Seminar Những tiến bộ trong hóa học xanh CO2 siêu tới hạn (Supercritical CO2)

1. TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC
BÁO CÁO SEMINAR
NHỮNG TIẾN BỘ TRONG HÓA HỌC XANH
Chủ đề: CO2 SIÊU TỚI HẠN
GVHD: PGS.TS Phan Thanh Sơn Nam
TPHCM, tháng 4 năm 2017

2. NỘI DUNG
2
KHÁI QUÁT CHUNG
TÍNH CHẤT CỦA CO2 SIÊU TỚI HẠN
SẢN XUẤT VÀ ĐIỀU CHẾ
ỨNG DỤNG

3. KHÁI QUÁT CHUNG
3
- Thay thế dung môi hiện tại bằng dung môi xanh hơn.
- Tăng cường quá trình truyền khối trong hệ phản ứng.
- Cải tiến hiệu suất, cải tiến độ chọn lọc cho phản ứng, kết hợp hạn chế
đến mức thấp nhất năng lượng sử dụng.
- Đồng thời sử dụng CO2 làm tác chất cho phản ứng.

4. 4
- Sức căng bề mặt thấp
- Độ linh động cao
- Độ nhớt thấp, khả năng khuếch tán cao
- Tỷ trọng xấp xỉ tỷ trọng của chất lỏng
- Khả năng hoà tan dễ điều chỉnh bằng nhiệt độ và áp suất
- Phân riêng sản phẩm, kéo dài tuổi thọ xúc tác, thu hồi và
tái sử dụng xúc tác….
KHÁI QUÁT CHUNG

5. 5
- Dễ kiếm, rẻ tiền
- Trơ, ít phản ứng với các chất cần tách
- Không bắt lửa, không duy trì sự cháy
- Không làm ô nhiễm môi trường
- Không độc với cơ thể, không ăn mòn thiết bị
- Hoà tan tốt các chất hữu cơ rắn, lỏng
- Hoá hơi không để lại cặn độc hại
KHÁI QUÁT CHUNG

6. 6
Hạn chế của SCO2
- Phải thực hiện ở áp suất cao do đó nâng cao giá thành
- CO2 không phân cực, không thể sử dụng chiết tách những
chất phân cực
KHÁI QUÁT CHUNG

7. 7
- Aldehyde, Ketone, Ester, Alcohol
- Các chất khí như H2, O2, CO…
- Các halogen-cacbon có phân tử lượng nhỏ và trung bình
- Các hydrocacbon mạch thẳng không phân cực, phân tử lượng thấp
và có mạch cacbon dưới 20.
- Các hydrocacbon thơm có phân tử lượng nhỏ
KHÁI QUÁT CHUNG

8. TÍNH CHẤT CỦA CO2 SIÊU TỚI HẠN
8
o Tc = 31oC
o Pc = 73,75 bar
o rc = 0,47g/mL
Thấp so với các dung môi khác
Giản đồ pha nhiệt độ - áp suất của CO2

9. 9
Tên gọi Carbon dioxide
Công thức hóa học CO2 (cấu trúc phân tử: O=C=O)
Khối lượng phân tử MCO2 = 44,011 kg/kmol
Thể tích ở điều kiện chuẩn Vmn = 22,263 m3/kmol
Hằng số khí RCO2 = 0,1889 kJ/(kg.K)
Khối lượng riêng khí ở 273,15Kvà 1,013 bar ρn = 1,977 kg/m3
Nhiệt độ tới hạn Tc = 304,15 K
Áp suất tới hạn Pc = 73,83 bar
Khối lượng riêng tới hạn ρc = 466 kg/m3
Nhiệt độ thăng hoa Ts = 194,25 K; Ps = 0,981 bar
Điểm ba TT = 216,55 K; PT = 5,18 bar
Nhiệt độ phân hủy >1473,15 K
TÍNH CHẤT CỦA CO2 SIÊU TỚI HẠN

10. 10
Các hình chụp thể hiện sự biến mất dần về mặt
phânchia pha của CO2 khi tăng nhiệt độ và áp suất
a) Bề mặt phân chia pha lỏng – khí còn rõ rang
b) Bề mặt phân chia pha mờ dần
c) CO2 ở trạng thái siêu tới hạn đồng nhất
TÍNH CHẤT CỦA CO2 SIÊU TỚI HẠN

11. Đường phân chia 2 pha lỏng khí rõ ràng
11
TÍNH CHẤT CỦA CO2 SIÊU TỚI HẠN

12. Khi tăng nhiệt độ đường phân chia 2 pha mờ dần
12
TÍNH CHẤT CỦA CO2 SIÊU TỚI HẠN

13. Tăng nhiệt độ cao hơn nữa sẽ làm cho tỉ trọng chất lỏng và khí gần nhau hơn,
đường phân cách 2 pha vẫn tồn tại nhưng khó quan sát
13
TÍNH CHẤT CỦA CO2 SIÊU TỚI HẠN

