Kỹ thuật hóa học xanh | Khái niệm hoá học

1. Định nghĩa

Kỹ thuật xanh (green engineering) liên quan đến việc thiết kế, thương mại hóa, sử dụng các quá trình và sản phẩm sao cho vừa có tính khả thi cũng như tính kinh tế, vừa có thể hạn chế tối đa vấn đề ô nhiễm tại nguồn cũng như các rủi ro hiểm họa đối với sức khỏe con người và môi trường.

2. Nguyên tắc của kỹ thuật xanh

Để có thể hiểu rõ và vận dụng một cách tốt nhất định nghĩa về kỹ thuật xanh trong hoạt động sản xuất và cả trong hoạt động nghiên cứu, cần phải có các nguyên tắc định hướng cụ thể. 

Kỹ thuật xanh tập trung vào việc làm như thế nào để đạt được sự bền vững dựa trên việc áp dụng các thành tựu của khoa học và công nghệ. 12 nguyên tắc của kỹ thuật xanh sẽ cung cấp cơ sở tri thức cho các kỹ sư hay nhà khoa học khi thiết kế các nguyên vật liệu, các sản phẩm, các quy trình hay các hệ thống mới có tính thân thiện với môi trường sống cũng như thân thiện với con người. Việc thiết kế dựa trên 12 nguyên tắc của kỹ thuật xanh vượt qua giới hạn chất lượng kỹ thuật và các vấn đề về an toàn, để quan tâm đến cả các yếu tố về môi trường, kinh tế, xã hội. Việc vận dụng đúng các nguyên tắc của kỹ thuật xanh rất quan trọng. Khi giải quyết các vấn đề về kiến trúc thiết kế, cho dù ở quy mô kiến trúc phân tử (ví dụ xây dựng cấu trúc xe hơi), hay quy mô kiến trúc xây dựng một thành phố, đều phải áp dụng các nguyên tắc của kỹ thuật xanh một cách hiệu quả và phù hợp. Nếu không, các nguyên tắc này đơn giản chỉ là một danh mục các kỹ thuật hữu dụng được giải thích trong một số điều kiện cụ thể.

Nguyên tắc thứ 1 - các không độc hại càng tốt ( as inherrently nonhazardous as possible): các nhà thiết kế cần phải cố gắng bảo đảm rằng tất cả vật chất và năng lượng ở phần nhập liệu cũng như phần sản phẩm càng không độc hại càng tốt. Thông qua đánh giá của các nhà thiết kế quá trình, nguồn nguyên vật liệu thân thiện nhất với môi trường sẽ được lựa chọn cho quá trình, và đây sẽ là bước đầu tiên trong quy trình thiết kế ra các sản phẩm, quá trình hay hệ thống thân thiện với môi trường. 

Nguyên tắc thứ 2 - phòng ngừa thay vì xử lý (prevention instead of treatment): ngăn ngừa việc hình thành chất thải sinh ra trong một quy trình sẽ có hiệu quả đáng kể hơn so với việc xử lý lượng chất thải đã được sinh ra.  Việc hình thành cũng như việc xử lý chất thải thường đòi hỏi nhiều công sức, thời gian và tiền bạc. Đặc biệt là đối với các loại chất thải độc hại, chi phí dành cho việc kiểm tra, điều khiển thường rất cao. Các công nghệ hướng đến việc thiết kế không chất thải ở bất cứ quy mô nào cũng đều dựa trên khái niệm cơ bản: nhập liệu được thiết kế để trở thành một phần của sản phẩm. Ở quy mô phân tử, khái niệm này được gọi là "tiết kiệm nguyên tử" và ở các quy mô lớn hơn sẽ được gọi là "tiết kiệm nguyên vật liệu"

Nguyên tắc thứ ba - thiết kế cho quá trình phân riêng (Design for separation): quá trình tách và tinh chế sản phẩm phải được thiết kế sao cho chi phí năng lượng và nguyên vật liệu được giảm đến mức thấp nhất. Thực tế, trong nhiều quá trình sản xuất, giai đoạn tách và tinh chế sản phẩm thường có chi phí cao nhất. Các chiến lược thiết kế thích hợp có thể được áp dụng sao cho sản phẩm sau cùng của quá trình có thể được định hướng từ những thành phần có tính chất mong muốn. Phương pháp này hạn chế tối đa năng lượng và nguyên liệu vật liệu cần thiết để phân riêng sản phẩm mong muốn ra khỏi hỗn hợp phức tạp chứa nhiều thành phần không mong muốn.

