循环经济与绿色化学.ppt

绿色化学与循环经济 组员 张正淑 罗亮指 梁银春 郭怨 沈凌屹时间 2013 9 22 2019 12 19 前言 绿色化学概述 传统化学的危害 循环经济 绿色化学与循环经济 第一章前言 目前人类正面临着有史以来的最严重的环境危机 由于人口急剧增加 资源消耗日益扩大人均耕地 淡水和矿产等资源占有量逐渐减少 人口与资源的矛盾越来越尖锐 此外人类的物质生活随着工业化而不断改善的同时 大量排放的生活污染物和工农业污染物使人类的生存环境迅速恶化 2019 12 19 当代全球的十大环境问题是 大气污染 臭氧层破坏 全球变暖 海洋污染 淡水资源的紧张和污染 土地的退化和沙漠化 森林锐减 生物多样性减少 环境公害 有害化学品和危险废物 其中大部分与化学和化工产品的化学物质有关 大气污染 6 全球气温上升 洪水 进 城啦 沙尘暴来啦 酸雨的世界 正常生长的水稻受酸雨伤害的水稻 森林减少了 绿色化学以消除环境污染 提高反应效率和原子经济性 降低能耗为出发点 开发清洁高效的化学反应过程 从化学基础学科的发展进程来看 绿色化学作为绿色产业革命的主要科学基础 已成为当代化学的学科前沿和重点发展方向之一 对于发展循环经济而言 大力开发和推广绿色化学工艺是提高效率 节约资源和能源 改善环境 保证可持续发展的战略措施 2019 12 19 第二章绿色化学概述 Contents 一 绿色化学别名有几个呢 1 环境无害化学 2 环境友好化学 3 清洁化学 2 1绿绿色化学色化学的概念 绿色化学即是用化学的技术和方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 绿色化学的目的是不再使用有毒有害的物质 不再产生废物 不再处理废物 把污染治理转变为污染预防 它是一门从源头上阻止污染的化学 从源头制止污染 而不是在末端治理污染 合成方法应具 原子经济性 即尽量使参加过程的原子都进入最终产物 在合成方法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 设计具有高使用效益低环境毒性的化学产品 2 2绿色化学的研究问题 尽量不用溶剂等辅助物质 不得已使用时它们必须是无害的 生产过程应该在温和的温度和压力下进行 而且能耗应最低 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 尽量减少副产品 使用高选择性的催化剂 2019 12 19 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 发展适时分析技术以便监控有害物质的形成 选择参加化学过程的物质 尽量减少发生意外事故的风险 2 3绿色化学的研究进展 2 31新型催化剂的开发和研制 2 3 2无毒 无害溶剂的使用 2 3 4开发新的原子经济反应 2 3 3采用无毒无害 可再生原料 2 3 5产品绿色化 返回目录 2 3 1新型催化剂的开发和研制 目前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 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它具有转化条件温和 选择性高 制造成本低等优势 2019 12 19 生物催化剂的应用 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对烃类的烷基化反应 比较成功的方法是采用新型分子筛催化剂的乙苯液相烃化技术 这种催化剂选择性很高 乙苯收率超过99 6 而且催化剂寿命长 表1美国总统绿色化学挑战奖中关于酶催化剂的研究 2 3 2无毒 无害溶剂的使用 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 超临界二氧化碳作溶剂 既有常规液态溶剂的溶解度 