Dung môi hữu cơ là gì?

Dung môi hữu cơ là các hợp chất lỏng có gốc cacbon-có khả năng hòa tan hoặc phân tán các chất khác mà không làm thay đổi chúng về mặt hóa học. Các hợp chất này chứa các nguyên tử carbon liên kết với các nguyên tố khác như hydro, oxy hoặc halogen, phân biệt chúng với các dung môi vô cơ như nước. Hơn 200 dung môi hữu cơ khác nhau tồn tại trong nhiều họ hóa chất khác nhau, mỗi loại phục vụ các ứng dụng công nghiệp và thương mại cụ thể dựa trên cấu trúc phân tử và tính chất vật lý của chúng.

Đặc điểm xác định của dung môi hữu cơ nằm ở cấu trúc phân tử của chúng. Tất cả các dung môi hữu cơ đều chứa liên kết cacbon-cacbon hoặc cacbon-hydro làm xương sống cấu trúc của chúng. Thành phần dựa trên cacbon-này mang lại cho chúng khả năng hòa tan độc đáo, đặc biệt đối với các chất không-phân cực và phân cực yếu mà nước không thể hòa tan hiệu quả.

Dung môi hữu cơ thể hiện một số tính chất vật lý phổ biến khiến chúng có giá trị công nghiệp. Hầu hết là chất lỏng dễ bay hơi ở nhiệt độ phòng, nghĩa là chúng dễ bay hơi. Điểm sôi của chúng thường dao động từ dưới 100 độ đến khoảng 250 độ, với điểm sôi thấp hơn tương ứng với độ bay hơi cao hơn. Hằng số điện môi-thước đo khả năng giảm lực giữa các hạt tích điện của dung môi-khác nhau đáng kể giữa các dung môi hữu cơ, ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng hòa tan các hợp chất ion như muối lithium của chúng.

Độ nhớt đại diện cho một đặc tính quan trọng khác. Dung môi có độ nhớt thấp{1}}cho phép các ion và phân tử di chuyển tự do hơn trong dung dịch, điều này trở nên cần thiết trong các ứng dụng như chất điện phân pin lithium, nơi độ dẫn ion quyết định hiệu suất. Sự tương tác giữa hằng số điện môi và độ nhớt thường đòi hỏi phải trộn các dung môi có tính chất bổ sung để đạt được kết quả tối ưu.

Dung môi hydrocacbon chỉ bao gồm các nguyên tử cacbon và hydro. Những dung môi không phân cực này có khả năng hòa tan dầu, sáp, chất béo và dầu mỡ rất tốt.

Hydrocacbon béocó chuỗi carbon thẳng hoặc phân nhánh không có vòng thơm. Các ví dụ phổ biến bao gồm hexane, heptan và ete dầu mỏ. Những dung môi này có độ phân cực rất thấp, độ bay hơi cao và ổn định về mặt hóa học nhưng rất dễ cháy. Các ngành công nghiệp sử dụng chúng để khai thác dầu, sản xuất dược phẩm, pha chế sơn và sản xuất chất kết dính.

Hydrocacbon thơmchứa các vòng benzen trong cấu trúc của chúng, tạo cho chúng những đặc tính đặc biệt. Benzen, toluene và xylene đại diện cho các dung môi thơm phổ biến nhất. Các hợp chất này có độ phân cực vừa phải, khả năng hòa tan cao hơn hydrocacbon béo và có mùi đặc trưng. Ứng dụng của chúng bao gồm việc sử dụng dung môi công nghiệp trong sơn, chất kết dính, mực in và các hoạt động tẩy dầu mỡ. Tuy nhiên, một số hydrocacbon thơm có nguy cơ đáng kể về sức khỏe-benzen được biết đến là chất gây ung thư, khiến giới hạn phơi nhiễm được quy định nghiêm ngặt.

Dung môi chứa oxy kết hợp các nguyên tử oxy vào cấu trúc phân tử của chúng, tạo ra các đặc tính phân cực giúp mở rộng khả năng hòa tan của chúng.

Rượuchứa các nhóm hydroxyl ({0}}OH) gắn vào chuỗi carbon. Methane, ethanol, isopropanol và butanol được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp. Rượu có thể hòa tan cả chất phân cực và một số chất không phân cực, khiến chúng trở thành dung môi linh hoạt. Ethanol đóng vai trò là thành phần chính trong dược phẩm, mỹ phẩm, nước hoa và chất khử trùng. Các ứng dụng công nghiệp bao gồm sử dụng làm chất tẩy rửa và tổng hợp hóa học.

xetoncó nhóm cacbonyl (C{0}}O) liên kết với hai nguyên tử cacbon. Acetone và methyl ethyl ketone (MEK) dẫn đầu danh mục này. Xeton có tính phân cực cao, khả năng hòa tan tuyệt vời và bay hơi nhanh chóng. Acetone xuất hiện trong chất tẩy sơn móng tay, chất pha loãng sơn và làm dung môi tẩy rửa trong sản xuất đồ điện tử. Trong phòng thí nghiệm, xeton đóng vai trò là dung môi phản ứng thông thường.