14. Khi đã đạt tới nhiệt độ và áp suất tới hạn thì không còn phân biệt được 2 pha nữa,
đường phân cách cũng không còn, tạo 1 pha đồng nhất.
14
TÍNH CHẤT CỦA CO2 SIÊU TỚI HẠN

15. 15
Ảnh hưởng của nhiệt độ và áp suất lên tỷ trọng CO2
TÍNH CHẤT CỦA CO2 SIÊU TỚI HẠN

16. 16
Sự phụ thuộc độ tan phần mol của benzoic acid
trong SCO2 theo nhiệt độ và áp suất
TÍNH CHẤT CỦA CO2 SIÊU TỚI HẠN

17. 17
Sự biến đổi trạng thái của CO2
SẢN XUẤT VÀ ĐIỀU CHẾ

18. 18
SẢN XUẤT VÀ ĐIỀU CHẾ

19. 19
SẢN XUẤT VÀ ĐIỀU CHẾ

20. Kỹ thuật phân riêng
20
Kĩ thuật giãn nở nhanh của lưu chất siêu tới hạn
Jennifer Jung, M.P ., Particle design using supercritical fluids: Literature and patent survey . The Journal of Supercritical Fluids, 2001. 20: p. 179-219.
SẢN XUẤT VÀ ĐIỀU CHẾ

21. Kỹ thuật phân riêng
21
Jennifer Jung, M.P ., Particle design using supercritical fluids: Literature and patent survey . The Journal of Supercritical Fluids, 2001. 20: p. 179-219.
Ưu điểm:
Sản phẩm rắn hình thành có độ phân bố kích thước hẹp
Xảy ra nhanh không cần điều kiện chân không
Ổn định các phức cơ kim.
Nhược điểm:
Chỉ áp dụng cho các chất có khả năng tan trong dung môi siêu tới hạn.
Đối với các chất rắn ít tan trong dm siêu tới hạn, dùng nhiều dm.
Chi phí cao.
SẢN XUẤT VÀ ĐIỀU CHẾ

22. Kỹ thuật phân riêng
22
Ứng dụng chiết một số chất bằng hệ thống RESS
Jennifer Jung, M.P ., Particle design using supercritical fluids: Literature and patent survey . The Journal of Supercritical Fluids, 2001. 20: p. 179-219.
SẢN XUẤT VÀ ĐIỀU CHẾ

23. Kỹ thuật phân riêng
• Tương tự như phương pháp kết tủa, kết tinh
truyền thống, sử dụng dm hc có độ phân cực
khác hoàn toàn với độ phân cực của dm có trong
một hệ dd nào đó
• Ưu điểm:
Điều khiển được nhiệt độ, tỷ trọng, lưu lượng SCO2
Khống chế được dạng thù hình, kích thước hạt rắn.
23
SẢN XUẤT VÀ ĐIỀU CHẾ

24. Kỹ thuật phân riêng
24
SẢN XUẤT VÀ ĐIỀU CHẾ

25. 25
Kĩ thuật sử dụng lưu chất siêu tới hạn làm dung môi ít tan
Jennifer Jung, M.P ., Particle design using supercritical fluids: Literature and patent survey . The Journal of Supercritical Fluids, 2001. 20: p. 179-219.
Kỹ thuật phân riêng
SẢN XUẤT VÀ ĐIỀU CHẾ

26. 26B.Gupta, R., Nanoparticle Technology for Drug Delivery, in Drug and The Phamaceutical sciences, U.B.K., Editor . 2006, Taylor & Francis Group: New York. p. 51-82..
Kỹ thuật phân riêng
SẢN XUẤT VÀ ĐIỀU CHẾ

27. Kỹ thuật phân riêng
• Phân tán các thành phần hầu như không
tan trong SCO2
• SCO2 được tạo nhũ trong pha lưu chất
sau đó giảm áp, CO2 thoát ra khỏi hỗn
hợp=> lưu chất còn lại được phân tán
thành những giọt nhỏ.
• Được sử dụng trong công nghệ vật liệu
vô cơ: tạo hạt, tạo lớp phủ, phẩm màu
dạng pigment. 27
Kỹ thuật phun phân tán (atomization/nebulization)
SẢN XUẤT VÀ ĐIỀU CHẾ

28. 28
Kĩ thuật tạo hạt từ quá trình phân tán của SCO2
Jennifer Jung, M.P ., Particle design using supercritical fluids: Literature and patent survey . The Journal of Supercritical Fluids, 2001. 20: p. 179-219.
Kỹ thuật phân riêng
SẢN XUẤT VÀ ĐIỀU CHẾ

