Bài giảng Hóa học xanh: Chương 7 - TS. Nguyễn Đăng Khoa

Tài liệu này giới thiệu Chương 7 của giáo trình Hóa học xanh, tập trung vào các thiết bị phản ứng tiên tiến và ứng dụng các kỹ thuật tổng hợp hóa học mới nhằm nâng cao hiệu quả năng lượng và tối ưu hóa quy trình trong ngành công nghiệp hóa chất.

Tài liệu này hướng đến sinh viên, nghiên cứu sinh, và các chuyên gia trong lĩnh vực kỹ thuật hóa học, hóa học xanh, và công nghiệp hóa chất quan tâm đến các công nghệ phản ứng tiên tiến và hiệu quả năng lượng.

Chương này đi sâu vào việc thiết kế quy trình và thiết bị phản ứng để tối ưu hóa việc sử dụng năng lượng, một khía cạnh trọng tâm của hóa học xanh. Nội dung bắt đầu bằng việc nhấn mạnh tầm quan trọng của việc cải thiện hiệu quả năng lượng trong ngành hóa chất, đặc biệt là thông qua việc áp dụng các công nghệ tiên tiến. Các kỹ thuật được trình bày bao gồm: Hóa học dòng chảy và lò vi phản ứng (Microreactor) – mô tả các hệ thống phản ứng liên tục với ưu điểm nổi bật là tỷ lệ diện tích tiếp xúc trên thể tích lớn, giúp kiểm soát nhiệt độ chính xác, nâng cao độ an toàn cho các phản ứng với hóa chất dễ cháy nổ, giảm thiểu chất thải, và dễ dàng mở rộng quy mô sản xuất (scale-out) một cách linh hoạt, tiết kiệm chi phí và thời gian. Các ví dụ ứng dụng trong tổng hợp dược phẩm như diphenhydramine, Rufinamide, Tamoxifen và Ibuprofen được minh họa rõ ràng. Hóa học vi sóng (Microwave Chemistry) – thảo luận về cơ chế hoạt động của vi sóng trong việc cung cấp năng lượng nhiệt nhanh chóng, đồng đều, giúp tăng tốc độ phản ứng và có thể loại bỏ nhu cầu sử dụng xúc tác trong một số trường hợp. Hóa học siêu âm (Sonochemistry) – trình bày cách siêu âm được sử dụng để kích hoạt phản ứng thông qua hiện tượng xâm thực (cavitation), tạo ra các điều kiện nhiệt độ và áp suất cực đoan cục bộ, từ đó cải thiện hiệu quả phản ứng, đặc biệt ở nhiệt độ ôn hòa hơn. Hóa học quang (Photochemistry) – đề cập đến việc sử dụng ánh sáng ở các bước sóng khác nhau làm nguồn năng lượng sạch để kích hoạt phản ứng, mang lại độ chọn lọc cao và khả năng tạo ra các sản phẩm khó tổng hợp bằng phương pháp truyền thống. Chương cũng chỉ ra những thách thức trong thiết kế thiết bị và nguồn sáng đơn sắc. Tổng hợp điện hóa (Electrochemical Synthesis) – giới thiệu phương pháp sử dụng dòng điện để thực hiện các chuyển đổi hóa học, nổi bật với điều kiện phản ứng ôn hòa, hiệu quả nguyên tử cao và khả năng ứng dụng rộng rãi. Chương kết luận bằng việc tổng hợp các lợi ích của việc "xanh hóa" các dạng năng lượng đầu vào và việc áp dụng các thiết kế thiết bị cải tiến để giảm tiêu thụ năng lượng và nguyên liệu, đồng thời đề cập đến vai trò quan trọng của công nghệ in 3D trong phát triển lò vi phản ứng.