Estehình thành thông qua phản ứng giữa axit và rượu. Ethyl axetat và metyl axetat là các este được sử dụng thường xuyên. Các dung môi này có mùi trái cây dễ chịu, khả năng hòa tan tốt đối với nhựa và polyme và độ phân cực vừa phải. Ngành công nghiệp sơn sử dụng rộng rãi este trong sơn và vecni. Ngành công nghiệp thực phẩm sử dụng một số este nhất định làm chất tạo hương vị. Ethyl axetat xuất hiện trong chất tẩy sơn móng tay và chất tẩy rửa bảng mạch.

Etherchứa một nguyên tử oxy liên kết với hai chuỗi carbon. Diethyl ether và tetrahydrofuran (THF) đại diện cho ete quan trọng trong phòng thí nghiệm và môi trường công nghiệp. Ether thường có độ phân cực thấp và độ biến động cao. Mặc dù diethyl ether từng được dùng làm thuốc gây mê thông thường nhưng tính dễ cháy cực độ của nó đã hạn chế việc sử dụng nó. THF vẫn phổ biến trong sản xuất polymer và làm dung môi phản ứng trong phòng thí nghiệm.

Dung môi halogen hóa kết hợp các nguyên tử halogen (clo, flo, brom hoặc iốt) vào cấu trúc của chúng. Những dung môi này có khả năng hòa tan đặc biệt đối với các vật liệu chống lại các dung môi khác.

Dung môi clo hóabao gồm dichloromethane (methylene chloride), chloroform, carbon tetrachloride và trichloroethylene. Các hợp chất này không-dễ cháy-một lợi thế an toàn đáng kể-và có khả năng thanh toán cao. Các hoạt động tẩy dầu mỡ kim loại, tẩy sơn và giặt khô theo truyền thống phụ thuộc rất nhiều vào dung môi clo hóa. Tuy nhiên, nhiều dung môi clo hóa độc hại, một số được phân loại là chất gây ung thư hoặc nguy hiểm cho sinh sản. Carbon tetrachloride và trichloroethylene phải đối mặt với những hạn chế pháp lý nghiêm ngặt do nguy cơ sức khỏe và lo ngại về sự suy giảm tầng ozone.

Dung môi fluorideđã được chú ý gần đây, đặc biệt là trong các ứng dụng chuyên biệt. Các hợp chất này có độc tính thấp hơn so với các chất thay thế clo trong nhiều trường hợp và thể hiện tính ổn định hóa học tuyệt vời. Ngành công nghiệp pin đã thể hiện sự quan tâm đặc biệt đến cacbonat flo hóa cho các ứng dụng pin lithium{2}}điện áp cao do tính ổn định oxy hóa vượt trội của chúng.

Dung môi cacbonat chiếm một vị trí đặc biệt do vai trò quan trọng của chúng trong việc lưu trữ năng lượng hiện đại. Các hợp chất này chứa nhóm cacbonat (−O−CO−O−) trong cấu trúc của chúng.

Cacbonat tuần hoànnhư ethylene cacbonat (EC) và propylene cacbonat (PC) có hằng số điện môi cao nhưng cũng có độ nhớt cao. Ethylene cacbonat, rắn ở nhiệt độ phòng, trở thành chất lỏng khi trộn với các dung môi khác. Các hợp chất này tạo thành màng bảo vệ ổn định trên bề mặt điện cực.

cacbonat tuyến tínhchẳng hạn như dimethyl cacbonat (DMC), diethyl cacbonat (DEC) và ethyl methyl cacbonat (EMC) có độ nhớt thấp hơn nhưng hằng số điện môi cũng thấp hơn. Sự kết hợp giữa cacbonat tuần hoàn và cacbonat tuyến tính tạo ra dung dịch điện phân có tính chất cân bằng.

Hiểu biếtpin lithium là gìcông nghệ đòi hỏi phải nhận ra chức năng thiết yếu của dung môi hữu cơ trong các thiết bị lưu trữ năng lượng này. Pin lithium chuyển đổi năng lượng hóa học thành năng lượng điện thông qua chuyển động ion lithium giữa các điện cực. Dung môi hữu cơ tạo thành nền tảng của chất điện phân lỏng cho phép vận chuyển ion này.

Trong chất điện phân pin lithium, dung môi hữu cơ phải đáp ứng đồng thời nhiều yêu cầu khắt khe. Chúng cần hằng số điện môi cao để hòa tan các muối lithium như lithium hexafluorophosphate (LiPF₆), nhưng độ nhớt thấp để cho phép chuyển động ion nhanh chóng. Chúng phải duy trì ổn định điện hóa trong phạm vi điện áp hoạt động của pin, chống phân hủy ở cả hai điện cực và hoạt động hiệu quả trong phạm vi nhiệt độ rộng.

Chất điện phân pin lithium điển hình bao gồm các dung môi hữu cơ hỗn hợp. Một công thức phổ biến kết hợp ethylene cacbonat với dimethyl cacbonat hoặc diethyl cacbonat theo tỷ lệ cụ thể. Hằng số điện môi cao của ethylene cacbonat hòa tan muối lithium một cách hiệu quả và tạo thành lớp xen kẽ chất điện phân rắn (SEI) bảo vệ trên cực dương than chì. Lớp SEI này ngăn chặn sự phân hủy dung môi hơn nữa trong khi cho phép ion lithium đi qua. Tuy nhiên, điểm nóng chảy cao của EC (36 độ) đòi hỏi phải trộn với các dung môi lỏng như DMC hoặc DEC.

