毕业论文-绿色化学在现代工业生产中的应用.doc

郑 州 大 学自学考试助学专业毕业论文题 目：绿色化学在现代工业生产中的应用学生姓名：* 年 级：* 准考证号： 专 业： 指导教师： 所属学校： 二O一三年 1 月 17日摘 要 随着科技的迅猛发展，越来越多的环境问题逐渐凸现出来因此，绿色化学受到越来越多地关注。本文对绿色化学概念进行了综述，绿色化工的优点，典型的绿色化化工技术，着重介绍了绿色化学在现代工业中的应用，其中有分离技术、高分子材料、造纸、皮革、涂料、制冷、农药、水处理、能源等。关键词：绿色化学、绿色化、应用目 录摘 要2目 录3前 言41绿色化学52绿色化学的意义53绿色化工的优点54典型的绿色化工技术64.1原料绿色化64.1.1利用可丙生资源作为原料64.1.2采用低毒或无毒无害的原料64.2化学反应绿色化64.3催化剂绿色化64.4溶剂绿色化64.4.1离子溶液74.4.2无溶剂有机反应74.5产品绿色化75绿色化学在现代工业生产中应用75.1绿色化工技术在分离方面的应用75.2绿色化工在高分子材料应用85.3绿色化工在造纸上的应用85.4制革工业85.5涂料工业85.6制冷技术85.7绿色化工在农药中应用95.8绿色化学在水处理中应用95.9绿色化工在能源中的应用9结 语10参考文献1111前 言当今世界，随着经济建设的快速发展，能源的消耗越来越大，全球的石油、煤矿等不可再生资源越来越匮乏，与此同时造成的环境污染问题也越来越严重，给广大人民的生产和生活带来极大的影响，解决资源与发展之间日益突出的矛盾和问题，努力探索促进经济可持续发展的新途径，对保护和改善环境、合理利用资源、促进社会进步和发展循环经济具有十分重要的现实意义。绿色化学指设计没有或只有尽可能小的环境负作用且在技术上和经济上可行的化学品和化学过程，其最大特点是在始端就采用实现污染预防的科学手段，因而过程和终端均为零排放或零污染。1绿色化学 绿色化学又称清洁化学(Clean Chemistry)、环境友好型化学(Environally Friendly Chemistry)和环境无害化学(Environmentally Benign Chemistry)，与其相对应的技术称为绿色技术、环境友好技术。绿色化学即是用化学的技术和力一法去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、产物、副产物等的使用和产生。并且采用具有一定转化率的高选择性化学反应来生产目的产品，不生成或很少生成副产品或废物，实现或接近废物的“零排放”过程。绿色化学的目标在于不再使用有毒、有害的物质，不再产生废物，不再处理废物。2绿色化学的意义 进人20世纪50年代以后，随着工业的发展，全球性的环境污染和生态破坏越来越严重，能源和资源的短缺也日益困扰着人们。而造成环境污染的罪魁祸首是化学工业排放的”三废”及生活中的化学制品。过去的化学工艺费用主要包括原材料、能耗、设备维修和劳动工资，而现在又增加了废物处理、环保监测和事故责任赔偿等费用。所以，从环保、经济和社会发展要求考虑，化学工业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”。绿色化学是20世纪90年代诞生的“新世纪婴儿”，它是人们认识到传统化学的不足而产生的一门新学科。传统化学概念似乎总和环境污染密不可分，它更关注如何通过化学的方法得到更多的物质，而此过程中对环境的影响则考虑较少，即使考虑也着眼于事后的治理而不是事前的预防。而绿色化学是对传统化学和化学工业的革命，是以生态环境意识为指导，研究对环境没有(或尽可能小的)副作用，在技术上和经济上可行的化学品和化学过程，它是化学未来发展的方向。3绿色化工的优点绿色化工是降低化工污染的最有效手段，它转变经济增长方式，保障经济与环境保护协调发展。绿色化工通过技术革新的手段，使物料得到有效利用，将污染物消灭在生产过程中，从源头上使废物不再产生，从而消除污染，彻底改变以前先污染后治理的局面，使化工污染控制过程，实现由末端控制向生产全过程控制转变。