化工过程的绿色化

第五章化工过程的绿色化2/97作者指导教师一级学科名称二级学科名称提交日期3/97作者指导教师一级学科名称化学工程与技术二级学科名称工业催化提交日期4/97为什么要发展绿色化工？绿色化学的定义(GreenChemistry)绿色化学是一门新兴的化学分支，又称“环境无害化学”、“环境友好化学”、“清洁化学”，以“原子经济性”为原则，研究如何在生产目标产物的过程中充分利用原料及能源，减少有害物质的释放。5/97绿色化学的定义(GreenChemistry)由美国化学会（ACS）提出，其核心是利用化学原理从源头上减少和消除工业生产对环境的污染，反应物的原子全部转化为期望的最终产物。6/977/97绿色化学的目标绿色化学即是用化学的方法和技术减少或消灭那些对人类健康、社区安全、生态环境有害的原料、催化剂、溶剂和试剂在生产过程中的使用，同时也要在生产过程中不产生有毒有害的副产物、废物和产品。绿色化学的愿景在于不再使用有毒、有害的物质，不再产生废物，不再处理废物。从科学观点看，绿色化学是化学学科基础内容的更新；从环境观点看，它是从源头上消除污染；从经济观点看，它合理利用资源和能源，降低生产成本，符合经济可持续发展的要求。8/97环境治理的历史回顾20世纪40～50年代——稀释废物20世纪60～70年代——废物后处理20世纪90年代——从源头消除污染源9/97各国政府推动绿色化学的措施美国1990年美国颁布了《污染防治条例》，将污染的防治定为国策。1991年，绿色化学由美国化学会（ACS）提出并成为美国环境保护署（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。总统绿色化学挑战奖1996年起，由美国环境保护署（EPA）、美国科学院、国家科学基金、美国化学会、美国白宫等联合设立了“美国总统绿色化学挑战奖”（PresidentialGreenChemistryChallengeAward），用于奖励对绿色化学做出重要贡献的个人、团体和组织。奖项分为：绿色合成路线奖、绿色反应条件奖、绿色化学品设计奖、小企业奖、学术奖等5项。2015年起，新增了一个奖项——气候变化奖（ClimateChangeAward）。10/972015年“美国总统绿色化学挑战奖”获奖项目（第20届）绿色合成路线奖一氧化碳（CO）、二氧化碳（CO2）广泛存在于工业废气中，给大气环境带来危害。LanzaTech公司发展的微生物发酵方法将CO、CO2转化为乙醇、2,3-丁二醇等重要燃料。相较于以天然气、煤、石油等为原料的传统工艺，新方法的实施可以将温室气体的排放减少到70%左右。11/97绿色反应条件奖聚异丁烯是生产润滑油、添加剂和汽油添加剂的重要中间体。传统的合成方法需要使用BF3等具有腐蚀性的Lewis酸催化剂；不仅需要使用昂贵的仪器设备，而且会排放出等量的废水。Soltex公司通过BF3与醇的络合，将其固定在氧化铝载体上，有效地解决了上述问题。绿色化学品设计奖异氰酸酯是化学工业中重要的试剂，但因其具有强刺激性和潜在的致癌作用而饱受诟病。HybridCoatingTechnologies和NanotechIndustries公司因其使用环状碳酸酯和胺替代传统的异氰酸酯和多醇，合成聚氨酯涂料和绝缘泡沫。12/97小企业奖植物纤维是自然界中储量最广的生物质资源。由于纤维自身的惰性，在很大程度上限制了其应用。Renmatix公司用超临界水将植物纤维水解为糖，为进一步生产生物柴油和化学品提供了原料。该技术与传统的酸催化方法、酶法等工艺比较，具有清洁、高效、经济等优点。气候变化奖工业废气中含有大量CO2，如何高效利用CO2并将其转化为有价值的燃料一直是化学家研究的重要课题。Algenol公司开发出了基因增强的蓝藻（cyanobacteria）菌株，可以在阳光和盐水的条件下高效地将空气和工业废气中的CO2转化为乙醇和生物油等燃料。该工艺中盐水可以从海水获取，不依赖粮食作物为原料，降低了燃料生产成本，并显著地减少碳排放。13/97学术奖生物质类衍生物5-羟甲基糠醛（HMF）是一类重要的平台化合物，具有多样反应活性。科罗拉多州立大学的EugeneY.-X.Chen教授设计的氮杂环卡宾类有机小分子催化剂在无金属催化的条件下实现了HMF的自身缩合以及二甲基丙烯酸酯的聚合反应。这些反应的原子经济性均为100%。14/97Prof.C.J.Li(李朝军)加拿大绿色化学首席科学家、麦吉尔大学(McGillUniv.)教授。美国总统绿色化学挑战奖(2001)和加拿大华人教授优秀奖(2011)等。2012年当选加拿大皇家科学院院士。“原子经济性”的绿色化学有机合成研究。空气和水中的过渡金属催化反应。15/972014-12-18韩布兴院士中国科学院院士。担任IUPAC绿色化学分会主席、亚洲超临界流体学会主席、中国化学会化学热力学与热分析专业委员会主任。担任GreenChem、中国科学（化学）等期刊的副主编或编委。16/972016-1-1617/97日本制订“21世纪重建绿色地球”的新阳光计划，设立“为地球创新技术的研究院”。欧盟各国德国：1991年制订“为环境而研究的计划”英国：2000年设立“JerwoodSalters环境奖”荷兰：2001年制订“清洁生产手册”中国制订了“科教兴国”和可持续(sustainable)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化学品合成的绿色化学19/97（ACS）（RSC）（?）绿色化学的主要内容如何评估是否绿色？