又具有气体的粘度 因而具有很高的传质速度 超临界二氧化碳的优点是 可压缩性大 流体的密度 溶剂溶解度和粘度等性能均可由压力和温度的变化来调节 在无毒无害溶剂的研究中 最活跃的研究项目是开发超临界流体 SCF 特别是超临界二氧化碳作溶剂 超临界二氧化碳是指温度和压力均在其临界点以上的二氧化碳流体 311 7477 79kPa 它既有常规液态溶剂的溶解度 在相同条件下 又具有气体的粘度 因而具有很高的传质速度 例 超临界二氧化碳溶剂 2 3 3采用无毒无害 可再生原料 光气原料的替代 20世纪40年代以后 石油又逐渐成为主要的化学原料 随着人类逐渐认识到煤和石油化学工业对环境的负面影响 科学家已经开始考虑如何重新利用生物质代替煤和石油来生产人类所需要的化学物质 利用生物质代替广泛使用的石油 是保护环境的一个长远发展方向 1996年美国 总统绿色化学挑战奖 授予了M Holtzapple教授 就是由于其开发了一套用石灰处理和细菌发酵技术 把废生物质转化为动物饲料 工业化学品和燃料 2019 12 19 将生物质转化为化学化工原料 但生物质主要由淀粉及纤维素组成 前者易于转化为葡萄糖 而后者则由于结晶及与木质共生等原因 通过纤维酶转化为葡萄糖 难度较大 2019 12 19 Draths等报导以葡萄糖为原料 通过酶反应可制得己二酸 邻苯二酚等 尤其是作为尼龙原料的己二酸的研究已取得了显著进展 另外 在现有的化工生产中 仍在大量使用一些危险的有毒的基本原料如 氢氰酸 光气 甲醛等 今后应该通过绿色化学的研究以减少或避免使用这些物质 2019 12 19 关于代替剧毒氢氰酸原料 1996年 孟山都 Monsanto 公司 不用HCN为原料生产除草剂氨基二乙酸钠 关于代替剧毒的光气作原料 Riley等报道了工业上已开发成功一种由胺类和二氧化碳生产异氰酸酯的新技术 2019 12 19 关于代替甲醛作原料 2007年美国总统绿色化学挑战奖的绿色合成路线奖颁给了美国俄勒冈州立大学 OregonStateUniversity 的LiK C 教授等人 他们合作开发了一种用大豆粉为原料制备黏合剂的替代品 这种大豆基的黏合剂产品不含甲醛 也不使用甲醛为原料 在国外 EniChem公司采用钛硅分子筛催化剂 将环己酮 氨 过氧化氢直接合成环己酮肟 并已实现工业化 钛硅分子塞 2 3 4开发新的原子经济反应 2 3 5产品绿色化 绿色产品 产品在使用过程中和使用后不会危害生态环境和人体健康 产品具有合理的使用功能及使用寿命 产品易于回收 利用和再生 报废后易于处理 在环境条件下容易降解 2019 12 19 1 可再生纸作购物袋 用再生塑料制造各种容器 不但可节约宝贵的资源 还可以减少固体废弃物的排放 2019 12 19 2 聚苯乙烯发泡塑料快餐盒 使用后成为白色垃圾 在自然条件下 需数百年方能降解 对环境带来严重的影响 为了加速它的自然降解 生产时可在其中加入光敏剂 化学助剂等 使其在使用后几个月内即分解成无害物质 垃圾处理 mp4 绿色杀虫剂 多杀菌素 多杀菌素又名多杀霉素 Spinosad 是在刺糖多胞菌发酵液中提取的一种大环内酯类无公害高效生物杀虫剂 产生多杀菌素的亲本菌株土壤放线菌多刺糖多孢菌 最初分离自加勒比的一个废弃的酿酒场的土壤样品 多杀菌素 被证实是1980 2000年期间 直接来自天然产物研究计划的害虫防治剂的典范之一 Spinosad的特征包括 独特的化学和作用方式 对重要经济害虫的高杀死性 半衰期短 易降解 对哺乳动物 鸟类 鱼及大部分益虫安全性好 2019 12 19 多杀菌素的研发赢得了1999年美国环保署总统绿色化学挑战奖 USEPAPresidentialGreenChemistryChallengeAward 在进行微小的结构改造后于2008年再一次获奖 至今 多杀菌素是唯一一个两次获该绿色化学奖的杀虫剂 2019 12 19 44 作用机制 多杀菌素对昆虫存在快速触杀和摄食毒性 它具有神经毒剂特有的中毒症状 它的作用机制是通过刺激昆虫的神经系统 增加其自发活性 导致非功能性的肌收缩 衰竭 并伴随颤抖和麻痹 显示出烟碱型乙酰胆碱受体 nChR 被持续激活引起乙酰胆碱 Ach 延长释放反应 多杀菌素同时也作用于 一氨基丁酸 GAGB 受体 改变GABA门控氯通道的功能 进一步促进其杀虫活性的提高 CompanyLogo 作用机制 快速触杀和摄食毒性 刺激昆虫的神经系统 增加其自发活性 导致非功能性的肌收缩 衰竭 并伴随颤抖和麻痹 多杀菌素应用于环保方面 光和微生物降解 非靶标生物毒性 有益昆虫的高度选择性 使其在害虫综合治理中成为一个引人注目的农药 研究表明 多杀菌素能在大鼠 狗 猫等动物体内快速吸收和广泛代谢 据报道 在48h内 多杀菌素或其代谢产物的60 80 通过尿或大便排泄出去 多杀菌素在动物的脂肪组织中含量最高 其次是肝 肾 奶和肌肉组织 动物体内多杀菌素的残留量主要通过N2脱甲基化作用 O2脱甲基化作用和羟基化作用来代谢 2019 12 19 CompanyLogo 非靶标生物毒性 多杀菌素 害虫 益虫 动物 N2脱甲基化作用 O2脱甲基化作用代谢 80 20 粪便 第三章循环经济 Contents 狭义 利用社会生产和消费过程中产生的各种废旧物资进行循环 利用 再循环 再利用 以至循环不断的经济过程 广义 经济活动组成为 资源 产品 再生资源 的反馈式流程 使所有资源都能不断地在流程中得到合理开发和持久利用 使经济活动对自然环境的不良影响降低到尽可能小的程度 系统学 生态学 工程学 经济学 社会学 循环经济 资源系统工程管理学 人类可利用的自然资源分成不同的子系统 以应用系统分析的方法研究子系统的特征 运行规律 再把主要子系统构成一个大系统 研究其物质 能量和信息的运行规律 以及子系统之间的相互作用 从而为经济发展中的重大工程建设提供设计 建设 运行和管理的科学依据的科学 循环经济的核心是物质的循环 使各种物质循环利用起来 以提高资源效率和环境效率 2019 12 19 资源系统工程管理学的目的在于科学地研究资源的合理开发 高效利用和循环使用 一 循坏经济可以充分提高资源和能源的利用效率 最大限度地减少废物排放 保护生态环境 二 循环经济可以实现社会 经济和环境的 共赢 发展 三 循环经济在不同层面上将生产和消费纳入到一个有机的可持续发展框架中 因为循环经济 一 以协调入与自然关系为准则 实现资源的可持续利用 使社会生产从数量型的物质增长转变为质量型的服务增长 二 拉长生产链 推动环保产业和其他新型产业的发展 增加就业机会 促进社会发展 回目录2 循环经济流动过程 传统经济流动过程 有机地联系起来 回目录2 成功案例美国的杜邦化学公司 在原料的替代上 该公司寻找到一种对环境危害最小的原料来控制对环境的污染 同时他们让这个车间的废料到下个车间变成它的原料 废物通过梯形利用越来越少 最终形成 零排放 成功案例 德国的包装物双元回收体系 德国分别于1991年和1996年颁布 包装废弃物处理法 和 循环经济和废物管理法 规定对废物管理的首选手段是避免产生 然后才是循环使用和最终处置 成功案例 著名的丹麦卡伦堡模式 卡伦堡工业区根据自身的资源情况 把发电厂的热供给炼油厂和制药厂 同时解决周围居民的供热广西贵港国家生态工业 制糖 示范园区 在蔗田系统 制糖系统 酒精系统 造纸系统 热电联产系统 环境综合处理系统之间 形成了3条主要的生态链 三条生态链 因为产业间彼此耦合的关系 资源性物流取代了废物性物流 各环节实现了充分的资源共享 将污染负效益转化为资源正效益 第四章绿色化学与循环经济 任何事物都有两面性 在人类发展史上曾经做出巨大贡献的化学学科也不例外 化学在为人类创造财富的同时 给人类也带来了危害 化学的发展史上充满着探索与进步 化学家在研究过程中不可避免地会合成出未知性质的化合物 只有通过经过长期应用和研究才能熟知其性质 这时新物质可能已经对环境或人类生活造成了影响 