现代化工绿色化工

12009/08化工工艺学Introductiontochemicalindustry主讲丁明洁化学与材料工程学院化工工艺学AnIntroductiontoChemicalEngineering第7讲绿色化工一、传统化工面临的挑战化工资源与能源的危机石油、煤和天然气既可用做能源，也是化工的起始原料。由价廉的石油得到各种石油化工产品。石油化工产品与规模空前发展。人们逐渐认识到化工资源的匮乏和能源的危机。传统化工对生态环境的污染化工科技的进步为人们生活和社会发展化工三废对生态环境的影响有害化学品对人类与生态环境的影响科技发展的基本思考—可持续性发展目前：人类生存安全中级：人类生存质量初级：人类生存人们逐渐认识到可持续性发展要依赖科技进步；但并非一切科技都支持可持续性发展。只有满足人类生存、生存质量和生存安全三个方面的要求，科技进步才能够成为人类不断进步的推动力。人类面临的五大基本问题人类面临的五大基本问题是：人口,粮食，能源，资源，环境。在化学化工领域，认识到化工资源的短缺危机与传统化工的三废对污染环境的挑战促使各国政府倡导“绿色化学与化工”。绿色化学的兴起绿色化学的兴起与原则环保治理的三个发展阶段1.“稀释废物来防治环境污染”2.三废的后处理技术3.在源头防止废物的生成绿色化学的基本原则美国的P.T.Anastas和J.C.Waner曾提出绿色化学的12条原则：（1）防止废物的生成比在其生成后再处理更好。（2）设计的合成方法应使生产过程中所采用的原料最大量地进入产品之中。绿色化学的基本原则（3）设计合成方法时，只要可能，不论原料、中间产物和最终产品，均应对人体健康和环境无毒、无害（包括极小毒性和无毒）。（4）化工产品设计时，必须使其具有高效的功能，同时也要减少其毒性。（5）应尽可能避免使用溶剂、分离试剂等助剂，如不可避免，也要选用无毒无害的助剂。绿色化学的基本原则（6）合成方法必须考虑过程中能耗对成本与环境的影响，应设法降低能耗，最好采用在常温常压下的合成方法。（7）在技术可行和经济合理的前提下，原料要采用可再生资源代替消耗性资源。（8）在可能的条件下，尽量不用不必要的衍生物（derivatiza-tion），如限制性基团、保护/去保护作用、临时调变物理、化学工艺。绿色化学的基本原则（9）合成方法中采用高选择性的催化剂比使用化学计量（stoichiometric）助剂更优越。（10）化工产品要设计成在其使用功能终结后，它不会永存于环境中，要能分解成可降解的无害产物。（11）进一步发展分析方法，对危险物质在生成前实行在线监测和控制。（12）选择化学生产过程的物质，使化学意外事故(包括渗透、爆炸、火灾等)的危险性降低到最小程度。绿色化学的基本原则是从源头消除污染，包括新设计或者重新设计化学合成、制造方法和化工产品来根除污染源。绿色化学的定义绿色化学是指化学反应和过程以“原子经济性”为基本原则，即在获取新物质的化学反应中充分利用参与反应的每个原料原子，实现零排放。不仅充分利用资源，而且不产生污染；并采用无毒、无害的溶剂、助剂和催化剂，生产有利于环境保护、社区安全和人身健康的环境友好产品。绿色化工的定义绿色化工又称清洁生产或环境友好技术，它是在绿色化学基础上开发的从源头上阻止环境污染的化工技术。绿色化工与传统化工最主要的区别是从源头上阻止环境污染，即设计和开发在各个环节上都洁净和无污染的反应途径和工艺。绿色化学与化工的关系绿色化学追求的目标是从源头上消除污染，而绿色化工的目标则要求是经济效益和环境效益协调发展，可以概括为“三高”、“三低”、“两小”。反应要高转化率、高选择性和高能源利用率。原料要低毒、反应介质(溶剂)要低毒、产品要低毒产生废物小，副产物也要小。绿色化学与化工是未来化学工业发展的方向和基础绿色化学与化工是当今国际化学与化工科学研究的前沿，它吸收了当代化学、物理、生物、材料、信息等科学的最新理论和技术，是具有明确的社会需求和科学目标的新兴交叉学科。