Phát triển các chiến lược công nghệ nano cho các quy trình công nghiệp xanh
Tóm tắt: Công nghệ nano và hóa học xanh có thể có nhiều điểm chung từ quan điểm của các quá trình, xem xét khả năng cải thiện hiệu quả và chất lượng, đạt được một nền kinh tế tốt hơn về nguyên tử và năng lượng, thúc đẩy xúc tác trong điều kiện nhẹ và bền vững, và tạo điều kiện giám sát trực tuyến các dây chuyền sản xuất và môi trường. Trong bài viết này ta tập trung vào các ví dụ được lựa chọn về ứng dụng chức năng hóa vào vật liệu của hạt nano trong hóa học và công nghiệp.
 
  GIỚI THIỆU
Ngày nay, sự phát triển và thực hiện các quy trình công nghiệp ngày càng phụ thuộc vào các yếu tố môi trường, kinh tế và xã hội.  Như Clark đã chỉ ra, những lo ngại nghiêm trọng đang được đặt ra bởi: xu hướng giảm nguồn cung của các nguồn tài nguyên không bền vững; tác động của luật mới, buộc thử nghiệm tất cả các hóa chất; tăng trách nhiệm sản xuất; tăng chi phí lưu trữ các chất độc hại; tăng chi phí xử lý chất thải; tăng chi phí năng lượng; và tăng chi phí hóa dầu.
Những điểm quan trọng này, bao gồm nhiều ý nghĩa của các nguyên tắc hóa học xanh, đòi hỏi các chiến lược mới để tạo ra các quy trình công nghiệp bền vững, bao gồm hóa học mới, thiết kế quy trình mới và thiết bị mới.  Dọc theo những vấn đề, sự liên kết giữa công nghệ nano và hóa học xanh có thể rất bổ ích.
  Trên thực tế, nhiều yêu cầu hóa học xanh, như nền kinh tế của các nguyên tử, các bước xử lý, vật liệu, dung môi và năng lượng có thể được đáp ứng bởi sự phát triển có trách nhiệm của công nghệ nano. Đặc biệt, công nghệ nano có thể cung cấp vật liệu nano phù hợp, có hiệu suất cao cho các ứng dụng xanh, bao gồm các sản phẩm và sản xuất tốt hơn
   Đầu tiên, trong số các vật liệu nano, các hạt nano có chức năng có thể là một lựa chọn tốt để phát triển các quy trình công nghiệp xanh hơn.  Các khả năng trong lĩnh vực này là phổ biến và vì lý do này, các ví dụ sẽ được giới hạn trong một vài loại hạt nano thể hiện các tính chất đặc biệt hoặc có liên quan.
   Hóa học xanh đòi hỏi phải phát triển các cảm biến để giám sát trực tuyến các quy trình công nghiệp, nhằm phát hiện các vấn đề và ngăn ngừa tai nạn và thất bại.  Theo đó, phần thứ hai của bài viết này sẽ tập trung vào khả năng sử dụng công nghệ nano cho các ứng dụng cảm biến trong các ngành công nghiệp hóa học.
   Xúc tác là một điểm khác được công nhận bởi hóa học xanh là một cách rất quan trọng để tăng hiệu quả của một quá trình, mang lại lợi ích cao hơn về mặt kinh tế của các nguyên tử, năng lượng và năng suất.  Chủ đề này cũng khá rộng và vì lý do ngắn gọn, chỉ có một chủ đề đặc biệt sẽ được bình luận về bài viết này, liên quan đến câu hỏi: Làm thế nào công nghệ nano có thể cải thiện quá trình sinh học?
    Cuối cùng, khắc phục và thăm dò hợp lý tài nguyên thiên nhiên là một trong những vấn đề đòi hỏi các giải pháp và giải pháp hóa học xanh.  Một số khía cạnh liên quan sẽ được thảo luận trong phần cuối của bài viết này, tập trung vào các ứng dụng của công nghệ nano trong các vấn đề môi trường và về một quy trình xanh mới, đầy hứa hẹn để khai thác và sản xuất kim loại, được gọi là nanohydrometallemony (MNHM).
    1. HẠT NANO CHO ỨNG DỤNG HÓA HỌC XANH
Trong những năm gần đây, hạt nano đã được sử dụng thành công trong nhiều ứng dụng công nghệ nano, như là thành phần cấu trúc của vật liệu lai và vật liệu nano, hoặc làm vật liệu nano chức năng, đặc biệt là cho cảm biến, xúc tác và ứng dụng sinh học.  Những lý do cho nhu cầu ngày càng tăng của hạt nano có liên quan đến tính chất nổi bật của chúng liên quan đến các vật liệu thông thường, chẳng hạn như:
      • diện tích bề mặt rất lớn trong một hạt kim loại 1nm, khoảng 60% nguyên tử được tiếp xúc ở bề mặt, tăng cường hoạt động hóa học và vật lý của chúng, ví dụ, trong các tính chất xúc tác và tán xạ ánh sáng;
      • khả năng giới thiệu các nhóm chức năng, để làm cho chúng tương thích với các môi trường khác nhau, chẳng hạn như dung môi, polyme và vật liệu sinh học;
      • khả năng di chuyển tốt trong chất lỏng, để ứng dụng trong xúc tác trực tiếp và được hỗ trợ, trong một số trường hợp, dưới dạng ferrofluids;
     • xuất hiện các hiệu ứng cộng hưởng plasmon cục bộ, đặc biệt đối với các hạt nano đồng, bạc và vàng (Au-NP), cho phép người ta khai thác sử dụng làm đầu dò SERS (tán xạ Raman tăng cường bề mặt);
    • sự xuất hiện của siêu màng trong trường hợp một số hạt nano oxit kim loại, dẫn đến phản ứng từ hóa rất mạnh;
    • khả năng thực hiện phân tách điện tích quang hóa ở cấp độ nano, đặc biệt là trong trường hợp các oxit kim loại có dải rộng như titan dioxide, cho phép các ứng dụng quan trọng trong các thiết bị quang hóa và quang hóa.
