Hoá học xanh: tương lai phát triển của công nghiệp hoá chất

1 Hoá học xanh: tương lai phát triển của công nghiệp hoá chất 2 Không phải ngẫu nhiên mà Giải Nobel Hoá học năm 2005 được trao cho 3 nhà khoa học Robert H. Grubbs và Richard R. Schrock đến từ Mỹ, cùng Yves Chauvin đến từ Pháp, nhờ việc tìm ra cách làm giảm chất thải độc hại khi tạo ra các hoá chất mới, giảm thiểu chất thải độc hại bằng một quá trình sản xuất thông minh hơn. Họ đã phát triển ra phương pháp hoán vị trong quá trình tạo ra các phân tử hữu cơ mới. Phương pháp này có tiềm năng thương mại rất lớn trong ngành công nghiệp dược phẩm, sinh kỹ học và thực phẩm. Nó cũng được sử dụng để phát triển polyme cải tiến. Phương pháp này cho phép các nhà khoa học thay đổi các nhóm nguyên tử trong phân tử để tạo ra hoá chất mới. Hội đồng trao Giải Nobel Hoá học cho biết rằng công trình của các nhà nghiên cứu trên đại diện cho một bước tiến lớn hướng tới “Hoá học xanh” (Green Chemistry). Trong vòng một thập niên trở lại đây ở các quốc gia hậu công nghiệp, vấn đề giải quyết và phòng ngừa ô nhiễm cũng như bảo vệ môi trường ngày càng chiếm vai trò quan trọng hơn trong tiến trình phát triển. Một bằng chứng là sự ra đời và tăng trưởng tại các quốc gia Âu – Mỹ của phong trào Hóa học xanh, hiện được xem là biện pháp hữu hiệu nhất để giải quyết các vấn nạn môi trường. Hàng năm có rất nhiều Hội nghị ở cấp quốc gia và quốc tế về vấn đề trên, nhất là ở các đại hôi của Hội Hóa học Mỹ (American Chemical Society – ACS). Nhiều tạp chí khoa học khác đếu có những ấn bản đặc biệt liên quan đến Hóa học xanh như Tạp chí Nghiên cứu Khoa học và Hạch toán Hóa học (Scientific Research & Accounts of Chemical). Riêng tại Anh, Hội Hoá học Hoàng gia đã phát hành từ 4 năm qua Tạp chí Hóa học xanh. Một số viện, trường đại học trên thế giới cũng đã thành lập phân khoa riêng cho môn Hóa học xanh này. Viện Hóa học xanh thuộc Hội Hóa học Mỹ đã đóng góp rất nhiều khóa huấn luyện cho sinh viên và các nhà nghiên cứu khắp nơi trên thế giới. Và công nghệ Hóa học xanh đã ra đời cũng như đã được xem như là một công nghệ chiến lược cho phát triển bền vững toàn cầu. Hiện tại, trên thế giới đã có 3 nhiều Viện hay Trung tâm nghiên cứu đã được thành hình ở Anh Quốc, Ý, Nhật Bổn, Mỹ và Ôxtrâylia. Có thể nói hầu hết các nhà hóa học trên thế giới đều được biết qua thông tin về Hóa học xanh ngày nay. Hóa học xanh còn được gọi là Hóa học bền vững đã được Cơ quan Bảo vệ Môi trường Mỹ (US EPA) đề xướng lần đầu tiên với mục đích để phòng ngừa ô nhiễm nhằm truy tìm những biện pháp giải quyết, sáng kiến kỹ thuật tối ưu hơn là đặt trọng tâm vào việc quản lý và xử lý các chất thải rắn, lỏng, và khí từ ngành công nghiệp. Trên 12 nguyên tắc căn bản để thực hiện công nghệ hóa học bền vững, công nghệ sinh học (CNSH) và công nghệ nano là hai công nghệ được áp dụng nhiều nhất trong các quy trình sản xuất và chế biến hóa chất. Điểm đặc sắc của hai công nghệ này là làm cho môi trường rất ít hay không bị ô nhiễm. Vấn đề cấp bách được đặt ra là làm thế nào để cho tất cả các quốc gia trên thế giới được cập nhật thông tin và áp dụng những công nghê mới khám phá sau này. Nếu không cuộc cách mạng xanh chỉ có thể xảy ra ở những quốc gia hậu công nghiệp và vấn nạn ô nhiểm toàn cầu vẫn chưa được giải quyết đúng đắn. vậy các quốc gia trên thế giới và những đại công ty liên quốc gia đã nhìn vấn đề này như thế nào và họ có buộc