绿色化学实验报告.docx

绿色化学实验报告绿色化学的基本介绍：绿色化学又称“环境无害化学”、“环境友好化学”、“清洁化学”， ，绿色化学是指:在制造和应用化学产品时应有效利用(最好可再生)原料,消除废物和避免使用有毒的和危险的试剂和溶剂。而今天的绿色化学是指能够保护环境的化学技术.它可通过使用自然能源,避免给环境造成负担、避免排放有害物质.利用太阳能为目的的光触媒和氢能源的制造和储藏技术的开发，并考虑节能、节省资源、减少废弃物排放量。背景：传统的化学工业给环境带来的污染已十分严重，目前全世界每年产生的有害废物达3亿吨4亿吨，给环境造成危害，并威胁着人类的生存。严峻的现实使得各国必须寻找一条不破坏环境，不危害人类生存的可持续发展的道路。化学工业能否生产出对环境无害的化学品？甚至开发出不产生废物的工艺？绿色化学的口号最早产生于化学工业非常发达的美国。1990年，美国通过了一个“防止污染行动”的法令。1991年后，“绿色化学”由美国化学会（ACS）提出并成为美国环保署（EPA）的中心口号，并立即得到了全世界的积极响应。核心：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。按照绿色化学的原则、最理想的化工生产方式是：反应物的原子全部转化为期望的最终产物。绿色化学涉及有机合成、催化、生物化学、分析化学等学科,内容广泛。它的主要特点是：1.充分利用资源和能源，采用无毒、无害的原料；2.在无毒、无害的条件下进行反应，以减少废物向环境排放；3.提高原子的利用率，力图使所有作为原料的原子都被产品所消纳，实现“零排放”；4.生产出有利于环境保护、社区安全和人体健康的环境友好的产品。重要性：迄今为止，化学工业的绝大多数工艺都是20多年前开发的，当时的加工费用主要包括原材料、能耗和劳动力的费用。近年来，由于化学工业向大气、 水和土壤等排放了大量有毒、有害的物质。以1993年为例，美国仅按365种有毒物质排放估算，化学工业的排放量为30亿磅。因此，加工费用又增加了废物控制、处理和埋放。环保监测、达标，事故责任赔偿等费用。1992年，美国化学工业用于环保的费用为1150亿美元，清理已污染地区花去7000亿美元。1996年美国Dupont公司的化学品销售总额为180亿美元，环保费用为10亿美元。所以，从环保、经济和社会的要求看，化学工业不能再承担使用和产生有毒有害物质的费用，需要大力研究与开发从源头上减少和消除污染的绿色化学。绿色化学与催化： 催化剂：催化剂是化学工艺的基础，是许多化学反应实现工业应用的关键。目前大多数化工产品的生产，均采用了催化反应技术，据统计，约85%化学品是通过催化工艺生产的，新的化工过程有80%以上是依靠催化技术来完成的。特点：催化剂只能实现热力学上可以发生的反应。催化剂只能缩短或延长到达平衡的时间，而不能改变转化率。催化剂具有选择性。催化剂是第一步的反应物，最后一步的产物，即经过一次化学循环后又恢复到原来的组成。绿色催化剂定义：绿色化学要求化学品的生产最大限度地合理利用资源，最低限度地产生环境污染和最大限度地维护生态平衡。它对化学反应的要求是：采用无毒、无害的原料；在无毒无害及温和的条件下进行；反应必须具有高效的选择性；产品应是环境友好的。这四点要求之中有两点涉及到催化剂，人们将这类催化反应成为绿色催化反应，其使用的催化剂也就称为绿色催化剂。分类：固体酸催化剂：1.沸石分子筛：沸石分子筛是结晶铝硅酸金属盐的水合物，其化学通式为：Mx/m(AlO2)x(SiO2)yzH2O。应用:分子筛具有均匀的微孔结构，比表面积为200-900m2/g，孔容占分子筛晶体体积体积的50%左右，随硅铝比的提高，分子筛的酸稳定性、热稳定性增强，高硅分子筛对烃类的裂解和转化催化反应表现出相当高的活性。2.杂多酸催化剂：由杂原子（如P、Si、Fe、Co 等）和配位原子（即多原子，如Mo、W、V、Nb、Ta 等）按一定的结构通过氧原子配位桥联组成的一类含氧多酸或为多氧簇金属配合物，常用HPA 表示。杂多酸催化剂有两种存在形式即纯杂多酸和负载型杂多酸。杂多酸在精细化学品合成中的应用：1、HPA酸催化烷基化。2、HPA酸催化酯化。3、HPA酸催化缩合。4、HPA酸催化硝化。5、HPA催化氧化。3.超强酸：固体酸的强度超过100%H2SO4的酸强度，即为超强酸。 分类：固体本身型 例：TiO2-SO42- H-ZSM-5负载型 例：SbF5/SiO2-Al2O3含卤素型 活性高，稳定性较差，原料价格高，有腐蚀性不含卤素型 以SO42-为促进剂的锆系（SO42-/ZrO2）、钛系、 铁系（SO42-/Fe3O4） 以金属氧化物为促进剂，如WO3/Fe3O4等4.离子交换树脂:固体碱催化剂:1.异构化反应 :烯的异构化反应,Al2O3、CaO和MgO对此反应有较好的催化活性。 2.氧化反应: 不饱和烯烃的环氧化作用是在固体碱催化剂作用的同时伴有过氧化氢物的加入。3,.氨化反应：在固体碱催化剂作用下伯胺和仲胺能够与共轭双烯发生加成反应。4.氢化反应：通常氢分子在固体碱催化剂被吸附并形成H+和H-起到氢化作用。生物催化剂：本质是酶。优点为反应条件温和、催化效率高和专一性强。缺点为有机溶剂中生物催化剂的稳定性和耐受性都很低，易受到有机溶剂的破坏，此外它的催化活性还受到溶剂pH和反应温度的影响。膜催化剂: 膜还没有一个精确、完整的定义。在膜催化反应器中，膜的功能主要有以下两种：1、膜上反应区的一个分离元件，仅有分离功能。2、膜具有催化活性，膜本身是催化剂或是用催化活性物质进行处理而具有催化功能，同时又有选择性透过的功能。这种膜催化剂有着常规催化剂难以比拟的优点：扩散阻力小，温度极易控制，选择性高，能进行不产生副反应产物的连串反应等。绿色催化剂的研制与开发，是化学工作者的重大课题，也是化学工业摆脱污量对环境伤害严重局面的希望所在。催化科学反展到今天已经成为化学品、燃料生产和环境保护的支柱技术。过去在研制催化剂时只考虑其催化活性、寿命、成本及制造工艺，极少估计环境因素。近年来以清洁生产为目的的绿色催化工艺及催化剂的研开发已成为21世纪的热点，因为只有采用这种工艺及新催化剂才能实现科技创新与绿色环保相结合，才能带来企业的高效益和社会效益的同步增长。与此同时，将昭示一种新资源观念和环保观念：即人类对自然资源可以进行重复多次的利用，从而使有限的资源构成一个多次生成过程，这种既能多次重复利用资源又能保护环境的绿色科技产业，将使我国传统化工产业完成由夕阳产业到绿色产业的革命性转变。绿色化学与有机合成：1，不产生三废的原子经济反应：化学反应应最大限度地利用原料分子的每一个原子,并使之结合成目标产物。原子经济性概念可引导人们如何去设计有机合成,在设计合成的途径中,如何经济地利用原子、避免使用保护基,这样就不会有废物,且对环境友好。目前,有些有机原料的生产已采用原子经济反应,如丙烯氢甲酰化制丁醛、甲醇羰化制醋酸、乙烯或丙烯的聚合、乙烯直接氧化成环氧乙烷等。2，采用高选择性、高效的催化反应：绿色化学追求的是实现高选择性、高效的化学反应,极少的副产物,以及“零排放”,继而达到高“原子经济性”反应。相对于化学当量的反应,高选择性、高效的催化反应更符合绿色化学的基本要求。催化不对称合成反应在不对称合成中催化不对称合成是最有效的方法,它是有机合成化学研究的热点和前沿。通过不对称催化不但可以提供医药、农药、精细化工所需的关键中间体,而且可以提供环境友好的绿色合成方法。催化不对称合成反应主要包括催化不对称氢化反应、氢硅烷化反应、氢甲酰化反应、氢酯化反应、环丙烷化反应、环氧化反应、不对称酮还原反应、糖类衍生物催化反应和酶催化反应等。新型催化剂催化反应许多有机合成反应中,液体酸或碱是最常用的催化剂,价格便宜、催化效率高,但对设备腐蚀严重、污染大、副反应多、后处理困难。