2019 12 19 化学的两面性 全球l0大环境问题中 与化工有关的占7 9个 全世界每年度产生废物危险品约3 4亿t 我国工业有毒废水排放约300亿t 其中化工废水约80亿t 好臭哦 大量排放CO2破坏了大气层 近20年来大气温度明显上升 由此而引发的气候拉尼娜现象 厄尔尼多现象屡屡发生 2019 12 19 赤潮来咯 我们的家呢 由于使用含铅汽油 城市已有1 2儿童血铅含量超过国际公认的铅中毒标准 智力发展与神经系统已不同程度地受到损害 2019 12 19 铅中毒症状 铅污染 死珊瑚 绿色化学 传统化学制约经济发展 传统化学 循环经济 回目录2 绿色化学 以资源高效利用和循环利用为核心以 三R 为原则 即减量化Reduce 再使用Reuse 再循环Recycle 以低消耗 低排放 高效率为基本特征以生态产业链为发展载体以清洁生产为重要手段 达到实现物质资源的有效利用和经济与生态的可持续发展 减量化技术 工艺及设备丙尔金清洁镀金技术 针对传统镀金行业剧毒氰化物使用量大 废水污染重量问题 采用合成的水溶性金属盐 一水合柠檬酸一钾二 丙二腈合金 特立独行 丙尔金 镀金新材料 替代传统镀金采用的剧毒原料氰化金钾 实现有毒物质源头替代 大幅减少有毒污染物排放 主要指标 1 丙尔金产品中游离氰化物 0 02 2 镀金废液中总氰含量降低至0 01mg L 3 电镀产品质量优于相关标准要求 2019 12 19 恒生科技 丙尔金金属盐 丙尔金电镀产品模型 清洁镀金新材料丙尔金产品 废物资源化利用技术 工艺及设备 铜尾矿沸腾焙烧制取硫酸技术及设备针对铜尾矿的综合利用 通过大型沸腾焙烧装置生成SO2 同时回收沸腾焙烧高温余热用于发电 采用动力波洗涤净化 两转两吸工艺制取硫酸 焙烧后的铁焙砂用作炼铁优质原料 实现铜尾矿的资源化利用 主要指标硫烧出率 98 7 烟气SO2净化率 98 SO2总转化率 99 8 水循环率 96 7 S回收率 97 铁焙砂 烧渣 中Fe 65 S 0 3 再利用与再制造技术 工艺及设备 废金属破碎分选处理技术及大型化设备 针对废旧机械装备及废钢破碎加工过程中技术装备水平低的问题 采用磁阻开关控制的超宽履带输送设备 液压控制自适应预碾压设备 磁力分选设备 实现铁 有色金属及非金属物质的自动分离 主要指标 主机功率 750 3000kW 每小时处理废金属35 120吨 送料宽度达1500 2600mm 磁力分选率 97 有色金属涡流分选或有色光选分辨率 98 产业共生与链接技术 工艺及设备 生活垃圾预处理及水泥窑协同处理技术 针对国内生活垃圾混合收集 水分高 热值低 难处理等问题 采用双轴机械破碎方式对生活垃圾进行破碎和生物干化 利用综合分选技术分离可燃部分 无机灰渣部分 金属部分 其中可燃部分制成可燃性垃圾固体燃料 RDF 采用多点协同喂料工艺和技术 将RDF替代部分燃料用于干法水泥生产 无机灰渣用作水泥填料 实现工业与社会间产业链接 生活垃圾预处理后可燃部分低位热值 2000kcal kg无机灰渣中可燃物 塑料 纸张等 15 水泥窑处置过程无废渣 废水外排 二噁英 呋喃 0 1ngTEQ Nm3水泥熟料质量符合国家标准 4 4 1万华化学万华企业主要有万华电热 建材 聚氨酯以煤为原料火力发电 产生蒸汽和工业用电 期间产生大量的废料 可以作为建筑材料 原煤和苯可作为万华聚氨酯的原料 制造MDI生产过程中产生的副产物有 HCl CO2 废盐水 废渣和废水 副产物HCl送至韩华做生产原料 副产物CO2送至深加工工厂制造食品级CO2 废盐水精制处理后电化制造氯气和烧碱 废水经过反渗透和超滤处理后循环使用 主要成分 CO 90 P4 PH3 H2S HF SiF4 我省目前处理尾气方法 燃烧若以15000KW的中型电炉计算 排放的硫为6 00Kg h氟为1 25Kg h 现在我国制定的工业排放标准为 目前 以CO为原料的化工生产仅次于石油化工 它已成为化学