   Các hạt nano đang được sử dụng làm chất phụ gia để cải thiện hiệu suất trong các vật liệu thông thường, tạo ra các vật liệu nano hiển thị các tính chất vật lý và hóa học tốt hơn, như sức cản cơ học mạnh, khả năng chống cháy và các rào cản khuếch tán khí lớn.
    Các hạt nano carbon hiện đang được sử dụng trong chế tạo lốp xe.  Khoảng 25% lốp xe được cấu tạo từ muội than. Việc sử dụng thành công silicon dioxide hoặc hạt nano đất sét thay thế carbon đen đang được công bố là thời đại mới của lốp xe màu xanh lá cây. Vật liệu composite như vậy thể hiện phẩm chất vượt trội so với lốp xe thông thường, về hành vi nhiệt và sức cản cơ học. Nền kinh tế carbon quan sát không chỉ liên quan đến việc thay thế carbon bằng các hạt nano vô cơ, mà nó còn phản ánh hiệu suất tốt hơn, ngăn chặn quá nhiệt và tăng tuổi thọ hữu ích của lốp xe.  Những khía cạnh này đã truyền cảm hứng cho mệnh giá lốp xe màu xanh lá cây cho sản phẩm này.
   Các hạt nano bạc (Ag-NP) có thể truyền các đặc tính kháng khuẩn hiệu quả cho các vật liệu, cho các ứng dụng y tế, hộp đựng thực phẩm và môi trường sạch. Việc sử dụng chúng để bảo vệ kháng khuẩn thực sự rất cũ. Ví dụ, vào đầu thế kỷ trước, Robert Hottinger, một nhà vệ sinh và giáo sư tại Trường Bách khoa ở Brazil, đã giới thiệu việc sử dụng lớp phủ bạc keo trong chậu đất sét trong nhà để khử trùng nước uống.
    Một chiến lược như vậy đã giúp giảm đáng kể sự xuất hiện của các bệnh và các vấn đề sức khỏe trong dân số. Mặc dù vậy, ngày nay có một mối quan tâm chung liên quan đến việc thao túng các hạt nano của công nhân, và bạc không phải là một ngoại lệ. Mặt khác, Ag-NP có thể được kết hợp vào vật liệu tổng hợp để ngăn chặn sự phóng thích ra môi trường, đồng thời duy trì hoạt động kìm khuẩn của chúng, như một nguồn ion bạc. Theo nghĩa này, các quy trình xanh đã được phát triển để tạo ra các Ag-NP trực tiếp bên trong nguồn cung cấp chính, tạo điều kiện cho chúng kết hợp với nhựa và vật liệu nanocompozit mà không khiến công nhân gặp rủi ro có thể xảy ra.
   Một ứng dụng xanh thú vị khác của Ag-NP đã được cấp bằng sáng chế bởi PETROBRÁS [7], để tách propylene khỏi propan, sử dụng vận chuyển thuận lợi trong màng. Propylene là một trong những sản phẩm hóa dầu chính quan trọng nhất, tuy nhiên, việc tách ra khỏi hỗn hợp propan khá khó khăn, vì tính chất vật lý rất giống nhau của chúng.
   Vì lý do này, các tháp chưng cất khổng lồ, cao tới 100 m, thường được yêu cầu, đòi hỏi một lượng năng lượng khổng lồ.  Trong quy trình xanh thay thế, màng polyme có chứa Ag-NP được sử dụng để tương tác, theo cách chọn lọc, với hỗn hợp propylene / propane. Propylene, trái ngược với propan, có thể liên kết các nguyên tử bạc bằng cách sử dụng quỹ đạo π có sẵn của chúng, tạo thành các phức hợp không bền ở bề mặt hạt nano.  Theo cách này, nó có thể được vận chuyển bởi các hạt nano, thấm qua màng để được thu thập bên ngoài, trong khi propan vẫn còn trong bể chứa ban đầu.
    Việc phân tách hiệu quả, tiến hành ở nhiệt độ phòng và điều kiện môi trường xung quanh, có thể được thực hiện bằng chiến lược xanh này, thể hiện các yếu tố phân tách lên tới 400 lần, quá đủ để phát triển thương mại.