目前，绿色化学作为未来化学工业发展的方向和基础，越来越受到各国政府、企业和学术界的关注。世界各国重视绿色化学与化工美国总统克林顿宣布设立“总统绿色化学挑战奖”一个由日本政府规划，旨在防止全球气候变暖、在21世纪重建绿色地球的“新阳光计划”开始实施。1997年底德国联邦政府正式通过了一个名为“为环境而研究”的计划。绿色化学与化工的研究内容原料的绿色化无毒、无害原料；可再生资源为原料化学反应的绿色化原子经济性反应；提高反应选择性催化剂的绿色化：无毒无害催化剂溶剂的绿色化：无毒无害溶剂产品的绿色化原子经济性反应和高选择性反应原子经济性概念：原子经济性或原子利用率（%）=（被利用原子的质量/反应中所使用全部反应物分子的质量）100%原子经济性反应和高选择性反应环氧乙烷的生产环氧丙烷的生产CO气相催化偶联合成草酸二乙酯使用无毒无害原料及可再生资源取代氢氰酸路线合成苯乙酸的新工艺用生物质原料（淀粉、纤维素）合成乙醇等有机品以生物质为原料制生物质能源分子筛代替三氯化铝催化剂合成乙苯和异丙苯采用无毒无害溶剂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环境无害的绿色化学产品绿色化学产品应该具有两个特征：产品本身必须不会引起环境污染或健康问题，包括不会对野生生物、有益昆虫或植物造成损害；当产品被使用后，应该能再循环或易于在环境中降解为无害物质。环境无害的绿色化学产品可降解塑料的研制新型化学杀虫剂化工与高技术信息、微电子、自动化技术与化工自动化技术新材料技术与化工新能源技术与化工空间技术与化工海洋开发技术与化工21世纪化工展望世界化工发展趋势资源利用多元化产品结构精细化技术结构现代化经营管理全球化发展方向绿色化GreenChemistry绿色化学、环境无害化学、环境友好化学或清洁化学绿色化学是对传统化学思维方式的更新和发展；绿色化学是从源头上消除污染；绿色化学是合理利用资源和能源，符合经济可持续发展发求；绿色化学用化学技术和方法去减少或消灭对人类健康、社区安全、生态环境有害的原料、催化剂、溶剂和试剂、产物、副产物等的使用和产生。绿色化学的理想在于不再使用有毒、有害的物质，不再产生废物，实现废物的“零排放”。绿色化学的研究内容绿色化学研究的中心问题是使化学反应、化工工艺及其产物具有以下四个方面的特点：①采用无毒、无害的原料；②在无毒、无害的反应条件（溶剂、催化剂等）下进行；③使化学反应具有极高选择性，极少的副产物，甚至达到“原子经济”的程度，即在获取新物质的转化过程中充分利用每个原料原子，实现“零排放”④产品应是对环境无害的。绿色反应也要求具有一定的转化率，达到技术上经济合理。绿色化学的实现途径①开发原子经济反应；②提高烃类氧化反应的选择性；③采用无毒、无害的原料；④采用无毒、无害的催化剂；⑤采用无毒、无害的溶剂；⑥采用生物技术从可再生资源合成化学品；⑦环境友好产品；⑧计算机辅助的绿色化学设计；⑨有机电化学合成方法。绿色化学的历史发展与现状美国“总统绿色化学挑战奖”；日本“新阳光计划”；英国皇家化学会创办绿色化学国际性化学期刊；中国科学院化学部“绿色化学技术—推动化工生产可持续发展的途径”；中国国家自然科学委员会与中石化集团”环境友好石油化工催化化学与化学反应工程“重大基础研究项目；绿色化学与技术已成为世界各国政府、企业和学术界关注的重要研究与发展方向。绿色化学的12项准则：（由美国化学会提出）1)预防环境污染Prevention防止废物的生成，而不是在废物产生后再进行处理。2)原子经济性AtomEconomy设计将所有反应物质尽可能全部转化为最终产品的合成方法。3)无害化学合成LessHazardousChemicalSynthesis在化学合成中尽量不使用和不产生对人类健康和环境有毒有害的物质。