绿色化工不但环境效益高，而且能产生很高的经济效益，实现环境效益与经济效益的同步增长。绿色化工可以在环境资金投入不多的情况下，在较短时间内显著地削减污染物，使化工行业经济发展与环境保护之间的矛盾得到彻底缓解，有效的控制化工污染。绿色化工可转变经济增长方式，有效促进化工行业从粗放型向集约型转变。绿色化工通过改进工艺技术和设备，能够最大限度地提高资源和能源的利用率，合理利用资源，降低物耗，提高经济效益，并把它们与环境保护有机地结合起来，有利于化工挖掘环保潜力，提高化工企业的管理水平和技术水平，有效实现节能降耗、减少污染物的产生量和排放量的目标，从而实现经济增长与环境保护的协调发展。4典型的绿色化工技术4.1原料绿色化采用无毒、无害的化工原料或可再生资源原料替代剧毒的、造成环境严重污染的原料，生产特定的产品是绿色化学的重要研究内容。4.1.1利用可丙生资源作为原料二氧化碳作为一种可更新资源，工业社会中大量化石燃料的燃烧为其提供了丰富的的来源。由于二氧化碳价廉易得，用二氧化碳加氢合成甲醇、甲酸是一条很有意义的有机合成路线。由于它能与氢气匀溶，在超临界二氧化碳流体中，二氧化碳生成甲酸的氢化反应具有很高的反应效率Jessop等用Ru(II)化合物催化高浓度氢，反应初期速率达到1400mo1(甲酸), 比同样条件下有机溶剂中的反应速率高一个数量级。二氧化碳加氢合成有机物的研究与碳资源的有效利用和环境保护具有重要的意义，二氧化碳作原料采用类似的方法亦可制备二甲基甲酞胺和甲酸甲酚。4.1.2采用低毒或无毒无害的原料现有化工生产中往往使用剧毒的光气和氢氰酸等作为原料，但光气剧毒、且生产过程中产生大量的氯化氢，既腐蚀设备，又污染环境，为了人类健康和环境安全，需要用无毒无害的原料代替它们来生产所需的化工产品。在代替剧毒的光气作原料生产有机化工原料力一面，碳酸二甲起到了重要的作用。DMC无毒而且在无光气的环境中合成所需的化工产品，如在碳基化反应中用DMC代替剧毒的光气作碳基化试剂。4.2化学反应绿色化化学反应绿色化的目标就是要实现“原子经济反应”。原子经济性的目标是在设计化学合成路线时使原料分子中的原子更多或全部地变成最终希望的产品中的原子。目前，在基本有机原料的生产中。有的已采用原子经济反应，如丙烯氢甲酰化制丁醛、乙烯或丙烯的聚合、丁二烯和氢氰酸合成己二腈等。开发新的原子经济反应已成为绿色化学研究的热点之一。EniChem公司开发了一种用TiSi分子筛催化荆进行环己酮肟化的新技术。这种技术的环己酮转化率99.9。环己酮肟选择性982，以环己酮计，收率超过99，以过氧化氢计收率在92以上，基本上实现原子经济反应，并已工业化。4.3催化剂绿色化传统化工生产过程中，常采用氢氟酸、硫酸、三氯化铝等作为催化剂。如烃类的烷基化反应。这些催化剂的共同缺点是。对设备的腐蚀严重、对人身危害和产生废渣、污染环境等。作为化工领域普遍使用的催化剂，在绿色化工中的作用尤其显得重要。Anastas等提出了绿色化学设计、开发、应用过程的十二条原则，并详细介绍了主要运用催化作用来实现这些原则。大力开发分子筛、杂多酸、超强酸等固体酸催化剂及树脂催化剂，来代替液体酸、碱作催化剂，是实现环境友好新工艺的一条重要途径。4.4溶剂绿色化化学工业的污染问题还来源于反应介质及分离中所用的溶剂。4.4.1离子溶液离子液体是由特定阳离子和阴离子构成的在室温或近于室温下呈液态的物质，其主要的特点是：几乎没有蒸气压，不挥发，无色，无嗅;具有较大的稳定温度范围，较好的化学稳定性及较宽的电化学稳定电位窗口；通过阴阳离子的设计可调节其对无机物、水、有机物及聚合物的溶解性，且其酸度可调至超强酸。离子液体良好的环境友好性和可设计性，使得其作为新型的反应介质正在成为研究热点。4.4.2无溶剂有机反应因为有机溶剂能很好地溶解有机反应物，使反应物分子在溶液中均匀分散，稳定地进行能量交换，所以传统的有机反应，常常在有机溶剂中进行。