phải áp dụng những công nghệ mới không? Trong kỳ Hội nghị Thượng đỉnh Liên Hợp Quốc về Phát triển Bền vững tại Johannesburg năm 2002, GS Jurgen Metzger thuộc Đại học Oldenburg (Đức) có nêu lên những tiến bộ của thế giới trong việc ứng dụng Nghị trình 21 vào các quốc gia như việc xử dụng hóa chất an toàn cũng như lưu tâm nhiều đến sức khỏe của con người và môi trường. Đây chính là một đóng góp lớn của các công ty sản xuất hóa chất trên thế giới. Công ty Dow Chemical (Mỹ) là một công ty sản xuất hóa chất lớn nhất thế giới đã giảm được sự thải hồi thán khí (CO2) trong các quy trình sản xuất từ 28,1 triệu tấn cho năm 1994 xuống còn 26,1 triệu tấn năm 2002. Sau cùng GS Metzger đã đề nghị Sáng kiến cho cảnh 2020 với một mục tiêu rõ ràng là giảm thiểu 30% năng lượng so với năm 2002 trong các công nghệ sản xuất hóa chất toàn cầu. Và ông cũng đã tiên liệu sẽ có 25% hóa chất hữu cơ sẽ được sản xuất từ các nguồn nguyên liệu tái sinh. Tuy nhiên, ông cũng đưa ra một nghi vấn là sẽ rất khó để cho toàn thế giới áp dụng các kỹ năng mới này cũng như “sự ù lì” của một số đại công ty vẫn còn muốn đi theo lề lối cũ trong công nghệ như xử dụng nguồn hóa dầu để sản xuất ra sản phẩm hóa học khác hơn là áp dụng nguồn nguyên 4 liệu tái sinh… Về một số kết quả thực tiển và cụ thể cho việc áp dụng hóa học xanh trong phát triển. Một trong những việc làm đáng ca ngợi của công ty Cargill Dow thuộc nhóm Nature Works là đã thành công trong việc sản xuất chất dẽo (plastic) từ trái bắp. Có thể nói đây là một cuộc cách mạng xanh lớn nhất vào đầu thế kỷ 21 này. Polylactic acid hay PLA là một loại chất dẽo thực vật có được từ việc tổng hợp đường dextrose trong trái bắp. Phát minh này đã được giải thưởng Presidential Green Chemistry Challenge năm 2002. Loại plastic “bắp” này có thể áp dụng trong các kỹ nghệ như quần áo, khăn, thảm, bao bì cho thực phẩm và nhiều ứng dụng khác trong nông nghiệp. Cũng theo Cargill Dow thì việc sản xuất chất dẽo trong điều kiện trên sẽ giảm thiểu được 20 đến 50% năng lượng sử dụng so với việc sản xuất theo quy trình chất dẽo hiện tại. Công ty này hiện ở Blair, Nebraska đã bắt đầu sản xuất 140.000 tấn /năm từ năm 2002 và tăng lên 500.000 tấn năm 2006. EPA Mỹ đã tổng kết tất cả các thành quả của Hóa học xanh tại nước này từ năm 1996 đến 2002, là trung bình hàng năm, Mỹ đã: - Loại bỏ 800.000 tấn hóa chất trong đó có Chlorofluorocarbon (CFC) (Chất làm vỡ tầng ozone của bầu khí quyển), hợp chất hữu cơ nhẹ, độc hại và không bị thoái hóa; - Giảm 650 triệu gallon dung môi hữu cơ; - Giảm 138 tỷ gallon nước dùng trong việc sản xuất các kỹ nghệ dệt, phim ảnh, chất bán dẫn; - Giảm được 90.000 tỷ đơn vị năng lượng tiêu thụ và 430.000 tấn CO2 thải hồi vào không khí; - Giải quyết được 19 triệu tấn phế thải độc hại đã được xử lý hay tái sinh. Ngoài sự “ù lì” của các công ty trong công cuộc chuyển đổi, còn có vấn đề nào khác mà các đại công ty không muốn tiến nhanh vào việc áp dụng hóa học xanh hay không? Đứng trên căn bản lợi nhuận, việc chuyển đổi các quy trình cổ điển qua quy trình sạch thích hợp với tiến trình toàn cầu hóa là một việc không dễ dàng. Vì thế, tích cách “bảo thủ trong sản xuất” là một trong những cản ngại căn bản cho việc chuyển đổi này. Lấy một thí dụ trong công nghệ dược phẩm. Theo ước tính, nếu một công ty sử dụng công nghệ này đã nghiên cứu thành công dây chuyền sản xuất sạch, thì trong giai đoạn chuyển