Propylene cacbonat ban đầu tỏ ra đầy hứa hẹn nhưng lại gây ra hiện tượng bong tróc than chì trong pin lithium{0}}ion thông thường. Các nhà nghiên cứu dành nó cho pin sử dụng vật liệu anode thay thế. Các cacbonat tuyến tính như DMC và DEC làm giảm độ nhớt của chất điện phân, cải thiện độ dẫn ion và hiệu suất-ở nhiệt độ thấp.

Sự phát triển pin lithium tiên tiến thúc đẩy đổi mới dung môi hữu cơ Vật liệu catốt có điện áp cao-yêu cầu dung môi có khả năng chống oxy hóa vượt trội. Dung môi hữu cơ fluoride đã nổi lên như những ứng cử viên, mang lại sự ổn định ở điện thế trên 4,5V so với lithium. Những dung môi chuyên dụng này cho phép pin thế hệ tiếp theo-có mật độ năng lượng cao hơn.

Các yêu cầu về chất lượng đối với dung môi hữu cơ-cấp pin là đặc biệt nghiêm ngặt. Độ tinh khiết phải vượt quá 99,9%, với độ ẩm dưới 10 phần triệu. Ô nhiễm nước gây ra hiện tượng thủy phân muối lithium, tạo ra axit flohydric làm suy giảm các thành phần của pin và làm giảm hiệu suất. Các tạp chất làm giảm khả năng oxy hóa và ảnh hưởng đến sự an toàn.

Tái chế pin đặt ra những thách thức bổ sung cho việc quản lý dung môi hữu cơ. Pin lithium đã qua sử dụng chứa chất điện phân đã cũ và các sản phẩm phân hủy. Khai thác an toàn và tái chế hoặc xử lý thích hợp các dung môi hữu cơ này sẽ ngăn ngừa ô nhiễm môi trường và thu hồi các vật liệu có giá trị.

Dung môi hữu cơ xuất hiện ở hầu hết mọi lĩnh vực công nghiệp, với mức tiêu thụ hàng năm trên toàn cầu vượt quá 28 triệu tấn. Khả năng hòa tan, đình chỉ, chiết xuất hoặc pha loãng các vật liệu khác mà không gây ra thay đổi hóa học khiến chúng không thể thay thế được trong nhiều quy trình.

Ngành công nghiệp sơn và sơn đại diện cho ngành tiêu thụ dung môi hữu cơ lớn nhất. Dung môi hòa tan nhựa và chất màu, kiểm soát độ nhớt để ứng dụng thích hợp và bay hơi để để lại lớp phủ đồng nhất. Toluene, xylene, axeton và các loại rượu khác nhau được dùng làm chất pha loãng sơn và chất tẩy rửa cho thiết bị sơn.

Sản xuất dược phẩm phụ thuộc nhiều vào dung môi hữu cơ trong suốt quá trình phát triển và sản xuất thuốc. Dung môi đóng vai trò là môi trường phản ứng để tổng hợp hóa học, là chất chiết để phân lập các hợp chất hoạt động từ các nguồn tự nhiên, là môi trường tinh chế trong quá trình kết tinh và là chất mang trong các công thức. Ethanol, metanol, axeton và dichloromethane là một trong những dung môi dược phẩm được sử dụng thường xuyên nhất.

Lĩnh vực chất kết dính và chất bịt kín sử dụng dung môi hữu cơ để kiểm soát độ đặc và cho phép ứng dụng. Sau khi thi công, dung môi bay hơi sẽ tạo điều kiện cho keo đông kết. Các loại keo công nghiệp, keo xây dựng và keo gia dụng đều có chứa dung môi hữu cơ trong công thức của chúng.

Mực in yêu cầu dung môi để duy trì tính lưu động thích hợp và đảm bảo phân bố đều trên bề mặt in. Các phương pháp in khác nhau-offset, in flexo, in ống đồng-sử dụng các hệ dung môi khác nhau được tối ưu hóa cho các yêu cầu cụ thể của chúng. Hydrocacbon thơm và este thường xuất hiện trong công thức mực in.

Hoạt động tổng hợp hóa học trên tất cả các quy mô đều sử dụng dung môi hữu cơ làm môi trường phản ứng. Dung môi tạo điều kiện thuận lợi cho việc trộn chất phản ứng, kiểm soát nhiệt độ phản ứng thông qua khả năng tỏa nhiệt của chúng và ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng và độ chọn lọc. Các nhà nghiên cứu trong phòng thí nghiệm và các nhà máy hóa chất công nghiệp đều phụ thuộc vào việc lựa chọn dung môi thích hợp để biến đổi hóa học thành công.

Ngành công nghiệp điện tử sử dụng dung môi hữu cơ để làm sạch bảng mạch, loại bỏ cặn từ thông và tẩy dầu mỡ cho các bộ phận. Làm sạch chính xác đòi hỏi dung môi bay hơi hoàn toàn mà không để lại cặn. Isopropanol và dung môi fluoride chuyên dụng phục vụ các ứng dụng này.