复习：绿色化学的发展预测(12项原则)4)设计安全化学品DesigningSaferChemicals设计具有高使用效益低环境毒性的化学品，在这些产品被期望功能得以实现的同时，将其毒性降到最低限度。5)使用安全溶剂和助剂SaferSolventsandAuxiliaries尽量不使用溶剂等辅助物质，不得已使用时它们必须是无毒无害的。6)提高能源经济性DesignforEnergyEfficiency化学过程所需的能量应考虑其对环境的影响和经济效益，能耗应最低，尽可能使合成技术在环境温度和压力下进行。7)使用可再生的原料UseofRenewableFeedstocks尽量采用可再生的原料，特别是用生物质代替石油和煤等矿物原料。8)减少衍生物ReduceDerivatives如有可能应尽量减少副产物。9)新型催化剂的开发Catalysis合成方法中应尽可能使用高选择性的催化剂。10)降解设计DesignforDegradation化学产品在使用完后应能降解成无害的物质，并且能进入自然生态循环。11)预防污染中的实时分析Real-timeanalysisforPollutionPrevention发展可进行实时分析的方法，实现在线监测，以便监控有害物质的形成。12)防止意外事故的安全工艺InherentlySaferChemistryforAccidentPrevention选择参加化学进程的物质，尽量减少发生意外事故的风险（包括泄露、爆炸和火灾）。NEXT2.2原料绿色化举例：绿色化工生产技术中的原料绿色化绿色化工生产技术即化工生产清洁技术，是指化工生产中利用化学原理和工程技术来减少或消除造成环境污染的有害原料、催化剂、溶剂、助剂、副产品。原料绿色化;化学反应绿色化;反应介质绿色化.传统的直至现代化工生产,原材料大多数对人类健康、生态环境有毒有害；绿色化学或绿色化工清洁生产，主要要考虑两大方面：对人类健康和生态环境的影响；反应、转化成为目标产物（或产品）过程的转换效率。（1）替代光气(COCl2)的绿色原料光气用于制备异氰酸酯、碳酸二甲酯、聚碳酸酯等。光气剧毒，1、2次世界大战期间曾用作化学武器。光气制备的产物也是毒性大的物质。二氧化碳和胺直接反应生成异氰酸酯环氧乙烷、二氧化碳、甲醇为原料制备碳酸二甲酯一气化碳、甲醇、氧气为原料，制备碳酸二甲酯化工生产原材料的无毒、无害化（2）替代氢氰酸的绿色原料氢氰酸剧毒。氢氰酸用于生产含氰化合物、聚合物单体；制造尼龙66传统方法是丁二烯和氢氰酸反应生成己二腈而进行的；新工艺是丁二烯甲酰化和胺化法；传统方法是用氢氰酸和丙酮生产：异丁烯直接氧化生产甲基丙烯酸。（3）其它的化工原料绿色化①石油裂解制氢取代水煤气制氢②纤维素转化成乙酰丙酸③双氧水取代含氯/硫氧化剂及漂白剂可再生资源作为化工生产原材料（1）采用生物质材料制取燃料（2）采用生物质材料制取精细有机化学品生物质：由光合作用产生的所有生物有机体的总称，包括植物、农作物、林产物等。其中含有淀粉、纤维素、木质素等成分生物质特点可再生，储量丰富。仅每年再生的纤维素和木质素折合成能量相当于石油年产量的15～20倍。大部分已高度氧化，作为化工原料可避免氧化步骤比矿物原料更清洁。生物质来源于CO2，燃烧后不增加大气中CO2的含量。季节性强，产量、质量不稳定。需要大量土地。以生物质为原料生产的化工产品淀粉→糊精，丙酮→麦芽糖→葡萄糖→乙醇（丙醇，丁醇，戊醇）→乙醛，乙烯，乙醚→乙酸→乙酸乙酯纤维素→葡萄糖→葡萄糖酸，山梨糖醇，甘露糖醇，丙烯酸半纤维素→木糖→糠醛→木糖醇，呋喃→四氢呋喃，顺丁烯二酸酐木质素→蒽醌，酚，甲醇1）物理法：将生物质加热裂解成低分子物质，然后分馏出有用成分。2）化学法：采用水解、酸解、氧化还原降解将生物质变为小分子。物理法、化学法能耗高、产率低，副产物多且造成废弃物污染环境。3）生物化学转化法：利用酶将生物质降解为葡萄糖，然后转化为各种化学品。生物化学转化法过程复杂，且要借