tiếp, công ty có thể bị gián đoạn hay giảm 50% sản xuất; từ đó việc mất mức lợi nhuận sẽ phải là những con số đáng kễ mà khó có công ty nào chấp nhận hy sinh được. Do đó, để giảm bớt tính bảo thủ trên, các công ty, ngoài việc nghiên cứu quy trình sạch cần phải thực hiện song hành với việc nghiên cứu tài chính và thị trường trong công cuộc chuyển đổi nấy. Theo đánh giá của Viện Tài nguyên Thế giới, chỉ 10% lượng nguyên liệu khai thác từ Trái đất được chuyển hoá thành sản phẩm công nghiệp, phần còn lại (90%) bị mất đi ở dạng phế thải. Trong khi đó, theo số liệu của Liên Hợp Quốc, nếu tầng lớp trung lưu ở Trung Quốc, Ấn Độ và các nước đang phát triển khác đạt đến gần mức 5 sống của Phương Tây thì thế giới sẽ cần tài nguyên tương đương nguồn tài nguyên của 3 Trái đất mà hiện nay chúng ta đang sống. Mục đích của công nghiệp hoá chất là chuyển hoá các nguyên liệu khai thác từ thiên nhiên thành các sản phẩm hữu ích cho xã hội và nâng cao đời sống cho con người. Trong đó, ngành hoá dược có nhiệm vụ phát hiện và phát triển những loại thuốc mới để tạo điều kiện cho con người sống lâu hơn, khoẻ mạnh hơn và có khả năng lao động với năng suất cao hơn. Nhưng để đạt được những mục tiêu này một cách bền vững thì chúng ta cũng cần phải có môi trường sống lành mạnh, không gây ô nhiễm và bệnh tật. Ngày càng nhiều công ty sản xuất hoá chất đã nhận thức tầm quan trọng của hoá học xanh đối với sự phát triển bền vững cho hoạt động sản xuất kinh doanh của mình. Hoá học xanh-đó là việc áp dụng những nguyên lý sản xuất thân môi trường, sử dụng tối ưu các tài nguyên thiên nhiên, giảm thiểu hoặc loại bỏ phát sinh và sử dụng những chất nguy hiểm, độc hại trong thiết kế, sản xuất ứng dụng các sản phẩm hoá chất. Trong số những nguyên lý này thì một trong những nguyên lý đầu tiên là: Ngăn ngừa sự hình thành phế thải sẽ tốt hơn là xử lý hoặc loại bỏ phế thải sau khi nó đã được tạo ra. Một số nghiên cứu đã cho thấy, trong công nghiệp hoá chất thì ngành sản xuất hoá dược là ngành tạo ra nhiều phế thải nhất tính theo khối lượng sản phẩm: khoảng 25- 100 kg phế thải (hoặc nhiều hơn) đối với mỗi kg thành phần hoạt tính dược phẩm được sản xuất ra. Trong khi đó, ngành hoá dầu chỉ tạo ra 0,1 kg phế thải trên mỗi kg sản phẩm 6 được sản xuất ra. Có một số lý do biện minh cho tỷ lệ phế thải lớn trong sản xuất dược phẩm: cấu trúc của các phân tử hoạt tính dược phẩm phức tạp hơn nhiều so với các sản phẩm hoá chất thông thường, quy trình tổng hợp dài hơn và những yêu cầu về an toàn đòi hỏi độ tinh khiết rất cao. Ngoài ra, phần lớn các sản phẩm hoạt tính dược phẩm được sản xuất theo mẻ, khác với các quy trình sản xuất liên tục ở các lĩnh vực hoá chất khác. Mặt khác, lượng thuốc được lưu hành thương mại trên thế giới tương đối thấp, sản lượng mỗi sản phẩm dược phẩm chỉ đạt khỏang 1000 đến 1 triệu kg/năm, thấp hơn nhiều so với sản lượng hoá chất cơ bản, những chất đang được sản xuất với quy mô nhiều triệu tấn mỗi năm. Tuy nhiên, nếu áp dụng các nguyên lý của hoá học xanh để thiết kế lại các quy trình sản xuất hiện nay và thiết kế những quy trình sản xuất mới thì ngành sản xuất hoá chất nói chung và sản xuất dược phẩm nói riêng đều có thể giảm đáng kể tỷ lệ phế thải, đồng thời tăng hiệu quả kinh tế chung trong sản xuất . Theo kết quả điều tra năm 2003 của tổ chức quốc tế IMS Health, doanh số hàng năm của ngành sản xuất dược phẩm đạt 500 tỷ USD. Từ số liệu này