Nguyên tắc thứ tư - sử dụng được tối đa hiệu quả vật chất, năng lượng, không gian và thời gian: sản phẩm, quá trình cũng như các hệ thống phải được thiết kế sao cho sử dụng được tối đa hiệu quả của vật chất, năng lượng, không gian, thời gian.

Nguyên tắc thứ năm - quan tâm xử lý đầu ra thay vì tăng cường đầu vào: theo nguyên lý Le Chatelier, khi cân bằng của một hệ bị phá vỡ bởi các tác động bên ngoài, hệ sẽ tự điều chỉnh để tự giải phóng hoặc bù lại các tác động đó. Các tác động bên ngoài ở đây là bất cứ yếu tố nào được áp đặt vào hệ, ví dụ nhiệt độ, áp suất hay sự biến đổi nồng độ,.. mà có ảnh hưởng đến cân bằng giữa tốc độ quá trình thuận và quá trình nghịch. Có thể giải quyết vấn đề này bằng cách thiết kế những chuyển hóa trong đó sản phẩm đầu ra được tách ra khỏi hệ thống liên tục mà không cần phải sử dụng dư nguyên vật liệu hay năng lượng đầu vào. Ví dụ tiêu biểu cho nguyên tắc nay là ở quy mô phân tử là trường hợp các phản ứng ngưng tụ sinh nước, nước được tách liên tục ra khỏi hệ thống phản ứng để dịch chuyển cân bằng theo chiều thuận kết thúc phản ứng.

Nguyên tắc thứ sáu - tính phức tạp của sản phẩm: sự phức tạp của sản phẩm dù ở quy mô vĩ mô, vi mô hay quy mô phân tử, thường là một hàm số của các chi phí năng lượng, nguyên vật liệu và thời gian. Sự phức tạp này phải được xem xét dưới góc độ là sự đầu tư khi ra quyết định lựa chọn phương án thiết kế, với mục tiêu có thể thu hồi và tái chế được nguyên vật liệu từ sản phẩm.

Nguyên tắc thứ bảy - bền nhưng khi thải ra môi trường thì không tồn tại lâu dài: các sản phẩm có khả năng tồn tại lâu dài hơn tuổi thọ mong muốn của chúng thường gây ra những vấn đề ô nhiễm môi trường. Một trong những giải pháp của vấn đề này là sử dụng các polymer sinh học từ tinh bột để thay thế, chúng có khả năng tự hòa tan hay tự phân hủy ngay trong nguồn nước thải dân dụng hoặc nước thải công nghiệp mà không đòi hỏi thêm các biện pháp xử lý khác. Một ví dụ khác là sử dụng các polyactic acid có nguồn gốc sinh học trong một số sản phẩm nhựa hay xơ sợi để thay thế cho polyacrylic acid có nguồn gốc dầu mỏ vốn khó phân hủy sinh học.

Nguyên tắc thứ tám - đáp ứng nhu cầu và hạn chế dư thừa quá mức quy đnh: ở giai đoạn thiết kế, dự đoán sự linh động của sản phẩm hay quá trình sẽ có ý nghĩa quan trọng. Tuy nhiên, chi phí năng lượng và vật chất cho việc thiết kế năng suất dư thừa quá mức yêu cầu có thể rất cao.

Nguyên tắc thứ chín - hạn chế tối đa tính đa dạng của nguyên vật liệu

Nguyên tắc thứ mười - tận dụng nguồn nguyên vật liệu và năng lượng sẵn có: các sản phẩm, quá trình hay hệ thống phải được thiết kế sao cho có thể sử dụng được năng lượng và nguyên vật liệu sẵn có trong thiết bị, trong dây chuyền sản xuất, trong các phương tiện sản xuất, ngay tại khu công nghiệp hoặc ngay tại địa phương

Nguyên tắc thứ mười một - thiết kế phải quan tâm đến giá trị sau khi hoàn thành chức năng sử dụng: trong rất nhiều trường hợp, sản phẩm không còn được sử dụng vì lý do lỗi thời về mặt công nghệ hoặc không còn hợp thời, chứ không phải vì chất lượng không đảm bảo hoặc không còn vận hành được. 

Nguyên tắc thứ mười hai - có khả năng tái tạo thay vì cạn kiệt: