第2章 绿色化学

1湖南科大化学化工学院2020年5月18日星期一第二章绿色化学原理2湖南科大化学化工学院2020年5月18日星期一本章目录2.1绿色化学的概念2.2大力发展绿色化学2.3化学反应的原子经济性2.4原子经济与环境效应2.5绿色化学的研究内容2.6绿色化学的十二条原则3湖南科大化学化工学院2020年5月18日星期一2.1绿色化学的概念4湖南科大化学化工学院2020年5月18日星期一2.1绿色化学的概念GreenChemistryisinvestigatedworld-widely如果没有绿色化学,在22世纪化学制造业将不复存在.5湖南科大化学化工学院2020年5月18日星期一绿色化学绿色化学的含义绿色化学的观点2.1绿色化学的概念绿色化学是可以实现的绿色化学不同于环境控制6湖南科大化学化工学院2020年5月18日星期一2.1绿色化学的概念绿色化学是当今国际化学科学研究的前沿。它吸收了当代物理、生物、材料、信息等学科的最新理论和技术，是具有明确的科学目标和明确的社会需求的新兴交叉学科。传统的环境保护方法是治理污染，或曰污染的末端治理，也就是研究已有污染物对环境的污染情况，研究治理这些已经产生了的污染物的原理和方法，是一种治标的方法。2.1绿色化学的概念7湖南科大化学化工学院2020年5月18日星期一2.1绿色化学的概念目标绿色化学的目标是：化学过程不产生污染，即将污染消除于其产生之前。实现这一目标后就不需要治理污染，因其根本就不产生污染，是一种从源头上治理污染的方法，是一种治本的方法。如何从源头上防止污染，从根本上减少或消除污染，提高反应的原子经济性，实现废物的“零排放”，这是绿色化学追求的首要目标。绿色化学就是利用化学原理和方法来减少或消除对人类健康、社区安全、生态环境有害的反应原料、催化剂、溶剂和试剂、产物、副产物的新兴学科，是一门从源头上、从根本上减少或消除污染的化学。1.绿色化学的目标8湖南科大化学化工学院2020年5月18日星期一2.1绿色化学的概念目标绿色化学的目标对生产过程来说，绿色化学包括：节约原材料和能源，淘汰有毒原材料，在生产过程排放废物之前减降废物的数量和毒性.对产品来说，绿色化学自在减少从原料的加工到产品的最终处置的全周期的不利影响。绿色化学不仅将为传统化学工业带来革命性的变化，而又必将推进绿色能源工业及绿色农业的建立与发展。因此,绿色化学是更高层次的化学，化学家不仅要研究化学品生产的可行性和现实用造，还型考虑和设计符合绿色化学要求、不产牛或减少污染的化学过程。9湖南科大化学化工学院2020年5月18日星期一2.1绿色化学的概念可实现性2.绿色化学是可以实现的绿色化学的目标就是追求完美(通过逐步一个一个地克服一系列的困难).在绿色化学中,合成效率十分重要，因为合成效率的高低不仅体现了合成方法的先进与否，同时也体现了该过程在经济上可行与否。相反意见:很难就一种物质对人类和环境的毒性和危害性定量化.10湖南科大化学化工学院2020年5月18日星期一2.1绿色化学的概念可实现性目前绿色化学领域取得的进展已经对此作出了否定的回答。这方面取得的成果不仅解决了传统方法造成的对环境、对人类健康的危害，同时在经济技术指标、原料有效利用、过程效益等方面均取得了良好效果，因此已成为市场驱动和利益驱动的技术。分子的结构与性能的关系,可以很好地帮助人们预测物质的害海性.我们可以在给定地特殊条件下比较和选择适宜的物质.11湖南科大化学化工学院2020年5月18日星期一2.1绿色化学的概念与环境保护的差异3.绿色化学与环境保护的差异发展了很多有创造性的处理化学废物的方法；发展了许多减轻化学废物堆放场所危险性的方法以及弥补化学废物造成危害的方法；发展了许多分析检测空气污染、水污染和土壤污染的方法和处理污染的技术；发展了许多控制污染物暴露的方法和技术。但这些并不能称为是绿色化学。