Chăm sóc cá nhân và mỹ phẩm kết hợp dung môi hữu cơ trong nước hoa, sơn móng tay, tẩy sơn móng tay và các quy trình tạo công thức khác nhau. Ethanol và ethyl acetate xuất hiện thường xuyên trong các sản phẩm tiêu dùng này.

Hoạt động giặt khô truyền thống dựa vào dung môi hữu cơ, đặc biệt là perchloroethylene (tetrachloroethylene), để làm sạch các loại vải mỏng manh mà không cần nước. Mối quan tâm về môi trường và sức khỏe đã thúc đẩy sự phát triển của các dung môi thay thế cho ứng dụng này.

Organic Solvents

Dung môi hữu cơ gây ra nhiều rủi ro cho sức khỏe tùy thuộc vào thành phần hóa học, nồng độ, thời gian phơi nhiễm và đường phơi nhiễm. Hàng triệu công nhân trên toàn thế giới phải đối mặt với khả năng tiếp xúc với dung môi tại nơi làm việc của họ.

Hiệu ứng phơi nhiễm cấp tínhchủ yếu liên quan đến trầm cảm hệ thần kinh trung ương. Phơi nhiễm ở mức độ cao-trong thời gian ngắn{2}}gây ra các triệu chứng từ nhức đầu, chóng mặt và choáng váng đến lú lẫn, mất khả năng phối hợp, bất tỉnh, co giật và có khả năng tử vong. Kích ứng mắt, mũi và họng thường xảy ra khi tiếp xúc với hơi dung môi. Những tác động tức thời này sẽ giải quyết nhanh chóng sau khi kết thúc tiếp xúc, nhưng chúng tạo ra những mối nguy hiểm tức thời về mặt an toàn do làm suy giảm khả năng phán đoán và thời gian phản ứng.

Phơi nhiễm mãn tínhdung môi hữu cơ trong nhiều tháng hoặc nhiều năm dẫn đến hậu quả nghiêm trọng hơn cho sức khỏe. Tiếp xúc kéo dài gây tổn thương nhiều hệ thống cơ quan:

Hệ thống thần kinh cho thấy sự dễ bị tổn thương đặc biệt. Độc tính thần kinh mãn tính của dung môi biểu hiện như suy giảm nhận thức, các vấn đề về trí nhớ, thay đổi tính cách và giảm khả năng phối hợp. Một số dung môi nhất định-n-hexane, toluene và styrene-đã được xác nhận là chất độc thần kinh. Tình trạng này có thể đảo ngược một phần khi ngừng tiếp xúc, nhưng trường hợp nghiêm trọng sẽ gây tổn thương vĩnh viễn.

Một số dung môi hữu cơ được xác nhận là chất gây ung thư ở người. Benzen gây bệnh bạch cầu và rối loạn máu. Formaldehyde làm tăng nguy cơ ung thư vòm họng và bệnh bạch cầu. Trichloroethylene và carbon tetrachloride cũng được phân loại là chất gây ung thư.

Đã được ghi nhận là có ảnh hưởng đến sức khỏe sinh sản do một số dung môi. 2-ethoxyetanol và 2-methoxyetanol gây tổn hại đến khả năng sinh sản ở cả nam và nữ. Phụ nữ mang thai tiếp xúc với nồng độ dung môi cao phải đối mặt với nguy cơ sảy thai, dị tật bẩm sinh và trẻ nhẹ cân.

Tổn thương gan và thận do tiếp xúc lâu dài với nhiều dung môi. Các cơ quan này chuyển hóa dung môi, khiến chúng dễ bị nhiễm độc-dung môi. Dung môi clo đặc biệt ảnh hưởng đến chức năng gan.

Các tác dụng phụ trên da xảy ra thường xuyên ở những công nhân xử lý dung môi. Dung môi loại bỏ dầu tự nhiên khỏi da, gây khô, nứt và viêm da. Một số dung môi thấm vào vùng da nguyên vẹn và đi vào máu, tạo ra con đường phơi nhiễm ngoài đường hô hấp.

Đường phơi nhiễmxác định mức độ nghiêm trọng và loại ảnh hưởng sức khỏe. Hít phải là con đường tiếp xúc chính với các dung môi hữu cơ dễ bay hơi. Hơi dung môi đi vào phổi và nhanh chóng phân phối khắp cơ thể qua đường máu. Sự hấp thụ qua da xảy ra khi dung môi lỏng tiếp xúc với da hoặc khi người lao động nhúng tay vào bồn dung môi. Việc nuốt phải, tuy ít phổ biến hơn, xảy ra khi bàn tay bị ô nhiễm chạm vào hộp đựng thức ăn hoặc đồ uống.

