环境化学第八章.ppt

1、第八章 绿色化学的基本原理与应用,第一节 绿色化学的诞生和发展简史,一、绿色化学的诞生,二、绿色化学的定义和发展简史,绿色化学的定义研究利用一套原理在化学产品的设计、开发和生产加工过程中减少或消除使用或产生对人类健康和环境有害的科学。 发展简史 1990年，美国通过了一项“防止污染行动”的法令。 1991年后，绿色化学由美国化学会（ACS）提出并成为美国国家环保局（EPA）的中心口号。 1995年，美国前总统克林顿设立了“总统绿色化学挑战奖”，从 1996年开始在华盛顿国家科学院每年颁发一次，这是化学领域唯一的总统级科学奖。 1999年，世界上第一本绿色化学杂志诞生。 2000年，美国化学会出

2、版了第一本绿色化学教科书。,绿色化学在中国的发展制订了“科教兴国”和可持续发展策略，并于1993年世界环境和发展大会之后，编制了中国21世纪议程郑重声明走可持续发展道路的决心。1995年中国科学院化学部组织了绿色化学与技术推进化工生产可持续发展的途径院士咨询活动1997年国家自然科学基金委“九五”重大项目：环境友好石油化工催化化学与反应工程 1997年5月，香山科学会议第72次学术研讨会：可持续发展问题对科学的挑战绿色化学 1998年合肥第一届国际绿色化学高级研讨会1999年北京第16次九华山科学论坛“绿色化学的基本科学问题” 2000年科技部国家重点基础研究发展规划项目立项石油炼制和基本有机

3、化学品合成的绿色化学,第二节 绿色化学的基本原理,一、绿色化学的12条原理及特点,1、预防防止废物的产生而不是产生后再来处理；,2、原子经济性合成方法应设计成能将所有的起始物质嵌入到最终产物中；,3、无害的化学合成只要可能，反应中使用和生成的物质应对人类健康和环 境无毒或毒性很小；,4、设计无危险的化学品设计的化学产品应在保护原有功效的同时尽量使其 无毒或毒性很小；,5、安全的溶剂和助剂尽量不使用辅助性物质（如溶剂、分离试剂等），如 果一定要用，也应使用无毒物质；,6、设计要讲求能效能量消耗越小越好，应能为环境和经济方面的考虑所接受；,7、使用可再生的原料只要技术上和经济上可行，使用的原材料应

4、是能 再生的；,8、减少衍生物应尽量避免不必要的衍生过程（如基团的保护，物理与 化学过程的临时性修改等）；,9、催化作用尽量使用选择性高的催化剂，而不是提高反应物的配料比；,10、设计要考虑降解设计化学产品时，应考虑当该物质完成自己的功能后，不再滞 留于环境中，而可降解为无毒的产品；,11、为了预防污染进行实时分析分析方法也需要进一步研究开发，使之能 做到实时、现场监控，以防有害物质的形成；,12、防止事故发生的固有安全化学化学过程中使用的物质或物质的形态，应考虑尽 量减少实验事故的潜在危险，如气体释放、爆炸和着火等。,非传统原材料原料的绿色化用生物质原料（淀粉、纤维素）合成乙醇等有机品以生物

5、质为原料制生物质能源 非传统溶剂溶剂的绿色化超临界二氧化碳作为绿色溶剂的利用离子液体作为绿色溶剂的应用 催化剂的绿色化无毒无害催化剂 原子经济性反应化学反应的绿色化,12条原理的核心：少废、无废和无毒、无害,溶剂的绿色化,由于当前广泛使用的有机溶剂一般都是挥发性有机化合物(VOC),对环境产生有有害影响,。超临界流体是指处于超临界温度及超临界压力下的流体,是一种界与气态与液态之间的流体状态,其密度接近与液体，而粘度接近气体。超临界二氧化碳流体（温度临界点为311C,压力临界点为7477.79kPa）由于其临界温度与压力适中、来源广泛、回收方便、无毒等特点受到重视.还有水和临界水作为溶剂以及采用