绿色化学是利用化学来预防污染，不让污染产生，而不是处理已有的污染物.12湖南科大化学化工学院2020年5月18日星期一2.1绿色化学的概念与环境保护的差异绿色化学方法临时性解决处理废弃物处理废物提供了永久性的治理从源头上消除废物无废弃物产生无需处理废弃物质传统方法形成了废弃物面对不断增加的环境污染13湖南科大化学化工学院2020年5月18日星期一2.1绿色化学的概念进一步认识4.进一步认识绿色化学科学观点:绿色化学是化学学科的一个新兴领域,是化学基础内容的更新.从环境友好、经济可行的绿色化学产品的设计出发，发展对环境友好、符合原于经济性的起始原料化学，提高化学反应的产率和选择性，或从新的起始原料出发，发展原子经济性的、高选择性的新反应来完成绿色目标产物的合成。14湖南科大化学化工学院2020年5月18日星期一2.1绿色化学的概念进一步认识从经济观点看:绿色化学为我们提供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原理和方法。从环境观点看:绿色化学提供了从源头上消除污染的原理和方法，把现有化学和化工生产的技术路线从“先污染，后治理”改变为“不产生污染，从源头上根除污染”。End15湖南科大化学化工学院2020年5月18日星期一2.2为什么要大力发展绿色化学16湖南科大化学化工学院2020年5月18日星期一2.2大力发展绿色化学是人类社会可持续发展的必然要求是科学技术和经济发展的内在需要17湖南科大化学化工学院2020年5月18日星期一2.2大力发展绿色化学大力发展绿色化学以满足人类社会可持续性发展的需要传统化学工业排放污染物残留积累偶发事故无其它替代品Greenchemistryistheuniquesolution18湖南科大化学化工学院2020年5月18日星期一2.2大力发展绿色化学环境与资源同时存在绿色化学解决循环经济可持续性发展危机需要绿色化学19湖南科大化学化工学院2020年5月18日星期一2.2大力发展绿色化学大力发展绿色化学是科学与经济发展的需要化学学科自身的发展应适应资源和社会需求的变化.也应更新研究内容和方法.绿色化学产生了.科学观点:20湖南科大化学化工学院2020年5月18日星期一2.2大力发展绿色化学在整个工业体系中，化学工业占有很大的比例要发展化学工业从而发展经济，就必须寻求新的原理和方法，发展新的技术，以降低化学品生产的显性成本和隐性成本。环境方面:绿色化学正好具有这个潜力。另外，对于一些行业，要治理其产生污染所需要的费用可能比它本身产生的效益还大很多，如果没有新的原理、新的技术，这些行业就只有破产关门。因此，必须大力发展绿色化学。经济方面End21湖南科大化学化工学院2020年5月18日星期一2.3化学反应的原子经济性22湖南科大化学化工学院2020年5月18日星期一2.3化学反应的原子经济性原子利用率化学反应的原子经济性提高反应物的转化率,目标产物的选择性23湖南科大化学化工学院2020年5月18日星期一2.3.1原子利用率2.3.1.原子利用率原子利用率是一种定量的度量.在理论收率的基础上来比较原子利用率，是衡里用不同路线合成同一特定产品时,对环境影响的快速评估方法.具体的计算方法是:RogerA.Sheldon199224湖南科大化学化工学院2020年5月18日星期一2.3.1原子利用率用原于利用率可以衡量在一个化学反应中，生产一定量目标产物到底会生成多少废物。原子利用率=目标产物的量按化学计量式所得所有产物的量之和=目标产物的量各反应物的量之和╳100%╳100%25湖南科大化学化工学院2020年5月18日星期一2.3.1原子利用率具有100%原子利用率的化学反应的两个主要特点:最大限度地利用了反应原料,最大限度地节约了资源;最大限度地减少了废物排放(因达到了零废物排放)，因而最大限度地减少了环境污染，或者说从源头上消除了由化学反应副产物引起的污染。