Nguy cơ cháy nổhiện những mối nguy hiểm trước mắt. Hầu hết các dung môi hữu cơ đều rất dễ cháy với điểm bốc cháy thấp. Hỗn hợp hơi-không khí trong phạm vi dễ cháy có thể bốc cháy do tĩnh điện, tia lửa điện, ngọn lửa trần hoặc bề mặt nóng. Bảo quản đúng cách đòi hỏi phải nối đất các thùng chứa để ngăn chặn hiện tượng phóng tĩnh điện. Thiết bị điện ở những khu vực sử dụng dung môi nặng về bản chất phải an toàn. Giấy phép lao động và thông gió kỹ lưỡng là bắt buộc trước bất kỳ "công việc nóng" nào trong các khu vực sử dụng-dung môi.

Giới hạn tiếp xúc theo quy địnhgiúp bảo vệ người lao động. Cơ quan Quản lý An toàn và Sức khỏe Nghề nghiệp (OSHA) thiết lập Giới hạn Phơi nhiễm Cho phép (PEL) đối với nhiều dung môi. Viện Quốc gia về An toàn và Sức khỏe Nghề nghiệp (NIOSH) công bố Giới hạn Phơi nhiễm Khuyến nghị (REL). Hội nghị các nhà vệ sinh công nghiệp chính phủ Hoa Kỳ (ACGIH) phát triển các Giá trị giới hạn ngưỡng (TLV). Các giới hạn này chỉ định nồng độ trung bình trong không khí tối đa trong tám-ca làm việc.

Biện pháp bảo vệphải được thực hiện ở bất cứ nơi nào sử dụng dung môi hữu cơ:

Kiểm soát kỹ thuật cung cấp tuyến phòng thủ đầu tiên. Thông gió đầy đủ sẽ loại bỏ hơi dung môi tại nguồn của chúng. Hệ thống xả cục bộ, tủ hút và khu vực lưu trữ thông gió làm giảm nồng độ trong không khí. Hệ thống khép kín giảm thiểu việc giải phóng dung môi.

Thiết bị bảo hộ cá nhân (PPE) bao gồm găng tay chống hóa chất-được chọn cho các dung môi cụ thể, kính hoặc kính bảo hộ an toàn, mặt nạ phòng độc khi hệ thống thông gió không đủ và quần áo bảo hộ. Việc lựa chọn găng tay đòi hỏi sự chú ý cẩn thận-các nhóm dung môi khác nhau có thể thẩm thấu vào các vật liệu găng tay khác nhau.

Kiểm soát hành chính liên quan đến thực hành công việc phù hợp. Người lao động nên sử dụng lượng dung môi tối thiểu, đậy nắp hộp đựng khi không sử dụng, tránh rửa tay bằng dung môi, thay quần áo-bị nhiễm dung môi ngay lập tức và được đào tạo thường xuyên về quy trình xử lý an toàn.

Dung môi hữu cơ làm từ dầu mỏ-truyền thống góp phần đáng kể vào các vấn đề môi trường. Độ biến động cao của chúng dẫn đến lượng khí thải đáng kể vào khí quyển. Các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi (VOC) được giải phóng từ dung môi tham gia vào quá trình hình thành sương mù quang hóa và góp phần gây ô nhiễm tầng ozone trên mặt đất. Năm 2017, dung môi hữu cơ được xếp hạng trong số lượng hóa chất thải vào không khí có khối lượng cao nhất được Cơ quan Bảo vệ Môi trường Hoa Kỳ theo dõi.

Xử lý không đúng cách làm ô nhiễm đất và nước ngầm. Nhiều dung môi hữu cơ chống lại sự phân hủy sinh học, tồn tại trong môi trường trong thời gian dài. Hệ sinh thái dưới nước bị tổn hại đặc biệt khi nước-bị ô nhiễm dung môi chảy vào suối, sông hoặc hồ. Nguồn gốc-dựa trên dầu mỏ của các dung môi thông thường cũng tạo ra mối lo ngại về tính bền vững do nguồn nhiên liệu hóa thạch có hạn.

Áp lực điều tiết đã gia tăng trong những năm gần đây. Chỉ thị VOC của Liên minh Châu Âu hạn chế lượng khí thải vào khí quyển. Cơ quan Bảo vệ Môi trường Hoa Kỳ đặt ra các tiêu chuẩn nghiêm ngặt về việc sử dụng, lưu trữ và thải bỏ dung môi. Nhiều khu vực pháp lý cấm hoặc hạn chế nghiêm ngặt các dung môi đặc biệt nguy hiểm như carbon tetrachloride và một số hợp chất clo hóa.

Các nguyên tắc hóa học xanh đã thúc đẩy sự phát triển của các dung môi thay thế nhằm giảm tác động đến môi trường và sức khỏe. Dung môi dựa trên sinh học-có nguồn gốc từ nguyên liệu tái tạo mang lại một hướng đi đầy hứa hẹn.

Ethanoltừ ngô, mía hoặc các nguồn thực vật khác là dung môi dựa trên{0}}sinh học được sử dụng rộng rãi nhất. Cơ sở hạ tầng hiện có, sự quen thuộc và hồ sơ tương đối lành tính khiến nó trở nên hấp dẫn đối với nhiều ứng dụng. Ethanol-sinh học giống hệt về mặt hóa học với ethanol có nguồn gốc từ dầu mỏ-nhưng có nguồn gốc từ các nguồn tài nguyên tái tạo.

