Tiểu luận hóa học môi trường

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
***

TIỂU LUẬN MÔN HỌC
Đề tài: An tồn và phịng ngừa tai nạn
Học phần: Hóa học mơi trường
Mã học phần: EV6101
GVHD: PGS.TS. Hồng 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 tồn và phịng 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 cơng 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 cơng 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, khơng có khả năng phân hủy, khai thác phá hủy rừng, sử dụng các nguyên liệu khơng có khả
năng tái tạo.
Sản xuất các ngành cơng nghiệp hóa chất chiếm 7% thu nhập và 9% thương mại và 80%
sản lượng công nghiệp thế giới. Tại Hoa Kỳ, các ngành cơng nghiệp hóa học đóng góp 5% của
GDP và tăng them 12% giá trị GDP. Điều này nói lên tầm quan trọng của ngành cơng 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 cơng nghiệp khác là một trong những
nguyên nhân gây ra các vấn đề mơi trường tồn cầu như cạn kiệt nhiên liệu khơng 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 địi hỏi năng lượng sản xuất và bao bì tối thiểu, an tồn, phân hủy sinh học 100% và có thể
tái chế. Phạm vi của các sản phẩm hóa chất ngày nay rất lớn, đóng góp vơ 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 trị cơ bản trong hầu hết mọi khía cạnh của xã hơi hiện đại, trong lĩnh vực
chăm sóc sức khỏe, thực phẩm, chỗ ở, phương tiện giao thơng và hàng hóa tiêu dùng,… do đó nhu
cầu về hóa chất của các ngành cơng 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 ơ nhiễm
là kiểm sốt ngay tại nguồn hơn là giải quyết các vấn đề liên quan đến việc thải chất độc vào mơi
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 mơi trường. Bất kỳ
q 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 mơi 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 ơ nhiễm tại nguồn phát sinh. Những năm gần đây, hóa học xanh đóng vai
trị chủ đạo trong việc phát triển, nhận biết những vấn đề liên quan đến môi trường. Vai trị 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 mơi trường, tăng tốc độ phản ứng, hạ nhiệt độ
phản ứng để tiết kiệm năng lượng, hiệu quả phản ứng, sử dụng các dung mơi ít độc hại hơn, giảm
thiểu ngun 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 mơi và năng lượng.
An tồn: sử dụng ngun liệu, q trình và dung mơi an tồn.
Qúa trình: q trình hiệu quả khơng 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 ngun tắc của hóa học xanh:
-

-

-

Phịng ngừa: phịng 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 vơ dụng hoặc khơng 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 khơng có độc hại đối với mơi trường và cơng cộng.
Thiết kế hóa chất an tồn: sản phẩm hóa chất nên được thiết kế để khơng chỉ thực hiện
chức năng thiết kế của mình mà cịn phải ít độc hại trong ngắn hạn và dài hạn.
Dung mơi và chất trợ tạo an tồn 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 khơng có tính độc hại.
Thiết kế cho hiệu suất năng lượng: các q trình hóa học phải được tính tốn để tác động
năng lượng đối với kinh tế và mơi 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: ngun liệu dùng cho các q 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 khơng 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 khơng tồn tại
trong mơi trường.
Phân tích thời gian thực để ngăn ngừa ô nhiễm: phát triển các phương pháp phân tích để
giám sát và kiểm sốt việc tạo thành các chất thải nguy hại trong q trình.
An tồn 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 thốt ra mơi trường, nổ hay cháy.

III. An tồn và phòng ngừa tai nạn.
2


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 u cầu khắt khe về an tồn và phịng 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 mơi trường. Vì vậy, các
chất này dần được hay thế bằng các hóa chất khơng độc hại.
Công ty Solberg đã nghiên cứu thành công bọt chữa cháy tốt hơn và thân thiện với mơi
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 cơng 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 hỗn 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 chậm tốc độ cháy
 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 q trình cháy thơng 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 q 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,
mơi 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
4


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:
 Red phosphorus
 Phosphine oxide
 Triphenyl phosphine oxide
 Inorganic phosphates
 Aryl phosphates such as bisphenol A bis (diphenyl phosphate)
 Ammonium phosphate and polyphosphate
 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 190 0C
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 lỗng khí dễ cháy sinh ra bởi sự phân hủy của polymer. Cơ

chế thứ ba là sự hình thành oxit nhơm 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 khơng 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 khơng 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 190 0C. 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
6


 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 khơng 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 cơng, 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 tồn và sức khỏe của người
lao động làm việc trực tiếp sản xuất trong các ngành cơng 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 thơng 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 mơi trường.
Hóa học xanh đặt vấn đề đổi mới trong thiết kế các sản phẩm công nghiệp đối với q 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 thơng 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
đồn cơng nghiệp lớn hiện nay đều quan tâm tập trung cho sản xuất các sản phẩm an toàn, thân
thiện hơn cho môi trường.

8