác nguồn chất thơm vô tận trong tự nhiên như ở trong lignin hay suberin.

Thách thức trong Hóa học xanh không chỉ đơn thuần là thay thế các hóa chất độc hại như các cromat hay các dẫn xuất polyhalogen thơm nhưng có thể đảm bảo rằng các chất có thể thay thế được chúng cũng như cách thức để tạo thành sẽ xanh và bền vững. Hiện tại cần có thêm nhiều nghiên cứu nhắm đến việc thỏa mãn các tiêu chuẩn lập pháp mà REACH cũng như các đạo luật về chất lượng sản phẩm đã đề ra. Các sản phẩm an toàn, thân thiện môi trường được yêu cầu ở các mặt hàng thương mại như chất chậm cháy, hóa dẻo, chất kết dính và ngòi nổ.

Thế kỷ mới này sẽ chứng kiến một bước chuyển mình mạnh mẽ từ hóa học (phụ thuộc) dầu mỏ sang Hóa học dựa trên một sự đa dạng nguồn nguyên liệu. Mặc dù chúng ta vẫn còn phụ thuộc nhiều vào các nguồn nguyên liệu hóa thạch và các khoáng trong một tương lai gần nhưng các hóa chất và vật liệu được chế tạo từ các sinh khối không có nguồn gốc thực phẩm và từ một núi sản phẩm mà chúng ta ưu ái đặt cho danh từ “mỹ miều” chất thải sẽ chiếm ưu thế. Chất thải của hôm nay là nguyên liệu của ngày mai. Hóa học xanh có thể giúp chuyển hóa các nguồn cung này thành nguyên liệu bằng cách tiếp cận ít gây tổn hại đến môi trường nhất. Bằng cách này chúng ta sẽ đạt được mục tiêu lớn là xây dựng được một kỷ nguyên mới cho các sản phẩm xanh và bền vững.