Etyl lactat, được sản xuất từ quá trình chế biến ngô, được coi là chất thay thế an toàn hơn cho etyl axetat và axeton. Este gốc sinh học-này hoạt động hiệu quả trong việc làm sạch kim loại, tẩy sơn và làm dung môi phủ. Khả năng phân hủy sinh học và độc tính thấp của nó phù hợp với các ứng dụng mà sự tồn tại lâu dài của môi trường gây lo ngại.

2-Metyltetrahydrofuran (2-MeTHF), có nguồn gốc từ lõi ngô và bã mía, cung cấp giải pháp thay thế xanh hơn cho dichloromethane và tetrahydrofuran thông thường. Ether tuần hoàn này đã tìm thấy ứng dụng trong tổng hợp dược phẩm và sản xuất polymer.

Cyrene (dihydrolevoglucosenone)đại diện cho một sự đổi mới gần đây trong dung môi xanh. Được tổng hợp từ chất thải xenlulo thông qua quy trình gần như trung hòa năng lượng-, Cyrene có độc tính thấp và có thể thay thế dimethylformamide (DMF) và N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) trong nhiều ứng dụng. Nó đã được chứng minh là có hiệu quả trong việc sản xuất graphene và các phản ứng ghép chéo cacbon. Cyrene đã nhận được sự công nhận thông qua một số giải thưởng về sự đổi mới và thông tin bền vững.

Dung môi Eutectic sâu tự nhiên (NADES)tạo thành một loại dung môi xanh mới nổi được hình thành bằng cách kết hợp các hợp chất tự nhiên như choline clorua, urê, glycerol và axit hữu cơ. Những hỗn hợp eutectic này vẫn ở dạng lỏng ở nhiệt độ phòng mặc dù chúng có thành phần rắn. NADES có độc tính thấp, khả năng phân hủy sinh học và khả năng hòa tan các chất khác nhau. Các ứng dụng của chúng bao gồm chiết xuất các hợp chất có hoạt tính sinh học từ thực vật, tổng hợp dược phẩm và hóa học phân tích.

Thị trường-dung môi dựa trên sinh học đã phát triển đáng kể, với các dự báo cho thấy sẽ tiếp tục mở rộng. Nghiên cứu Thị trường Đồng minh ước tính thị trường dung môi xanh và{2}}dung môi sinh học sẽ có tốc độ tăng trưởng kép hàng năm là 4,3% từ năm 2014 đến năm 2020. Nhu cầu của người tiêu dùng đối với các sản phẩm có trách nhiệm với môi trường, cùng với các yêu cầu pháp lý, thúc đẩy sự tăng trưởng này.

Tuy nhiên, dung môi xanh phải đối mặt với những thách thức. Chúng chưa thể thay thế các dung môi thông thường trong mọi ứng dụng do hạn chế về hiệu suất hoặc chi phí cao hơn. Một số nguyên liệu-dựa trên sinh học cạnh tranh với sản xuất thực phẩm, đặt ra các câu hỏi về tính bền vững. Việc đánh giá-vòng đời của dung môi xanh phải xem xét toàn bộ chuỗi sản xuất của chúng, bao gồm cả đầu vào nông nghiệp, năng lượng chế biến và vận chuyển.

Không có dung môi nào là "xanh" hoàn toàn trong mọi bối cảnh. Mỗi loại phải được đánh giá trong ứng dụng cụ thể của nó, xem xét các phương pháp sản xuất, khả năng tái chế, xử lý-hết-vòng đời và hiệu quả của quy trình tổng thể. Mục tiêu không phải là một dung môi xanh phổ quát mà là một bộ công cụ đa dạng gồm các giải pháp thay thế an toàn hơn phù hợp với các ứng dụng khác nhau.

Việc chọn dung môi hữu cơ phù hợp cho một ứng dụng cụ thể đòi hỏi phải cân bằng nhiều yếu tố. Hướng dẫn lựa chọn dung môi đã được phát triển để giúp các nhà hóa học và kỹ sư đưa ra quyết định sáng suốt.

Thông số độ hòa tandự đoán liệu dung môi có hòa tan được một vật liệu cụ thể hay không. Nguyên tắc "giống như hòa tan như thế" cung cấp điểm khởi đầu-dung môi phân cực hòa tan chất tan phân cực, trong khi dung môi không{2}}phân cực hòa tan chất không-phân cực. Các thông số hòa tan của Hansen cung cấp một cách tiếp cận ba chiều phức tạp hơn{5}}, phân tách sự phân cực thành các lực phân tán, tương tác phân cực và các thành phần liên kết hydro.

Cân nhắc phản ứngtrong tổng hợp hóa học bao gồm ảnh hưởng của dung môi đến tốc độ phản ứng, độ chọn lọc và năng suất. Độ phân cực của dung môi ảnh hưởng đến cơ chế phản ứng. Dung môi protic (những chất có khả năng liên kết hydro) hoạt động khác với dung môi không proton (những chất không có) trong nhiều phản ứng. Yêu cầu về nhiệt độ có thể quyết định các phản ứng lựa chọn dung môi-ở nhiệt độ cao đòi hỏi dung môi có độ sôi-cao, trong khi các phản ứng ở nhiệt độ-thấp cần dung môi ở dạng lỏng ở nhiệt độ đó.