29. Ứng dụng sử dụng kỹ thuật phân riêng
29
Zeljko Knez, E.W., Particles formation and particle design using supercritical fluids. Current Opinion in Solid State and Materials Science, 2003. 7: p. 353-361.
SẢN XUẤT VÀ ĐIỀU CHẾ

30. ỨNG DỤNG CỦA SCO2
Là quá trình tách một thành phần (chất chiết suất) từ một hỗn hợp (chất nền rắn
hoặc hỗn hợp lỏng) bằng chất lỏng ở trạng thái siêu tới hạn
30

31. 31
Sơ đồ chiết sử dụng SCO2
CHIẾT SIÊU TỚI HẠN (SFE)
ỨNG DỤNG CỦA SCO2

32. 32
CHIẾT SIÊU TỚI HẠN (SFE)Dùng CO2 siêu tới hạn (SCO2) ly trích hương liệu:
SCO2 từ compressor qua extractor cuốn
theo hương liệu, -> giảm áp suất để hương
liệu kết tụ lại -> qua separator hương liệu
được giữ lại. CO2 được nén tại compressor
tiếp tục quy trình.
ỨNG DỤNG CỦA SCO2

33. 33
CHIẾT SIÊU TỚI HẠN (SFE)Tách caffeine trong cafe và chè:
ỨNG DỤNG CỦA SCO2

34. 34
Đặc điểm chiết tách của SCO2
+ Hòa tan ít chlorophyl, sáp, carotenoid.
+ Không hòa tan đường, protein, thuốc trừ sâu,
acid amin,tannin.
Vì vậy, SCO2 khi ly trích caffein trong hạt
cafe thì nó sẽ không làm mất mùi vị của caffein,
hiệu suất cũng cao từ 97-99 % và ko để lại cặn
bã.
ỨNG DỤNG CỦA SCO2

35. 35
Mạ- Lớp mạ sáng, bóng, nhẵn hơn nhiều so với phương pháp mạ truyền thống.
Thậm chí khi với cả lớp mạ có độ dày lớn hơn nhiều lần (hình dưới);
- Kích thước độ hạt có thể đạt đến dưới 10nm;
ỨNG DỤNG CỦA SCO2

36. 36
MạMột trong những ưu điểm nổi trội của phương pháp mạ SCO2 là có thể thực
hiện quá trình mạ ở trong các khe hở/lỗ chỉ hàng chục nanomet. Kết quả đạt được
là nhờ khả năng khuếch tán của dung dịch mạ trong môi trường SCO2 cao hơn
nhiều so với điều kiện mạ truyền thống.
ỨNG DỤNG CỦA SCO2

37. 37
Mạ
- Công nghệ mạ sau siêu tới hạn CO2 cho thấy độ cứng của lớp mạ cao hơn hẳn độ
cứng của lớp mạ truyền thống.
- Quá trình mạ sau siêu tới hạn CO2 cũng không sử dụng bất kỳ một chất phụ gia
nào.
- Cả lớp mạ siêu tới hạn CO2 và sau siêu tới hạn CO2 đều được phát hiện là có chứa
hàm lượng Carbon. Đây có thể là yếu tố làm tăng độ cứng của lớp mạ nickel.
ỨNG DỤNG CỦA SCO2

38. TÀI LIỆU THAM KHẢO
38
1. Jennifer Jung, M.P ., Particle design using supercritical fluids: Literature and patent survey .
The Journal of Supercritical Fluids, 2001. 20: p. 179-219
2. Zeljko Knez, E.W., Particles formation and particle design using supercritical fluids. Current Opinion in Solid State and
Materials Science, 2003. 7: p. 353-361.
3. B.Gupta, R., Nanoparticle Technology for Drug Delivery, in Drug and The Phamaceutical sciences, U.B.K., Editor
. 2006, Taylor & Francis Group: New York. p. 51-82.
4. Nam, P. T. S. (2008). Hóa học xanh. Việt Nam, Đại học quốc gia tpHCM.
5. Dũng, N. V. (2012). Tạo hạt submicro acid salicylic sử dụng lưu chất siêu tới hạn, ĐHBK HCM.
6. Minh, N. C. (2010). Nghiên cứu chiết tách caffeine từ lá trà bằng CO2 lỏng ở trạng thái siêu tới hạn, ĐHBK HCM.
7. Phụng, L. T. K. (2009). Ứng dụng kĩ thuật lưu chất siêu tới hạn trong tạo hạt dược phẩm. ĐHBK HCM.
8. Bhardwaj, L. "A review on methodology and application of supercritical fuild technology in pharmaceutical industry."
9. Dvoyashkin, M. "Introduction to supercriticalfluids."

39. 39
THANK YOU!