为克服传统酸碱催化带来的危害,研究和开发新型绿色催化剂自然就成为目前最前沿的热点之一。较成功的有各种新型分子筛催化剂、固体超强酸或碱催化剂、杂多酸催化剂、夹层固体催化剂及相转移催化剂。这些新型催化剂的催化能力均优于传统的酸碱催化剂,同时对环境友好,目前正大量应用于有机合成中。生物催化反应生物催化是集生物学、化学和工程学于一体形成的知识与信息高度密集的新兴学科,是化工领域的一项重要技术。因具有转化条件温和、选择性高、制造成本低等优势,生物催化已在一些新产品的研制和新工艺的开发中发挥了重要作用。生物催化的核心是生物催化剂,其研制已成为各国学者竞相攻关的课题,并得到了迅速发展。如用酶催化技术进行不对称化合物的合成,已取得成效。有机酸如柠檬酸、衣康酸、葡萄糖酸等化工原料现在也可用生物技术进行合成。3，开发绿色合成新工艺：有些合成工艺从传统观点看设计得相当合理,且具有很大的经济效益,但从绿色化学的角度审视,却无社会效益,这就有必要另辟蹊径,采用新工艺、新方法或利用计算机辅助设计。4，选择无毒无害的溶剂：水溶剂：水是自然界中最丰富的溶剂,无毒、无污染、价廉。水相中的有机反应操作简便、安全,没有介质的易燃易爆等问题。超临界和近临界流体溶剂：在无毒无害溶剂的研究中,最活跃的是开发超临界流体,特别是超临界二氧化碳(scCO2)。离子液体溶剂：离子液体指室温或低温下液体状态的盐,由含氮、磷有机阳离子和大的无机阴离子(BF4、PF6等)组成。,5，发展绿色化学产品:发展和应用对人类和环境无毒无害的试剂、溶剂及其它化学产品,也是绿色化学的重要内容。绿色化学产品有两个重要特征:产品本身不会引起环境污染和健康问题;产品被使用后,应能再循环或易降解为无害物质。目前,发展绿色化学产品的途径主要有选择无毒无害的化学原料,开发和利用生物质5,发现和研制无公害的化学替代品,回收废弃物等。绿色化学与环境保护: 绿色化学与环境保护密切相关，其目标和任务是积极主动地防治环境污染，但又绝不是简单意义上的环境保护。绿色化学是在绿色化学新学科基础上开发的从源头上阻止环境污染以及全程治理、综合利用的化工技术，以期在化工生产和使用过程中实现废物的“零排放”，并生产出环境友好安全和无毒的化工产品。绿色化学的根本在“防”，而非“治”，其在始端就采取了有效的预防措施，以杜绝污染物的生成。绿色化学的出现得益于环境保护全球重视度的提高，随着科学技术的进步和社会的日益发展，绿色化学必将在环境保护中扮演越来越重要的角色，为环境保护开辟一条崭新途径。 环境污染与化学相关的环境污染问题主要包括如下几个方面。大气污染问题：是指由空气中的颗粒物、硫的氧化物(SO2、SO3)、氮的氧化物(NO、NO2等)、CO、碳氢化合物、氟氯代烷等造成的污染(其中SO2、NOx主要来源于化石类燃料的大量使用)。大气污染的具体表现主要有：形成酸雨、酸雾；臭氧层空洞；光化学烟雾；室内空气污染(指家用燃料的燃烧、烹调、吸烟产生的CO、CO2、NO、NO2、SO2等，各种建筑材料和装饰材料释放出的甲醛、苯等有机物造成的污染等，其中CO与血红蛋白作用会使血液失去输氧能力，导致CO中毒)。水体污染：是指过量有害物质进入水中造成的污染。导致水体污染的物质主要有两大类，一类是重金属污染，如重金属Hg、Cd、Pb、Cr等进入水中形成的污染，这些重金属主要来自于化工、冶金、电子、电镀等排放的工业废水。植物营养物质污染：水中高浓度的N、P等植物营养物质，导致水体富营养化而形成的污染。它主要是由进入水中腐烂的含蛋白质的物质、含磷洗涤剂及大量使用磷肥造成的。固体废弃物造成的污染：主要是指生活垃圾、工业废料随意堆放造成的污染，目前最引人注意的是由塑料制品造成的白色污染及废旧电池造成的重金属污染。垃圾污染范围广泛，对环境及生物的不良影响途径多样。当今环境污染存在