Xử lý xuôi dòngảnh hưởng đến việc lựa chọn dung môi. Nếu sản phẩm phải được tách ra khỏi dung môi thì việc phân tách dễ dàng là vấn đề quan trọng. Dung môi dễ bay hơi cho phép bay hơi đơn giản. Dung môi không thể trộn lẫn cho phép chiết chất lỏng-lỏng. Một số quy trình tái chế và tái sử dụng dung môi, điều này làm cho tính ổn định và dễ dàng tinh chế trở nên quan trọng.

Hồ sơ môi trường, sức khỏe và an toàn (EHS)nặng nề trong việc lựa chọn dung môi hiện đại. Các công cụ như hướng dẫn lựa chọn dung môi CHEM21 giúp xác định các giải pháp thay thế an toàn hơn. Những hướng dẫn này xếp hạng dung môi theo nhiều loại: an toàn (tính dễ cháy, khả năng phản ứng), sức khỏe (độc tính cấp tính, tác dụng mãn tính), môi trường (độ bền, độc tính với môi trường thủy sinh) và khó khăn trong xử lý chất thải.

Yếu tố kinh tếbao gồm chi phí dung môi, rất khác nhau và các yêu cầu về cơ sở hạ tầng. Dung môi chuyên dụng có thể yêu cầu thiết bị đắt tiền để ngăn chặn hoặc thu hồi. Chi phí tuân thủ quy định-cho phép, giám sát, báo cáo-thêm vào tổng chi phí sử dụng một số dung môi nhất định.

Hệ dung môi hỗn hợpthường mang lại hiệu quả tốt hơn so với các dung môi đơn lẻ. Hỗn hợp nhị phân hoặc bậc ba có thể kết hợp những ưu điểm của các dung môi khác nhau đồng thời giảm thiểu những nhược điểm. Chất điện phân pin lithium minh họa cho phương pháp này, trộn dung môi để đạt được cả hằng số điện môi cao và độ nhớt thấp.

Công nghệ dung môi hữu cơ tiếp tục phát triển để đáp ứng nhu cầu công nghệ và yêu cầu bền vững.

Quy trình không dùng dung môi-đại diện cho một mục tiêu lý tưởng trong hóa học xanh. Nếu khả thi, việc loại bỏ dung môi sẽ loại bỏ hoàn toàn rủi ro và chi phí liên quan. Phản ứng ở trạng thái rắn-, phản ứng nguyên chất (chất phản ứng được trộn không có dung môi) và các quá trình cơ hóa thúc đẩy mục tiêu này. Tuy nhiên, nhiều ứng dụng vẫn cần dung môi để triển khai thực tế.

Chất lỏng siêu tới hạn, đặc biệt là carbon dioxide siêu tới hạn (scCO₂), mang đến giải pháp thay thế cho các dung môi hữu cơ thông thường. Trên nhiệt độ và áp suất tới hạn, CO₂ trở thành chất lỏng có mật độ-giống chất lỏng nhưng có độ khuếch tán giống khí-. ScCO₂ hòa tan nhiều chất không{4}}phân cực, không tạo ra dư lượng độc hại và dễ dàng phân tách bằng cách giảm áp suất. Ngành công nghiệp cà phê sử dụng scCO₂ để khử caffein. Chiết xuất dược phẩm và xử lý polyme cũng sử dụng chất lỏng siêu tới hạn. Yêu cầu về thiết bị áp suất cao-và độ phân cực hạn chế hạn chế việc áp dụng rộng rãi hơn.

chất lỏng ionbao gồm các ion vẫn ở dạng lỏng ở nhiệt độ phòng. Những dung môi thiết kế này có thể được điều chỉnh cho phù hợp với các ứng dụng cụ thể bằng cách chọn các kết hợp cation{1}}anion thích hợp. Áp suất hơi không đáng kể của chúng ngăn chặn sự phát thải vào khí quyển. Tuy nhiên, nhiều chất lỏng ion chưa rõ độc tính, quá trình tổng hợp chúng có thể tốn kém và khả năng tái chế của chúng đòi hỏi phải đánh giá theo từng trường hợp.

Sàng lọc dung môi tính toántăng tốc độ lựa chọn dung môi thông qua mô hình phân tử và học máy. Việc dự đoán các đặc tính của dung môi, kết quả phản ứng và tác động đến môi trường sẽ giúp giảm bớt lỗi thử nghiệm-và-thử nghiệm. Những công cụ này giúp xác định các ứng viên có triển vọng từ không gian hóa học rộng lớn.

Dung môi fluoride cho pin tiên tiếnnhận được sự quan tâm nghiên cứu chuyên sâu. Pin lithium thế hệ tiếp theo-có điện áp và mật độ năng lượng cao hơn cần dung môi ổn định trên 4,8V. Cacbonat và ete flo hóa một phần cho thấy nhiều hứa hẹn. Trifluoroethyl methyl cacbonat và các hợp chất flo hóa khác tạo ra cực âm-giàu lithium{6}}điện áp cao và cực dương kim loại lithium.