但有机溶剂的毒性、挥发性、难以回收使其成为对环境有害的因素。因此，无溶剂有机合成将成为发展绿色合成的重要途径。4.5产品绿色化化工产品绿色化与人的身体健康有着密切的关系，世界各国对此开展了广泛研究如化学农药、生物降解塑料、氢氟烃代用品等环境友好化工产品。5绿色化学在现代工业生产中应用5.1绿色化工技术在分离方面的应用超临界流体萃取(super Critical nuid Ext瑚lction)的原理是在超临界状态下，将超临界流体与待萃取的物质接触，利用超临界流体(SCF)的高渗透性、高扩散性和高溶解能力，对萃取物中的目标组分进行选择性提取，然后借助减压、升温的方法，使SCF变为普通气体，被萃取物质则基本或完全排出，从而达到分离提纯的目的。超临界流体常用的有N：、Ar、Xe、H20、C02和丙烷等，但以C02研究最多，也最常用。超临界流体C02(SFC02)的萃取流程示意如下图所示。液态C02高压泵萃取器分离器萃取物C02 图1 SFC02萃取流程示意图超临界流体萃取按操作条件可分为低压SCF萃取、高压SCF萃取、使用夹带剂或改性剂的SCF萃取。超临界流体与萃出物即溶质的分离方法有3种：恒温减压溶质与气体分离；恒压升温溶质与气体分离；吸附分离(在分离器中加入吸附剂吸附不需要的溶质后，萃取物的目标产物与气体分离)。影响萃取效率的因素除萃取物的特性外，主要决定于超临界流体的温度、压力及改性剂的种类和含量。一般而言，增大压力可提高SCF的浓度，有利于萃取；升高温度可提高溶质的溶解度，有利于溶质的扩散。对于动态萃取，SCF流量的增大，萃取率则提高；对于静态萃取，则萃取率随时间的延长而提高。超临界流体技术具有许多传统技术所没有的快速、高效、低能耗、污染少等优点，而且超临界流体无毒、不易燃、不污染环境。与传统提取方法相比，超下提取分离，有利于热敏性物质和易氧化物质的萃取，而且几乎保留产品中全部有效成分，产物没有有机溶剂残留，产品纯度高，操作简单、节能。因此，在化工、医药、香料食品及能源工业等领域都得到工业化应用。5.2绿色化工在高分子材料应用高分子材料由于其本身结构的特点，不容易降解。2000年我国废旧塑料在600万t以上，而回收利用率仅10% 。实施高分子材料绿色工程是解决高分子材料带来的环境问题的根本所在。首先应该在材料的合成制备阶段，从源头上制止废弃的高分子污染，在分子链中引入对光、热、氧、生物酶敏感的基团。其次是利用无污染的物理方法来改善废弃高分子材料的相容性和加工流变性，来制备具有一定使用价值的废弃高分子材料，或通过聚合物的可控解聚和降解，从废弃材料中回收有经济价值的单体、低分子量油脂及其它化学品。可生物降解塑料包括光降解塑料、生物降解塑料、光降解生物降解塑料（目前公认的产品是聚乳酸）。另外，对废弃旧塑料主要还是一级和二级回收利用. 废旧塑料的一级回收主要有人工法、风力法、磁选法和浮选法。二级回收是作为废旧塑料综合利用的最主要途径。2002 年全世界生物降解塑料的市场已经达到3.54.0万t。 目前开发的生物降解塑料包括天然高分子的合成、微生物发酵合成以及化学合成三个大类几十个品种，主要应用于医用材料（药物送达和缓释体系；可吸收性术后缝线；骨科用器材）、包装材料（容器；薄膜、片材；发泡）、农用材料和水产用品。5.3绿色化工在造纸上的应用造纸工业是我国环境污染最严重的三大产业之一，每年有害废水的排放量高达50亿t上世纪八、九十年由于行业需求极大地推动了生物技术在造纸工业研究的步伐，继木聚糖酶在纸浆漂白中得到应用之后，多项生物技术已经进入生产实用阶段，如利用木素降解菌处理纤维原料，代替或部分代替污染严重的化学法制浆；另外天津轻工学院、华南理工大学等单位把纤维素酶应用于废纸脱墨和改性，木素酶用于漂白等方面进行了试验，结果显示出它们具有良好的应用前景。5.4制革工业我国是世界皮革出口大国，但每年排放的废水超过1亿t，7080%的污染源来自制革准备工段。