在绿色化学生产中有12条必须遵守的原则，这些原则可作为实验化学家开发和评估一条合成路线、一个生产过程、一个化合物是不是绿色的指导方针和标准。21/9722/9712PrinciplesofGreenChemistryProf.Anastas,P.T.Prof.Waner,J.C.YaleUniversity23/971.PreventionItisbettertopreventwastethantotreatorcleanupwasteafterithasbeencreated.2.AtomEconomySyntheticmethodsshouldbedesignedtomaximizetheincorporationofallmaterialsusedintheprocessintothefinalproduct.3.LessHazardousChemicalSynthesesWhereverpracticable,syntheticmethodsshouldbedesignedtouseandgeneratesubstancesthatpossesslittleornotoxicitytohumanhealthandtheenvironment.4.DesigningSaferChemicalsChemicalproductsshouldbedesignedtoaffecttheirdesiredfunctionwhileminimizingtheirtoxicity.5.SaferSolventsandAuxiliariesTheuseofauxiliarysubstances(e.g.,solvents,separationagents,etc.)shouldbemadeunnecessarywhereverpossibleandinnocuouswhenused.6.DesignforEnergyEfficiencyEnergyrequirementsofchemicalprocessesshouldberecognizedfortheirenvironmentalandeconomicimpactsandshouldbeminimized.Ifpossible,syntheticmethodsshouldbeconductedatambienttemperatureandpressure.7.UseofRenewableFeedstocksArawmaterialorfeedstockshouldberenewableratherthandepletingwhenevertechnicallyandeconomicallypracticable.8.ReduceDerivativesUnnecessaryderivatization(useofblockinggroups,protection/deprotection,temporarymodificationofphysical/chemicalprocesses)shouldbeminimizedoravoidedifpossible,becausesuchstepsrequireadditionalreagentsandcangeneratewaste.9.CatalysisCatalyticreagents(asselectiveaspossible)aresuperiortostoichiometricreagents.10.DesignforDegradationChemicalproductsshouldbedesignedsothatattheendoftheirfunctiontheybreakdownintoinnocuousdegradationproductsanddonotpersistintheenvironment.11.Real-timeanalysisforPollutionPreventionAnalyticalmethodologiesneedtobefurtherdevelopedtoallowforreal-time,in-processmonitoringandcontrolpriortotheformationofhazardoussubstances.12.InherentlySaferChemistryforAccidentPreventionSubstancesandtheformofasubstanceusedinachemicalprocessshouldbechosentominimizethepotentialforchemicalaccidents,includingreleases,explosions,andfires.绿色化学的12条原则1.防止废物：设计化学合成方法防止废物的产生，从而无需进行废物的处理。2.使原子经济最大化：最大比例的利用起始反应物的原子。3.降低化学合成方法的危险性：降低或消除生成产物的合成方法对人类及环境的毒性。4.设计更安全的化合物和产物：设计更有效，而且低毒或无毒的化合物。5.使用更安全的溶剂和反应条件：避免使用溶剂，混合物分离试剂，和其他的辅助化合物。6.提高能源效率：可能的话，在常温常压下进行反应。7.使用可再生的原料：使用可再生的原料而非消耗型原料。8.避免衍生物：避免使用保护基或其他暂时的修饰，衍生物的产生将使用额外的试剂，并产生废物。9.使用催化剂：通过催化反应将废物的量降到最低。10.设计可降解的产物：产物在使用后，应可降解，而不会在环境累积。11.全程分析并防止污染：在生产过程中进行全程监控，以减少或消除副产物的生成。12.使事故的可能性降到最低：设计化合物及其状态，