6、无溶剂的固相反应等也得到广泛研究。,催化剂的绿色化,在化学合成中使用催化剂（catalyst），可以改变化学反应的途径，降低反应的活化能，从而提高产率，降低耗能。实际上，催化剂在考虑和选择原子利用率高、E-因子小的零排放（zero release）（或低排放）、无盐（或低盐）、对环境友好的合成方法时具有重要作用。,下列既为乙酸生产新旧工艺的对比，新方法（Monsanto法）原料成本低，步骤简单，一步完成，原子利用率达100%，属于低排放无盐工艺。目前世界年产乙酸500万吨，其中二分之一是有该方法生产的。,Kolbe法（1845年）：,Monsanto法(1971年):,催化剂对环境的影响也不容

7、忽视,如目前烃类烷基化反应中使用的氢氟酸、硫酸、三氯化铝等液体酸催化剂对设备腐蚀严重,危害人体健康,产生废液、废渣,污染环境.国外正从分子筛、杂多酸、超强酸等新型催化材料中大力开发固体酸烷基化催化剂。异丁烷与丁烯的烷基化工艺中使用的氢氰酸或硫酸催化剂,据国外报道也可用新开发的负载型磺酸盐/SiO2催化剂所代替。,美国著名有机化学家Trost在1991年首先提出了原子经济性（Atomeconomy ）的概念，认为高效的有机合成应最大限度地利用原料分子的每一个原子，使之结合到目标分子中（如完全的加成反应 : A+B=C），达到零排放。原子经济性可用原子利用率来衡量，我们把原子利用率为定义为：原子经

8、济性的反应有两个显著优点：一是最大限度地利用了原料；二是最大限度地减少了废物的排放，减少了环境污染，适应了社会要求，是合成方法发展的趋势。,如环氧乙烷生产中，经典的氯代乙醇法化学产率虽然可达100%，但其原子利用率只有25%，生产1kg环氧乙烷会产生3kg的副产物；而使用石油催化新方法，只要一步反应就能直接得到产物，其原子利用率达到了100%，产率高达99%！新方法对环境的友好度明显地超过了旧方法。,经典氯代醇法(书P484),原子利用率=44/172=25%,总反应,现代石油化学工艺：,原子利用率=100%,又如有机物苯酚和丙酮都是常用的化工原料，以前丙酮要通过淀粉发酵制取，而苯酚是用钠熔融

9、法得到，都要产生相当量的废料，要是使用异丙苯和氧反应，经过两步温和的反应就能得到苯酚和丙酮，原子利用率可达100%,二、绿色化学与绿色工程,绿色工程的12条原理 P489,三、工业生态学原理,生态工业园是依据循环经济理念和工业生态学原理而设计建立的一种区域型新型工业组织形式，通过模拟自然系统建立产业系统中“生产者消费者分解者”的循环途经，尽可能实现物质闭路循环和能量多级利用。即生态园内企业模拟自然界生态系统，相互之间存在协同和共生关系，将最大限度地充分利用资源和减少负面环境影响，最后达到工业可持续发展的目标。,丹麦的卡伦堡( Kalunborg) 生态工业园区 P491,迄今为止，在世界上发展较为成熟的生态工业园区是丹麦的卡伦堡( Kalunborg) 生态工业园区，该园区以一个炼油厂、一个硫酸厂、一个制药厂、一个火力发电厂、一个渔场和一个石膏板厂组成了一个工业网为核心，其它成员包括农场、大棚养殖、养鱼场，通过贸易方式把其它企业的废弃物或副产品作为本企业的生产原料，建立工业园区代谢生态链关系，它们彼此交换能量和物质流。如图所示:,丹麦Kalundborg的工业网络图,第三节 绿色化学的应用,一、绿色化学的主要研究方向,二、绿色化学的应用 P493,