có thể tính ra lượng phế thải hàng năm mà ngành dược phẩm tạo ra là từ khoảng 500 triệu đến 2 tỷ kg. Nếu tính chi phí trung bình để loại bỏ phế thải là khoảng 1 USD/kg, tổng chi phí loại bỏ phế thải dược phẩm sẽ lên đến hàng tỷ USD. Như vậy, xét về mặt kinh tế, tiềm năng tiết kiệm chi phí bằng cách ngăn ngừa phế thải là rất lớn. Nhìn rộng ra, điều này có thể được áp dụng đối với tất cả các lĩnh vực của công nghiệp hoá chất. Để đáp ứng yêu cầu và xu hướng của thời kỳ mới, nhiều hội nghị khoa học quốc tế đã được tổ chức, đề cập đến những thách thức cơ bản đối với sự phát triển bền vững của công nghiệp hoá chất. Trong đó, người ta đã xác định những vấn đề cơ bản là: giáo dục và nâng cao nhận thức về phát triển bền vững, tạo điều kiện phát triển những công nghệ có khả năng thúc đẩy sự áp dụng Hoá học xanh và các công nghệ thân môi trường, phát triển những quy trình hoá học mới, có khả năng sử dụng các nguyên liệu thay thế với giá thành thấp, thay cho các nguyên liệu hoá thạch đang cạn kiệt, đồng thời tiếp tục giảm định mức tiêu hao nguyên liệu và năng lượng trong sản xuất hoá chất công nghiệp. Khi chúng ta bước vào thế kỷ 21, ngành sản xuất hoá chất công nghiệp đang gặp phải những thách thức lớn khiến nó không thể tiếp tục đi theo con đường phát triển 7 như đã trải qua trong các thế kỷ trước. Những thách thức đó là: các nguồn tài nguyên thiên nhiên đang ngày càng cạn kiệt một cách nhanh chóng, vấn đề ô nhiễm môi trường ngày càng tăng với nhiều hoá chất độc hại tồn tại dai dẳng trong môi trường, ảnh hưởng không nhỏ đến sức khoẻ và cuộc sống của nhiều cộng đồng dân cư trên thế giới, sự nổi lên của những trung tâm hoá chất công nghiệp lớn và đang phát triển nhanh tại Ấn Độ và Trung Quốc… Đứng trước những thách thức này, Hoá học xanh sẽ là một hướng đổi mới quan trọng để giúp các ngành sản xuất hoá chất công nghiệp phát triển tiếp trong thế kỷ 21 mà không gặp lại những sai lầm của quá khứ. Trên thực tế, việc áp dụng những nguyên lý thân môi trường của Hoá học xanh đã và đang góp phần giúp công nghiệp hoá chất đi theo hướng phát triển bền vững, mang lại những lợi ích tích cực cả về kinh tế, môi trường và xã hội cho nhân loại. Mặc dù vẫn còn nhiều trở ngại trong việc chuyển đổi các quy trình sản xuất hóa chất cổ điển ra quy trình sạch, điều không thể phủ nhận là Hóa học xanh hiện nay vẫn là một biện pháp phòng ngừa ô nhiễm hữu hiệu nhất. Tuy nhiên, nhận thức trên vẫn còn nhiều nghi vấn khó mang đến sự đồng thuận của nhiều nhà khoa học trên thế giới. Câu hỏi được đặt ra là liệu các nguyên liệu đến từ việc chuyển hóa sinh học, hay tái sinh có thể hoàn toàn thay thế được nguyên liệu dầu hỏa hay không? Các nguồn khí thải có thể được thu hồi và chuyển đổi thành hóa chất khác hay không? Liệu khinh khí (hydrogen) sẽ là một nguồn năng lượng chính trong tương lai? Liệu các hóa chất xử dụng trong nông nghiệp và dược phẩm sẽ là những hóa chất có thể dễ bị sinh hủy (bio-degradable) và không còn ảnh hưởng lên môi trường? Nhiều nhà môi trường bi quan đã nghi ngờ sự thành công của khái niệm về Hóa học xanh và từ đó quy kết là sự phát triển bền vững đúng nghĩa không thể nào thực hiện được và chỉ là mộng tưởng mà thôi. Ngược lại, những người lạc quan tin tưởng rằng tiến trình phát triển bền vững là một hướng đi, chứ không phải là mục tiêu để đến đích. Hóa học xanh là một cẩm nang căn bản đưa đến việc làm sạch và bão vệ môi trường.