首先应对原料皮、废弃物妥善回收利用；其次是研究和寻找无毒、少毒的化工辅料及工艺技术，如四川联合大学研制成功的Cr-Zr-Al异核配合鞣剂可解决软革松面和提高革的丰满性,废液中铬含量大大降低，目前仍是国内外皮化行业唯一商品化的异核多金属鞣剂；再次是工艺过程中的水、溶剂等资源的循环使用, 尽可能减少二次污染。5.5涂料工业涂料在生产和使用中释放的有机物仅次于交通，是城市主要空气污染源，而涂料常常在室内使用, 与人们的日常生活更为密切。20世纪70年代以来, 低或无溶剂的涂料得到很大的发展, 其中主要包括低溶剂高固含量涂料、粉末涂料、辐射固化型涂料、水分散剂涂料和水基涂料。5.6制冷技术由于氟里昂会破坏臭氧层, 造成臭氧层空洞, 应采用天然制冷剂(如水、空气、氦、氨、碳氧化物等)和使用氟里昂制冷剂替代品，目前CFCs的主要代替品为氢碳氟化合物(HFCs)和氯碳氟化合物(HCFCs)。这些物质均易挥发，不溶于水,能被氧化降解。最有发展前景的绿色制冷剂是由美国杜邦公司首先开发的l，l，l，2四氟乙烷，世界年产量达15万t左右。5.7绿色化工在农药中应用由于农药及其在环境介质间传递所引起的污染很难根治，使得近年来研究者的注意力从农药的强杀伤力和广谱性上逐渐转移到高选择性和环境友好型农药的研究上来。高效安全的农药品种在市场上渐唱主角。在众多的新型农药中，生物农药可以说是绿色农药的首选，绿色农药分类主要包括生物农药，合成农药，光活化农药和化学信息农药。近年来，我国已经生产了一些植物源农药用于绿色食品生产中，如楝素、鱼藤酮，苦参碱和藜芦碱等，绝大部分植物源杀虫剂都具有对人畜安全，不污染环境，不易使害虫产生抗药性等优点。开发单一活性异构体农药或降低产品中无效、低效手性异构体的比例是当代农药生产的发展方向之一，如顺式氰戊菊酯和顺式氯氰菊酯的药效是氰戊菊酯和氯氰菊酯的4倍和2 3倍。5.8绿色化学在水处理中应用在工业用冷却水中加入高效稳定剂，其主要成分为缓蚀剂、阻垢剂和杀菌剂。它可将生产中的直流冷却水(一次性用水)改为循环冷却水，从而节省大量的淡水资源。从绿色化学的角度考虑，新型的缓蚀剂是由铂酸盐替代原来的铬酸盐和重铬酸盐，由脂肪胺替代芳香胺，毒性和污染性都显著降低。如绿色产品聚天冬氨酸替代原来的有机磷酸铬和磷酸盐类。以前使用的杀菌剂为氯化型杀菌剂，它们在水中易生成三卤代甲烷等对人体有毒有害物质。现在使用环境友好型杀菌剂如过氧乙酸替代氯化型杀菌剂。中水是一种生活污水和工业污水经绿色化学技术处理以后可用于工农业生产的非饮用水。近年来淡水资源日趋紧张，中水的生产越来越得到人们的重视。我国的北京、上海等地先后建成了具有一定规模的中水生产装置。废水处理方面大量发展新型水处理剂之外，还大量使用声、光、电、磁、纳米等新型技术。5.9绿色化工在能源中的应用我国是世界上最大的产煤国和消费国，煤炭为国民经济做出巨大贡献的同时，也带来一系列环境污染问题。防治污染的洁净煤技术可分为煤炭燃烧前、燃烧中和燃烧后的净化技术以及煤炭的转化术。其中有常规技术、高新技术和某些尖端技术，如用等离子体或离子束脱硫脱硝等。煤的气化技术是洁净煤技术的重要组成部分，是煤炭转化的主要途径之一，能够减少用煤过程造成的环境污染。地球上的绿色植物每年产生的碳氢化合物高达300亿t以上，其能量储备相当于8 万亿t煤或8百亿t石油，且可在自然环境中降解，因此将生物物质用作化学原料和能源是绿色化学的战略目标。将淀粉或纤维素降解成葡萄糖，再用细菌发酵和（或）酶进行催化，生产出我们所需要的化学物质的方法。结 语 绿色化学与化工过程绿色化是对传统化学和化学工程的创新与发展。发展“绿色化学”需要开发多种技术。随着我国绿色化工事业向前不断推进，化工产品以绝对绿色的优势快速崛起。短期而言，绿色化工技术可以相对的提高生产过程中的成本。从长远来看，人们会逐渐接受绿色化工产品，相应的化工产业也会赢得大众的好评。所以，绿色化工具有良好的发展空间和广泛的使用市场。参考文献1 王延吉, 赵新强. 绿色催化过程与工艺M. 北京: 化学工业出版社, 2002, 6-7.2 薛建跃, 李雷. 绿