26湖南科大化学化工学院2020年5月18日星期一2.3.1原子利用率ExamplesExample3：甲基丙烯酸酯的合成Example2：环氧丙烷的制备Example1：从乙烯制备环氧乙烷27湖南科大化学化工学院2020年5月18日星期一2.3.1原子利用率Example1环氧乙烷的制备传统生产方法:氯乙醇水解法绿色生产方法:催化氧化法28湖南科大化学化工学院2020年5月18日星期一2.3.1原子利用率CH2=CH2+Cl2+H2OClCH2CH2OH+HClClCH2CH2OH+Ca(OH)2+HClC2H4O+CaCl2+2H2O传统方法:CH2=CH2+Cl2+Ca(OH)2C2H4O+CaCl2+H2O2871744411118摩尔质量(g/mol)44╳100%=28+71+74原子利用率=4444+111+18╳100%=25%44目标物量/g111+18=129废物量/g29湖南科大化学化工学院2020年5月18日星期一2.3.1原子利用率缺点:1.原子利用率仅为25%,即,1kg目标产物/3kg废物.2.反应物Cl2为有毒有害气体,它会腐蚀设备、危害人体，对设备有严格要求.3.需进行分离与纯化处理才能获得目标产物。假定每步反应的产率和选择性均为100%:30湖南科大化学化工学院2020年5月18日星期一2.3.1原子利用率以银为催化剂，用氧气直接氧化乙烯一步合成环氧乙烷，反应的原子利用串达到了100％。绿色方法：CH2=CH2+1/2O2C2H4O分子量：281644目标产物量：44废物量：044╳100%=28+16原子利用率=4428╳100%=100%31湖南科大化学化工学院2020年5月18日星期一2.3.1原子利用率原子经济性高(100%)氧对于人类和环境是安全的.无需分离与纯化.绿色方法的优点Iftheselectivityofthereactioncouldreach100%32湖南科大化学化工学院2020年5月18日星期一2.3.1原子利用率Example2环氧丙烷的制备33湖南科大化学化工学院2020年5月18日星期一2.3.1原子利用率传统方法33333427158741111858111+18=12958111+18+58╳100%=5842+71+74╳100%=31%C3H6O+CaCl2+H2OCH3CH=CH2+Cl2+Ca(OH)2=33333333334湖南科大化学化工学院2020年5月18日星期一2.3.1原子利用率传统方法的缺点若每一步反应的选择性和产率均为100%,则:1.原子利用率仅为31%,即,1kg目标产物/2kg废物.2.反应物Cl2为有毒有害气体,它会腐蚀设备、危害人体，对设备有严格要求.3.需进行分离与纯化处理才能获得目标产物。35湖南科大化学化工学院2020年5月18日星期一2.3.1原子利用率钛硅分子筛直接催化氧化法绿色方法42345818C3H6O+H2OCH3CH=CH2+H2O2Titania-sillicamolecularsieve58185858+18╳100%=5842+34╳100%=76%=Theamountoftargetproductformed36湖南科大化学化工学院2020年5月18日星期一2.3.1原子利用率原子利用率高(76%)唯一的副产物---水,对环境是友好的.与氯气相比,反应物过氧化氢对人类和环境的安全性高.该方法的环境友好程度明显高于传统方法.绿色方法的优点若每一步反应的选择性和产率均为100%,则:37湖南科大化学化工学院2020年5月18日星期一2.3.1原子利用率Example3甲基丙烯酸甲酯的合成38湖南科大化学化工学院2020年5月18日星期一2.3.1原子利用率利用制取苯酚的副产物丙酮和制取丙烯腈的副产物氢氰酸经两步反应制取。这虽然是一个废物充分利用的典型例子，但其原料原子利用率仅为46％，每生产lkg目标产物相应要生成1.15kg废物硫酸氢铵，同时还涉及到剧毒物质氢氰酸的使用。H3CCOCH3HCN传统方法39湖南科大化学化工学院2020年5月18日星期一2.