Tái chế và thu hồi dung môicông nghệ cải thiện tính bền vững. Chưng cất tách các dung môi hỗn hợp dựa trên sự khác biệt về điểm sôi. Quá trình tách màng, hấp phụ và quá trình oxy hóa nâng cao sẽ phục hồi và tinh chế các dung môi đã qua sử dụng. Hệ thống-vòng khép kín giảm thiểu việc tiêu thụ dung môi mới và tạo ra chất thải.

Ngành dung môi hữu cơ đang phải đối mặt với căng thẳng liên tục giữa yêu cầu về hiệu suất và mục tiêu bền vững. Một số ứng dụng có thể không bao giờ tìm được giải pháp thay thế xanh phù hợp, đòi hỏi phải tiếp tục sử dụng dung môi truyền thống dưới sự kiểm soát chặt chẽ. Các ứng dụng khác sẽ chuyển sang các phương pháp tiếp cận dựa trên sinh học, ít nguy hiểm hơn hoặc hoàn toàn không có dung môi-. Quỹ đạo hướng tới một bộ công cụ dung môi dành riêng cho ứng dụng,-đa dạng hơn, ưu tiên trách nhiệm về an toàn và môi trường.

Nghiên cứu về các mối quan hệ thuộc tính-cấu trúc tiếp tục tiết lộ cách cấu trúc phân tử xác định các đặc tính của dung môi. Kiến thức này cho phép thiết kế hợp lý các dung môi mới được tối ưu hóa cho các mục đích cụ thể. Sự kết hợp giữa các nguyên tắc hóa học xanh, kỹ thuật mô tả đặc tính tiên tiến và các công cụ tính toán đang định hình lại công nghệ dung môi hữu cơ cho thế kỷ 21.

Organic Solvents

Một dung môi hữu cơ chứa các nguyên tử carbon như một phần của cấu trúc phân tử của nó, thường liên kết với các nguyên tử hydro, oxy, nitơ hoặc halogen. Điều này giúp phân biệt dung môi hữu cơ với dung môi vô cơ như nước (H₂O) hoặc amoniac lỏng thiếu cacbon. Cấu trúc dựa trên cacbon-mang lại cho dung môi hữu cơ khả năng hòa tan các hợp chất hữu cơ khác.

Không phải tất cả các dung môi hữu cơ đều có mức độc tính như nhau. Độc tính thay đổi đáng kể dựa trên cấu trúc hóa học. Ethanol có độc tính tương đối thấp và xuất hiện trong đồ uống và thuốc. Ngược lại, benzen có độc tính cao và gây ung thư. Carbon tetrachloride gây tổn thương gan nghiêm trọng. Mỗi dung môi yêu cầu đánh giá riêng về rủi ro sức khỏe của nó thông qua bảng dữ liệu an toàn và hướng dẫn quy định.

Có, nhiều dung môi hữu cơ có thể được tái chế thông qua quá trình chưng cất, tách các thành phần dựa trên các điểm sôi khác nhau. Các ngành công nghiệp hóa chất thường xuyên thu hồi và tái sử dụng dung môi để giảm chi phí và tác động đến môi trường. Tính khả thi của việc tái chế phụ thuộc vào loại dung môi, yêu cầu về độ tinh khiết và mức độ ô nhiễm. Một số ứng dụng yêu cầu dung môi nguyên chất trong khi những ứng dụng khác chấp nhận vật liệu tái chế.

Pin lithium cần dung môi hữu cơ vì lithium phản ứng mạnh với nước, khiến cho chất điện phân nước không thể hoạt động được. Dung môi cacbonat hữu cơ hòa tan muối lithium trong khi vẫn ổn định về mặt điện hóa trong phạm vi điện áp của pin. Chúng cũng tạo thành màng bề mặt bảo vệ trên các điện cực để ngăn chặn sự phân hủy thêm. Sự kết hợp cụ thể của ethylene cacbonat với cacbonat tuyến tính mang lại sự cân bằng tối ưu về độ dẫn ion và bảo vệ điện cực.

Dung môi hữu cơ là chất lỏng gốc cacbon-cần thiết trong các ngành công nghiệp từ dược phẩm đến điện tử, với hơn 200 hợp chất riêng biệt phục vụ các ứng dụng chuyên biệt

Rủi ro về sức khỏe và an toàn khác nhau đáng kể giữa các dung môi hữu cơ, từ ethanol tương đối lành tính đến benzen gây ung thư, đòi hỏi phải kiểm soát phơi nhiễm nghiêm ngặt và thiết bị bảo hộ thích hợp

Công nghệ pin lithium phụ thuộc rất nhiều vào dung môi cacbonat hữu cơ để hòa tan muối lithium, dẫn ion giữa các điện cực và tạo thành màng bảo vệ giúp kéo dài tuổi thọ pin

Các giải pháp thay thế xanh bao gồm dung môi-dựa trên sinh học, dung môi eutectic sâu tự nhiên và hợp chất flo hóa đang dần thay thế các dung môi có nguồn gốc từ dầu mỏ-nguy hiểm

Việc lựa chọn dung môi yêu cầu phải cân bằng nhiều yếu tố bao gồm khả năng hòa tan, hồ sơ an toàn, tác động môi trường, chi phí và các yêu cầu về hiệu suất cụ thể của ứng dụng-